EP4314554A1 - Energiezwischenspeicher für stromerzeugungsanlagen - Google Patents

Energiezwischenspeicher für stromerzeugungsanlagen

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EP4314554A1
EP4314554A1 EP22718084.1A EP22718084A EP4314554A1 EP 4314554 A1 EP4314554 A1 EP 4314554A1 EP 22718084 A EP22718084 A EP 22718084A EP 4314554 A1 EP4314554 A1 EP 4314554A1
Authority
EP
European Patent Office
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concentrate
pressure
permeate
store
mixed liquid
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP22718084.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Alobaid FALAH
Pascal KOSCHWITZ
Bernd Epple
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.)
Technische Universitaet Darmstadt
Original Assignee
Technische Universitaet Darmstadt
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the present invention relates to an intermediate energy store and a method for temporarily storing energy, and in particular to a hybrid osmosis pump storage system for wind turbines or for photovoltaic systems or other power generation systems from temporally variable forms of energy.
  • Energy storage can be classified as chemical, thermal, mechanical or electrical.
  • Hybrid energy storage is storage that can be assigned to two or more of the four categories.
  • Most storage facilities have both advantages and disadvantages in terms of storage properties, such as capacity, reconversion/storage efficiency, cost-effectiveness, injection and injection time, suitability for long-term storage, cycle stability, location dependency, service life, gravimetric and volumetric storage density and the ecological balance.
  • accumulators rechargeable batteries
  • the specific cost of such storage systems still limits them to small-scale applications, particularly for longer storage periods.
  • Thermal storage is almost always associated with losses, since heat once generated can no longer be fully converted into electrical work can be converted back.
  • chemical storage since the chemical reactions also generate heat, which is at least partially lost.
  • the present invention relates to an intermediate energy store for at least one power generation plant from a time-varying energy source.
  • the buffer store includes: an osmosis device, a permeate store, a concentrate store and a control device.
  • the osmosis device is designed to separate, in a loading process, a mixed liquid with a boost pressure into a permeate and a concentrate and/or, in a discharging process, the permeate with the concentrate while providing an osmotic pressure to the mixed liquid to mix.
  • the permeate store is fluidly connected to the osmosis device and is designed to store the permeate.
  • the concentrate store is fluidly connected to the osmosis device and is designed to store the concentrate.
  • the control device is designed to control the following functions: the charging process using electrical energy from the at least one power generation system and/or the discharging process while providing electrical energy.
  • the osmotic pressure provided can be used to generate electricity, for example.
  • the energy used can also come from a power grid.
  • the power generation system is a wind power plant or a photovoltaic system or a hydroelectric power plant or a thermal power plant driven by geothermal energy or a combination thereof.
  • a combination of wind turbines and photovoltaic systems can be used, for example, to reduce the fluctuation range of the time-varying energy.
  • the mixed water (especially salt water) is pumped, for example, from a storage tank with the boost pressure to the osmosis device using the energy of the power generation system (or the power grid), which is then operated in reverse osmosis mode.
  • the system In the discharge process, the system is operated in forward osmosis and the osmotic pressure of the mixed concentrate and permeate is made available for energy production.
  • the intermediate energy store includes a pressure exchanger that is designed to partially use an outlet pressure of the osmosis device for the concentrate to generate the charging pressure of the osmosis device.
  • the concentrate store is optionally arranged above the permeate store in order to keep a hydrostatic pressure of the permeate lower than a hydrostatic pressure of the concentrate. It is an advantage if the concentrate storage is located as high as possible, since in this way a high energy density can be achieved or as much of the charge pressure as possible can be used for pumping up.
  • the intermediate energy store optionally includes at least one of the following: a first pump, a second pump, a third pump, one or more valve devices, a reservoir.
  • the first and/or the third pump are designed to bring the charging pressure at the osmosis device for the mixed liquid to a predetermined value above the osmotic pressure during the charging process.
  • the second pump is designed to feed the concentrate from the concentrate store with a predetermined concentrate pressure of the osmosis device during the loading process.
  • the one or more valve devices are designed to control one or more of the following flows: flow of the mixed liquid, flow of the permeate, flow of the concentrate.
  • the reservoir stores the mixed liquid to enable a closed liquid circuit.
  • control device is further designed to control at least one of the following functions: starting the loading process in response to a loading signal that indicates an excess of electrical energy;
  • the excess/lack of electrical energy can come from the fluctuating power generation system itself or from other systems or from the power grid and is controlled by the output of appropriate signals (charging signal, discharging signal). In particular, several energy stores can be combined with one another. The aim is for the one or more power generation plants to supply electrical energy as constantly as possible.
  • the first pump and/or the third pump can be controlled in order to generate the boost pressure.
  • the loading pressure should be higher than the osmotic pressure in order to separate the concentrate and permeate.
  • an overpressure occurs on the concentrate side, which is defined by the osmotic pressure and can have a significant value depending on the concentration difference, for example across a membrane.
  • the concentrate pressure In order to prevent backflow and to achieve an effective flow of liquid through the osmosis device, it has proven advantageous for the concentrate pressure to exceed a minimum value (e.g. half the osmotic pressure). ckes when unloading). It goes without saying that the osmotic pressure essentially results from physical and chemical factors, eg from the concentration, the liquid, the ingredients, the temperature. Depending on the specific conditions, the concentrate pressure can be determined by optimizing the energy supply.
  • a minimum value e.g. half the osmotic pressure.
  • the osmosis device can have at least one membrane which is designed to separate the mixed liquid in a concentration of at least 3% or at least 5% into the permeate and the concentrate.
  • the osmosis device can also have several stages in order to carry out the separation step by step. By proceeding step by step, the mechanical pressure on the membrane, for example, can be limited.
  • the (at least one) membrane is optionally designed to enable operation with a concentrate concentration of at least 10% or at least 20%.
  • the mixed liquid is a pure salt solution (e.g. water, H2O, with table salt, NaCl) and the intermediate energy store is a closed system without material exchange with the environment.
  • the invention should not be restricted to certain mixed liquids. In principle, sugar or other liquids can be used as pure water. However, it is advantageous if the mixed liquid is as pure as possible.
  • a power generation system such as a wind turbine, a photovoltaic system, a hydroelectric power plant, a thermal power plant driven by geothermal energy or a combination thereof, which has an intermediate energy store as described above.
  • the intermediate energy store in the exemplary wind turbine is a hybrid store, in which the permeate store is optionally located below the concentrate store in a tower of the wind turbine, and the reservoir for the mixed liquid is arranged on or below a surface of the earth or water.
  • a hybrid energy store is achieved as a combination of osmotic energy storage with mechanical pumped storage.
  • the same concept can also be implemented for photovoltaic systems. For example, if the photovoltaic system is installed on a house, the height differences (eg the roof compared to the basement) can be used like the tower of wind turbines.
  • the power generation system or the intermediate energy store includes a turbine that is designed to use the osmotic pressure of the mixed liquid generated by the osmosis device to generate electrical energy.
  • control device is further designed to receive a control signal and, based thereon, to start the loading process and/or the unloading process.
  • the control signal may indicate a phase of lack of wind (or lack of electricity in the grid) or a phase of excess wind (or excess electricity in the grid).
  • This control signal can be the loading or unloading signal and can also come from other systems, e.g. if they generate too little or too much electricity there depending on the wind.
  • a balance in power generation should be achieved, whereby the invention should not be limited to a single power generation plant, but also to an entire park of systems (e.g. a wind farm or photovoltaic park or a large number of houses with photovoltaic systems or the entire power grid). should include.
  • Exemplary embodiments also relate to a method for temporarily storing energy for at least one power generation plant.
  • the procedure includes:
  • Example embodiments also relate to a method for compensating for a lack of produced electrical energy from at least one power generation facility (or a lack of electricity in the power grid).
  • the procedure includes:
  • Exemplary embodiments can be used, for example, as network service providers (i.e. to balance load and supply peaks) or for decentralized energy storage.
  • Exemplary embodiments combine three technologies: two storage technologies and renewable wind, solar, water or geothermal power.
  • the two storage technologies are mechanical pumped storage and chemical storage utilizing the osmosis effect of dissolved substances in a solvent (pressure difference across a semi-permeable membrane).
  • Both storage technologies are combined into a hybrid storage and are advantageously integrated locally in the tower of a wind turbine or in houses with photovoltaic systems.
  • An existing dam or underground cavities can also be used as natural height differences. No new, additional space is required. When integrated in the tower of the wind turbine, only the capacity is limited by the
  • the integration can take place within the existing space on the roof or in the basement, so that the naturally existing height differences are available for the desired pressure build-up when using the osmosis effect.
  • Fig. i shows an energy buffer for a wind power plant according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A, 2B show schematic representations of the loading process and the unloading process, as can be controlled by the control device according to exemplary embodiments.
  • Fig. 3A, 3B show the loading and unloading in the exemplary wind turbine.
  • Fig. 1 shows an energy buffer for a power generation plant 50 according to an embodiment of the present invention.
  • the energy intermediate memory comprises an osmosis device 110, a permeate storage 120, a concentrate storage 130 and a control device 140.
  • the osmosis device 110 comprises a membrane 115 and is designed to mix a liquid 10 into a permeate 20 and a concentrate 30 to separate.
  • the permeate storage 120 is fluidly connected to the osmosis device 110 and is designed to store the permeate 20 .
  • the concentrate store 130 is fluidly connected to the osmosis device 110 and is designed to store the concentrate 30 .
  • any other power generation plant can also be used - in particular one or more photovoltaic plants, hydroelectric power plants or geothermal plants. In order to make the description easier to understand, no further reference is made to this.
  • the control device 140 controls the operation of the intermediate energy store, for example whether the osmosis device 110 is operated in forward osmosis mode or in reverse osmosis mode.
  • forward osmosis disharging process
  • reverse osmosis loading
  • This application of pressure represents the energy that is stored and can be recovered in forward osmosis mode.
  • the intermediate energy store shown comprises a reservoir 180 for the mixed liquid 10 and a turbine 200.
  • the turbine 200 is, for example, a water turbine which is coupled to a power generator 210 in order to generate electricity based on the overpressure in the mixed liquid 10 during the discharge process.
  • the mixed liquid 10 comprises, for example, a salt water solution that is as pure as possible (sodium chloride dissolved in pure water) or another salt liquid that is as pure as possible. Sugar or another soluble substance can be used instead of salt.
  • the invention should also not necessarily be restricted to water as the solvent. It is advantageous if the highest possible osmotic pressure is achieved, in which case the membrane 115 should be as durable as possible and should not become clogged (eg by impurities in the water). For this reason, natural water such as sea water as the mixed liquid 10 or fresh water as the permeate 20 is probably unsuitable.
  • the osmosis device 110 includes an inlet 111, a permeate outlet 112 and a concentrate outlet 113.
  • the inlet 111 is a pressure exchanger 150, a first pump 161, a third pump 163 and the turbine 200 fluid in connection with the reservoir 180.
  • the elements M are motors that drive the pumps.
  • the reservoir 180 includes an inlet 181 and an outlet 182.
  • the permeate outlet 112 of the osmosis device 110 is fluidly connected to an inlet 121 and the outlet 122 of the permeate reservoir 120.
  • the concentrate reservoir 130 includes an inlet 131 and an outlet 132.
  • the inlet 131 is fluidly connected via a branching point Vi to the concentrate outlet 113 of the osmosis device 110.
  • the outlet 132 of the concentrate reservoir 130 protrudes the branching point Vi is also fluidly connected to the concentrate outlet 113 of the osmosis device 110.
  • the intermediate energy store also includes a pressure exchanger 150.
  • the pressure exchanger 150 includes an inlet 151 for the mixed liquid 10 and an outlet 152 for the mixed liquid 10.
  • the pressure exchanger 150 also includes an inlet 153 for the concentrate 30 and an outlet 154 for the concentrate 30.
  • the pressure exchanger 150 is in fluid communication with its inlet 151 via the first pump 161 to the outlet 182 of the storage tank 180. Between the outlet 182 of the storage tank 180 and the first pump 161, the mixed liquid 10 is supplied at a branch V3 (separation point). any parts of the mixed liquid 11 and the mixed liquid 12 separately.
  • the mixed liquid 11 runs through the third pump 163 and the mixed liquid 12 runs through the first pump 161 and the pressure exchanger 150.
  • the mixed liquid 11 and the mixed liquid 12 are brought together at the branch V4 (mixing point) at the boost pressure Pi.
  • the outlet 152 for the mixed liquid 10 is fluidly connected via the mixing point V4 to the inlet 111 of the osmosis device 110.
  • the concentrate outlet 113 of the osmosis device 110 is fluidly connected to the inlet 153 of the pressure exchanger 150 for the Concentrate 30.
  • the outlet 154 for the concentrate 30 of the pressure exchanger 150 is fluidly connected to the inlet 131 of the concentrate reservoir 130.
  • the first pump 161 is located between the separation point V3 and the inlet 151 of the pressure exchanger 150 and is designed to provide a predetermined boost pressure Pi at the inlet 111 of the osmosis device 110 .
  • a pressure P3 is transferred to the concentrate 30 and a part of the charging pressure Pi is transferred to the mixture liquid 12.
  • a second pump 162 which is designed to deliver a predetermined concentrate pressure P4 to the concentrate outlet 113 of the osmosis device 110 ( during the unloading process).
  • a third pump 163 is located between the separation point V3 and the mixing point V4, which is designed to (also) provide the boost pressure Pi for the mixed liquid 11.
  • valve devices 170 (171, 172, .
  • a first valve device 171 is thus formed at the outlet 132 of the concentrate store 130 .
  • a second valve device 172 is formed between the inlet 131 of the concentrate store 130 and the outlet 154 for concentrate of the pressure exchanger 150 .
  • a third valve device 173 is formed between the concentrate outlet 113 of the osmosis device 110 and the outlet 132 of the concentrate store 130 .
  • a fourth valve device 174 is formed between the concentrate outlet 113 of the osmosis device 110 and the inlet 151 of the concentrate on the pressure exchanger 150 .
  • a fifth valve device 175 is formed at the inlet 121 of the permeate reservoir 120 .
  • a sixth valve device 176 is formed at the outlet 122 of the permeate store 120 .
  • a seventh valve device 177 is formed between the outlet 152 for the mixed liquid 10 of the pressure exchanger 150 and the inlet 111 of the osmosis device 110 .
  • An eighth valve device 178 is formed between the inlet 111 of the osmosis device 110 and the turbine 200 .
  • a ninth valve device 179 is formed between the splitting point V3 and the first pump 161 .
  • a tenth valve device 1710 is formed between the separation point V3 and the third pump 163 .
  • valve devices 170 are arranged in such a way that the corresponding flow paths are controlled. Although multiple branches are possible, only one valve assembly 170 need be present along a flow path.
  • a three-way valve can be formed at a crossing point.
  • a three-way valve can be connected to a first branch Meeting point Vi be present to optionally connect the concentrate outlet 113 of the osmosis device 110 to the inlet 131 or to the outlet 132 of the concentrate store 130 .
  • Another optional three-way valve can be present at a second branch point V2 in order to optionally connect the inlet 113 of the osmosis device 110 to the reservoir 180 or to the turbine 200 .
  • Another three-way valve can be present at the separation point V3 in order to divide the mixed water 10 between the first and third pumps 161, 163.
  • a fourth three-way valve may be present at the mixing point V4 to combine the mixed water from the pressure exchanger outlet 152 and the mixed water 11 from the third pump 163 .
  • the first and the second branching point Vi, V2 provide bypass (safety) lines.
  • the first branch point Vi allows some or all of the concentrate 30 to flow directly between the osmosis device 110 and the concentrate reservoir 130 (e.g. bypassing the pressure exchanger 150).
  • the second junction point V2 allows some or all of the mixed liquid 10 to flow directly between the osmotic device 110 and the reservoir 180 (e.g., bypassing the turbine 200 or the pressure exchanger 150). Therefore, the three-way valves at the first or second branching point Vi, V2 can be used to precisely control the pressure conditions, i.e. to achieve the most precise possible setting of the boost pressure Pi and the concentrate pressure P4 and to reduce safety-endangering excess pressure in the boost pressure Pi and the concentrate pressure P4 to be able to
  • the optional pressure exchanger 150 is designed to partially or completely use an outlet pressure P2 at the concentrate outlet 113 of the osmosis device 110 to increase the pressure of the mixed liquid 10 from the storage tank 180 to the boost pressure Pi at the inlet 111 of the osmosis device 110 to bring.
  • This pressure exchanger 150 thus serves to use the energy in the outlet pressure P2 at the concentrate outlet 113 of the osmosis device 110 to relieve the first or the third pump 161, 163.
  • the first or the third pump 161, 163 needs less energy since they the predetermined boost pressure Pi at the inlet m-does not have to provide the entire mixture liquid 10 .
  • the first pump 161 may be formed between the splitting point V3 and the mixed liquid inlet 151 of the pressure exchanger 150 .
  • the second pump 162 can be formed between the outlet 132 of the concentrate reservoir 130 and the first branching point Vi.
  • the third pump 163 may be formed between the splitting point V3 and the mixing point V4.
  • the intermediate energy store includes additional sensors 190, such as volume measurement sensors for detecting the liquid flows along the flow paths or level sensors for detecting the liquid levels in the various containers (permeate reservoir 120, concentrate reservoir 130, storage container 180).
  • the permeate reservoir 120, the concentrate reservoir 130 and the reservoir 180 also include valves to allow air to flow in and out during operation.
  • the control device 140 is designed to control at least some or all of the valve devices 170 and to receive sensor data via the additional sensors 190 that can be used for monitoring and optimization.
  • the control device 140 can be designed to activate the first pump 161 or the third pump 163 during the loading process and thus to control the high pressure P3 (reduced outlet pressure) or the boost pressure Pi at the inlet 111 of the osmosis device 110 and the second pump 162 to control the concentrate pressure P4 at the concentrate outlet 113 of the osmosis device 110 during the discharge process. It is understood that the components of the energy buffer about
  • FIG. 2A shows a schematic representation of the loading process, which can be controlled by the control device 140 according to exemplary embodiments.
  • mixed liquid 10 is removed from the reservoir 180 via the first pump 161 or the third pump 163 and optionally supported by the pressure exchanger 150 and fed to the inlet 111 of the osmosis device 110 with the boost pressure Pi.
  • the concentrate 30, which is discharged via the concentrate outlet 113 is separated from the permeate 20, which is discharged via the permeate outlet 112, using the membrane 115.
  • the permeate 20 is fed to the permeate container 120 via the permeate outlet 112 .
  • the concentrate 30 passes from the concentrate outlet 113 with an outlet pressure P2 to the pressure exchanger 150.
  • the pressure exchanger 150 reduces the outlet pressure P2 to a reduced outlet pressure P3, the pressure (or the corresponding energy) being used at the same time is to relieve the first pump 161 and / or the third pump 163, so that partially the outlet pressure
  • P2 is used to build up the charging pressure Pi for the mixed liquid 12 .
  • the concentrate 30 reaches the inlet 131 of the concentrate container 130 with the reduced outlet pressure P3.
  • FIG. 2B shows a schematic representation of the discharging process, which can be controlled by the control device 140 according to exemplary embodiments. Here the flow directions are reversed.
  • the concentrate 30 is pumped from the outlet 132 of the concentrate store 130 via the second pump 162 to the concentrate outlet 113 of the osmosis device 110 at a concentrate pressure P4.
  • the permeate 20 is guided from the permeate storage device 120 to the permeate outlet 112 of the osmosis device 110 .
  • the permeate 20 and the concentrate 30 are mixed via forward osmosis, the osmotic pressure being used.
  • the mixed liquid 10 therefore leaves the osmosis device 110 with an overpressure (turbine pressure P5), which then drives the turbine 200 .
  • a generator 210 is driven to generate electricity.
  • the expanded mixed liquid 10 is fed to the reservoir 180 .
  • the unloading process is controlled, like the loading process, via the control device 140.
  • the control device 140 correspondingly controls the second pump 162, the turbine 200 or the various valve devices 171, 172, ... (see FIG. 1), to generate a corresponding flow with predetermined pressures Pi, P2, ... in the corresponding directions.
  • the arrows in the figures indicate the flow directions.
  • FIG. 3A shows the loading process in the exemplary wind power plant 50, as already shown schematically in FIG. 2A.
  • the lines with the arrows show the activated lines during the loading process, while the thinner lines represent closed lines.
  • the valves opened for this purpose are not filled, while the closed valves are filled in black.
  • the following valve devices can be closed during loading: the first valve device 171, the third valve device 173, the sixth valve device 176, the eighth valve device 178 and branching point V2.
  • valve devices are open: the second valve device 172, the fourth valve device 174, the fifth valve device 175, the seventh valve device 177, the ninth valve device 179 and the tenth valve device 1710.
  • the flow of the mixed liquid 10, the permeate 20 and the concentrate 30 is effected by the first pump 161 and the third pump 163, while the second pump 162 can be switched off.
  • the pressure exchanger 150 can be used for energy recovery, so that the reduced outlet pressure P3 is just high enough for the concentrate 30 to reach the concentrate store 130 .
  • valve devices 171, 172, ... and the operation of the first/second/third pump 161, 162, 163 is controlled by the control device 140, as already explained.
  • the corresponding control lines or control signals are not shown in the figures for the sake of clarity.
  • FIG. 3B shows the discharging process as already shown schematically in FIG. 2B, specifically in the exemplary wind turbine 50.
  • the lines with the arrows again show the open lines during the discharging process, while the thin lines show closed connections.
  • the valves that are open for this purpose are not drawn filled, while the closed valves are filled in black. Accordingly, the following valve devices are closed in this mode of operation: the second valve device 172, the fourth valve device 174, the fifth valve device 175, the seventh valve device 177 and the branching point V 2.
  • valve devices are open: the first valve device 171, the third valve device 173, the sixth valve device 176, the eighth valve device 178.
  • the ninth valve device 179 and the tenth valve device 1710 can be open or closed. Since the first pump 161 and the third pump 163 do not pump in this mode, no mixed water 10 flows between the storage tank 180 and the pressure exchanger 150. Accordingly, the flow from the outlet 132 of the concentrate store 130 has also been switched to open at the branching point Vi, i.e. towards the concentrate outlet 113 of the osmosis device 110. Therefore, during the discharging process, the concentrate 30 is rat container 130 pumped by the second pump 162 with the concentrate pressure P4 to the concentrate outlet 113 of the osmosis device 110. At the same time, the permeate 20 is guided from the permeate storage 120 to the permeate outlet 112 of the osmosis device 110 by gravity.
  • FIG. 4A shows a schematic flowchart for a method for temporarily storing energy for the at least one wind turbine 50. The method includes:
  • FIG. 4B shows a schematic flowchart for a method for compensating for a lack of electrical energy produced in the power grid or by at least one wind turbine 50. This method includes: Operating S210 an osmosis device 110 in a discharge process in which a permeate 20 and a concentrate 30 are mixed to form a mixed liquid 10 by forward osmosis;
  • salt water in particular can be used as the mixed liquid 10, with water that is as pure as possible being mixed with sodium chloride.
  • the mixed liquid 10 is salt water.
  • the mixed liquid 10 in the reservoir 180 can have a salt concentration of at least 3% or more than 5% and in the concentrate store 130 have a concentration of at least 20% or up to 30% (in percent by mass), while in the permeate store 110 almost pure water is present.
  • the upper limit comes from the condition that the concentrate 30 should still dissolve the salt. Blockages caused by precipitating salt should be avoided. However, this largely depends on the salt used and the environmental conditions (e.g. temperature).
  • the charging process and discharging process of the intermediate energy store can also be summarized as follows:
  • the first pump 161 and/or the third pump 163 conveys the exemplary salt water 10 into the osmosis device 110 with the membrane 115.
  • the pressure ratio in the first and/or the third pump 161, 163 is determined depending on the membrane (strength ) selected and can be between 0 and 1000 bar.
  • the membrane 115 separates the incoming brine 10 into two streams, a stream of very pure water (permeate 20) and a stream with high concentration of the soluble components (concentrate 30).
  • the membrane 115 has a pressure difference to be overcome for the first and/or third pump 161, 163. This is based on the osmosis principle.
  • the membrane 115 is semi-permeable, ie ideally only permeable to water in both directions.
  • the permeate 20 strives to pass through the membrane 115 and mix with the concentrate 30 .
  • This effort causes a pressure difference called osmotic pressure.
  • This pressure is overcome by the first and/or third pump 161, 163 in order to separate the salt water 10 into permeate 20 and concentrate 30.
  • the concentrate 30 emerging from the membrane 115 flows through the pressure exchanger 150, which reduces the pressure of the concentrate 30 and thereby increases the pressure of the mixture liquid 12.
  • the pressure of the concentrate 30 is used to increase the pressure of the mixed liquid 12 from the inlet 151 to the outlet 152 of the osmosis device 150 .
  • the pressure of the concentrate 30 is reduced to such an extent that, after flowing through the pressure exchanger 150, the concentrate 30 can still overcome the height difference up to the concentrate store 130.
  • the first pump 161 in conjunction with the pressure exchanger 150 and the third pump 163 overcome this pressure difference in addition to the pressure difference in the membrane 115.
  • the Hö hen appointment the concentrate 30 corresponds to the principle of a pumped storage power plant. Since exemplary embodiments specifically exploit the difference in height in the wind turbine 50, the intermediate energy store can be regarded as a hybrid energy store which not only enables osmotic energy storage but also utilizes the advantages of a pumped-storage system.
  • the permeate 20 passing through the membrane 115 is stored in the permeate reservoir 120 . If the permeate storage 120 is also located at the top of the tower, another pump is used (not shown in FIG.
  • control device 140 to convey the permeate 20 upwards.
  • the control device 140 is present inside the tower (see FIG. 3A).
  • the loading process is complete when the concentrate tank 130 and the permeate tank 120 are filled.
  • the charging process described with the components mentioned represents a possible configuration of the hybrid accumulator.
  • the required charging capacity and time are reduced by adding further membranes, pumps, pressure exchangers, valves, etc. and by suitably connecting these components .
  • the second pump 162 delivers the concentrate 30 from the concentrate store 130 to the osmosis device 110.
  • the delivery pressure can be between 0 bar and the osmotic pressure. It has proven to be advantageous, for example, to use half the osmotic pressure, the osmotic pressure depending, for example, on the selected concentrations.
  • the permeate 20 from the permeate reservoir 120 also flows to the membrane 115 and, due to the osmotic pressure drop across the membrane 115, reaches the concentrate side, where it mixes with the concentrate 30 and leaves the osmosis device 110 as salt water 10.
  • the salt water then becomes Ser 10 relaxed in the turbine 200 and again gespei chert in the reservoir 180.
  • Turbine 200 drives generator 210, which produces electricity. The unloading process is complete when the reservoir 180 is full.
  • the control device 140 is used to control the pumps, valves, turbine, generator, etc. and other fittings and components to be controlled during the discharge process.
  • the discharge process described with the components mentioned represents the simplest configuration of the hybrid accumulator other membranes, pumps, pressure exchangers, turbines, generators, valves, etc. as well as a suitable connection of these components can, among other things, increase the discharge capacity and time gained.
  • the pressures set by the control device 140 are defined in particular by the osmotic pressure. During the loading process, at least the osmotic pressure is generated as the boost pressure Pi by the first pump 161 in conjunction with the pressure exchanger 150 and by the third pump 163 .
  • the osmotic pressure at 10° C. is approximately 28 to 32 bar, for example. At higher concentrations it is significantly higher.
  • the mixed water 10 is a 35 percent salt solution, then at least an osmotic pressure of 200-500 bar is required for the separation.
  • a correspondingly large amount of energy is required or can be obtained from forward osmosis.
  • the control device 140 can thus react flexibly to energy peaks/energy dips.
  • the boost pressure Pi and outlet pressure P2 are between 150 and 250 bar and the reduced outlet pressure P3 is between 0 and 50 bar .
  • the boost pressure Pi and the outlet pressure P2 are between 200 and 500 bar and the reduced outlet pressure P3 is between 0 and 50 bar bar.
  • the concentrate pressure P4 and turbine inlet pressure P5 are between 0 and 250 bar.
  • the concentrate pressure P4 and the turbine inlet pressure P5 are between 0 and 500 bar.
  • Exemplary embodiments should not be restricted to specific pressure conditions. They can also be selected differently and depend on the one hand on the selected liquid or the concentrations, but also on the membrane 115 used and the existing height for the storage 120, 130.
  • the concentrate container 130 is optionally above the permeate container 120 and should be installed as far as possible in the upper area of the wind turbine 50 .
  • the size of the permeate container 120 can be, for example, between 90% and 10% of the size of the storage container 180, and the container 130 can be, for example, between 10% and 90% of the size of the storage container 180.
  • a major advantage of the hybrid energy store lies in the fact that each additional bar of pressure corresponds to a water column of approx. 10 m (ie 100 bar corresponds to a height of approx. 1,000 m). If the same storage capacity is to be achieved in a purely water-pump storage facility, this would have to be many times the height of the largest available wind turbines. In other words, large amounts of energy can be stored with relatively small volumes of liquid. Exemplary embodiments combine the high storage capacity with flexible control, with the control also being able to be carried out in a coordinated manner for several wind turbines (or a wind farm or the power grid).
  • control unit 140 it is thus possible according to exemplary embodiments for the control unit 140 to receive corresponding signals from other wind turbines in order to store their excess energy by means of inverse osmosis. In this way, the energy can be operated gietemporary storage not only by energy from the respective wind turbine itself, but also via an external energy supply (from other Windrä countries or other electricity sources, ie the power grid).
  • control device 140 can receive an (external) control signal which indicates whether there is a need for power storage or a power shortage in the power supply system. Based on this (external) signal, the control device 140 operates the intermediate energy store either in the discharging process or in the loading process or switches the store off completely (e.g. by closing all valves) in order to put it back into operation if necessary.
  • an (external) control signal which indicates whether there is a need for power storage or a power shortage in the power supply system. Based on this (external) signal, the control device 140 operates the intermediate energy store either in the discharging process or in the loading process or switches the store off completely (e.g. by closing all valves) in order to put it back into operation if necessary.
  • the wind turbine can be located on land or in the sea (offshore), in which case the storage container 180 can also be arranged below the water surface or on the seabed, for example. In this way, the height difference can be increased even further.
  • the turbine 200 can, for example, be at approximately the same level as the reservoir 180 in order to achieve the highest possible inlet pressure P5 for the mixed liquid 10 .
  • V2 safety when loading V3 Separation point from mixture liquid 10 to mixture liquid

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Abstract

Ein Energiezwischenspeicher für zumindest eine Stromerzeugungsanlage (50) umfasst: eine Osmose-Einrichtung (110), einen Permeat-Speicher (120), einen Konzentrat-Speicher (130) und eine Steuereinrichtung (140). Die Osmose-Einrichtung (110) ist ausgebildet, um, in einem Beladevorgang, eine Mischflüssigkeit (10) mit einem Ladedruck (P1) in ein Permeat (20) und ein Konzentrat (30) zu trennen, oder, in einem Entladevorgang, das Permeat (20) mit dem Konzentrat (30) unter Bereitstellung eines osmotischen Druckes zu der Mischflüssigkeit (10) zu vermischen. Der Permeat-Speicher (120) steht fluidisch mit der Osmose-Einrichtung (110) in Verbindung und ist ausgebildet, um das Permeat (20) zu speichern. Der Konzentrat-Speicher (130) steht fluidisch mit der Osmose-Einrichtung (110) in Verbindung und ist ausgebildet, um das Konzentrat (30) zu speichern. Die Steuereinrichtung (140) ist ausgebildet, um folgende Funktionen zu steuern: den Beladevorgang unter Nutzung von elektrischer Energie der zumindest einen Stromerzeugungsanlage (50), oder den Entladevorgang unter Bereitstellung von elektrischer Energie.

Description

Energiezwischenspeicher für Stromerzeugungsanlagen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Energiezwischenspeicher und ein Verfahren zur Zwischenspeicherung von Energie, und insbesondere auf ein hybrides Osmose-Pumpspeicher-System für Windkraftanlagen oder für Photo- voltaikanlagen oder anderen Stromerzeugungsanlagen aus zeitlich veränderli chen Energieformen.
HINTERGRUND
Es besteht ein großes Interesse, Strom und Wärme zukünftig zu 100 % aus er neuerbaren Energien zu gewinnen. Diese Energieformen fluktuieren jedoch in Ort und Zeit, was den Ausbau an Energiespeichern befördert und nötig macht, um eine Glättung bei der Energiebereitstellung zu erreichen.
Energiespeicher können als chemisch, thermisch, mechanisch oder elektrisch klassifiziert werden. Hybride Energiespeicher sind Speicher, die zwei oder mehr der vier Kategorien zugeordnet werden können. Die meisten Speicher weisen so- wohl Vor- als auch Nachteile hinsichtlich der Eigenschaften von Speichern auf, wie z.B. Kapazität, Rückverstromungs-/Speicherwirkungsgrad, Wirtschaftlich keit, Aus- und Einspeicherzeit, Eignung als Langzeitspeicher, Zyklusstabilität, Ortsabhängigkeit, Lebensdauer, gravimetrische und volumetrische Speicher dichte und die Ökobilanz. Trotz der jüngsten Fortschritte der Akkumulatoren (wiederaufladbare Batterien) beschränken die spezifischen Kosten solcher Speichersysteme diese immer noch auf Anwendungen im kleinen Maßstab, insbesondere für längere Speicherdau ern. Thermische Speicher sind fast immer mit Verlusten verbunden, da einmal erzeugte Wärme nicht mehr vollständig in elektrische Arbeit zurückverwandelt werden kann. Gleiches trifft zu für chemische Speicher, da auch die chemischen Reaktionen Wärme erzeugen, die zumindest zum Teil verloren ist. Daher besteht ein Bedarf nach alternativen Energiespeichersystemen und insbe sondere nach hybriden Systemen, die verschieden Konzepte miteinander kombi nieren, um so spezifische Nachteile einzelner Konzepte zu vermeiden.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG Zumindest ein Teil der oben genannten Probleme wird durch einen Energiezwi schenspeicher nach Anspruch l und durch die Verfahren Anspruch 13 und An spruch 14 überwunden. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Energiezwischenspeicher für zumindest eine Stromerzeugungsanlage aus einer zeitlich veränderlichen Ener giequelle. Der Zwischenspeicher umfasst: eine Osmose-Einrichtung, einen Per meat-Speicher, einen Konzentrat-Speicher und eine Steuereinrichtung. Die Os mose-Einrichtung ist ausgebildet, um, in einem Beladevorgang, eine Mischflüs sigkeit mit einem Ladedruck in ein Permeat und ein Konzentrat zu trennen und/oder, in einem Entladevorgang, das Permeat mit dem Konzentrat unter Be reitstellung eines osmotischen Druckes zu der Mischflüssigkeit zu vermischen. Der Permeat-Speicher steht fluid mit der Osmose-Einrichtung in Verbindung und ist ausgebildet, um das Permeat zu speichern. Der Konzentrat-Speicher steht fluid mit der Osmose-Einrichtung in Verbindung und ist ausgebildet, um das Konzentrat zu speichern. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, um folgende Funktionen zu steuern: den Beladevorgang unter Nutzung von elektrischer Energie der zumindest einen Stromerzeugungsanlage und/oder den Entladevor gang unter Bereitstellung von elektrischer Energie. Der bereitgestellte osmoti sche Druck kann z.B. zur Stromerzeugung genutzt werden. Die genutzte Energie kann auch aus einem Stromnetz kommen.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist die Stromerzeugungsanlage eine Windkraftan lage oder eine Photovoltaikanlage oder eine Wasserkraftanlagen oder eine durch Geothermie angetriebene Wärmekraftanlage oder eine Kombination daraus. Eine Kombination aus Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen kann bei spielsweise genutzt werden, um Schwankungsbreite der zeitlich veränderlichen Energie zu verringern.
In dem Beladevorgang wird das Mischwasser (insbesondere Salzwasser) bei- spielsweise aus einem Vorratsbehälter mit dem Ladedruck zu der Osmose- Ein richtung unter Nutzung der Energie der Stromerzeugungsanlage (oder dem Stromnetz) gepumpt, die dann in einem Umkehrosmose-Modus betrieben wird. In dem Entladevorgang wird die Anlage in Vorwärtsosmose betrieben und der osmotischen Druck des vermischten Konzentrats und Permeats für eine Energie- erzeugung bereitgestellt.
Optional umfasst der Energiezwischenspeicher einen Druckaustauscher, der ausgebildet ist, um einen Auslassdruck der Osmose-Einrichtung für das Kon zentrat zum Erzeugen des Ladedrucks der Osmose-Einrichtung teilweise zu nut zen. Optional ist der Konzentrat-Speicher oberhalb des Permeat-Speichers angeord net, um einen hydrostatischen Druck des Permeat geringer zu halten als einen hydrostatischen Druck des Konzentrats. Es ist von Vorteil, wenn der Konzentrat- Speicher so hoch wie möglich gelegen ist, da auf diese Weise eine hohe Energie dichte erreicht werden kann oder möglichst viel vom Ladedruck zum Hochpum- pen genutzt werden kann.
Optional umfasst der Energiezwischenspeicher zumindest eines aus dem Folgen den: eine erste Pumpe, eine zweite Pumpe, eine dritte Pumpe, eine oder mehrere Ventileinrichtungen, einen Vorratsbehälter. Die erste und/oder die dritte Pumpe sind ausgebildet, um beim Beladevorgang den Ladedruck an der Osmose-Ein- richtung für die Mischflüssigkeit auf einen vorbestimmten Wert oberhalb des os motischen Druckes zu bringen. Die zweite Pumpe ist ausgebildet, um beim Ent ladevorgang das Konzentrat aus dem Konzentrat-Speicher mit einem vorbe stimmten Konzentratdruck der Osmose-Einrichtung zuzuführen. Die eine oder mehreren Ventileinrichtungen sind ausgebildet, um einen oder mehrere der fol- genden Flüsse zu steuern: Fluss der Mischflüssigkeit, Fluss des Permeats, Fluss des Konzentrates. Der Vorratsbehälter speichert die Mischflüssigkeit, um einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf zu ermöglichen.
Optional ist die Steuereinrichtung weiter ausgebildet, um zumindest eine der folgenden Funktionen zu steuern: Starten des Beladevorganges auf ein Beladesignal, das einen Überschuss an elektrischer Energie anzeigt;
Starten des Entladevorganges auf ein Entladesignal, das einen Mangel an elektrischer Energie anzeigt;
Betätigen der ersten Pumpe und/oder der zweiten Pumpe und/oder der dritten Pumpe und/ oder der Ventil einrichtungen, um den vorbestimm ten Ladedruck und/oder den vorbestimmten Konzentratdruck zu errei chen.
Der Überschuss/Mangel an elektrischer Energie kann von der fluktuierenden Stromerzeugungsanlage selber stammen oder von anderen Anlagen kommen o- der aus dem Stromnetz kommen und wird durch die Ausgabe entsprechender Signale (Beladesignal, Entladesignal) gesteuert. Insbesondere können mehrere Energiespeicher miteinander kombiniert werden. Ziel ist es, dass die eine oder die mehreren Stromerzeugungsanlagen möglichst konstant elektrische Energie liefern. Bei dem Beladevorgang kann die erste Pumpe und/oder die dritte Pumpe ange steuert werden, um den Ladedruck zu erzeugen. Der Ladedruck sollte höher he gen als der osmotische Druck, um eine Trennung von Konzentrat und Permeat zu erreichen. Bei dem Entladevorgang stellt sich bedingt durch die Vor wärtsosmose auf der Konzentratseite ein Überdruck ein, der durch den osmoti- sehen Druck definiert ist und in Abhängigkeit der Konzentrationsdifferenz z.B. über eine Membran einen erheblichen Wert aufweisen kann. Um einen Rück fluss zu verhindern und einen effektiven Flüssigkeitsfluss durch die Osmose- Einrichtung zu erreichen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass der Konzent ratdruck eine Mindestwert überschreitet (z.B. die Hälfte des osmotischen Dru- ckes beim Entladen). Es versteht sich, dass der osmotische Druck sich im We sentlichen physikalisch-chemisch ergibt, z.B. aus der Konzentration, der Flüssig keit, den Inhaltsstoffen, der Temperatur. In Abhängigkeit von den konkreten Be dingungen kann der Konzentratdruck durch eine Optimierung hinsichtlich der Energiebereitstellung ermittelt werden.
Die Osmose-Einrichtung kann zumindest eine Membran aufweisen, die ausge bildet ist, um die Mischflüssigkeit in einer Konzentration von zumindest 3% o- der zumindest 5% in das Permeat und das Konzentrat zu trennen. Die Osmose- Einrichtung kann auch mehrere Stufen aufweisen, um schrittweise die Trennung durchzuführen. Durch das stufenweise Vorgehen, kann beispielsweise der me chanische Druck auf der Membrane begrenzt werden.
Optional ist die (zumindest eine) Membran ausgebildet, um einen Betrieb mit ei ner Konzentration des Konzentrates von zumindest 10% oder von zumindest 20% zu ermöglichen. Optional ist die Mischflüssigkeit eine reine Salzlösung (z.B. Wasser, H2O, mit Kochsalz, NaCl) und der Energiezwischenspeicher ist ein geschlossenes System ohne Stoffaustausch mit der Umgebung. Die Erfindung soll aber nicht auf be stimmte Mischflüssigkeiten eingeschränkt werden. Im Prinzip kann auch Zucker oder andere Flüssigkeiten als reines Wasser genommen werden. Es ist aber von Vorteil, wenn die Mischflüssigkeit möglichst rein ist.
Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Stromerzeugungsanlage wie z.B. eine Windkraftanlage, eine Photovoltaikanlage, eine Wasserkraftanlage, eine durch Geothermie angetriebene Wärmekraftanlage oder einer Kombination daraus, die einen Energiezwischenspeicher, wie er zuvor beschrieben wurde, aufweist.
Optional ist der Energiezwischenspeicher in der beispielhaften Windkraftanlage ein Hybridspeicher, bei dem der Permeat-Speicher optional unterhalb des Kon zentrat-Speichers in einem Turm der Windkraftanlage untergebracht ist, und der Vorratsbehälter für die Mischflüssigkeit auf oder unterhalb einer Erdoberflä che oder Wasseroberfläche angeordnet ist. Damit wird ein Hybridenergiespei cher als Kombination aus osmotischer Energiespeicherung mit einer mechani schen Pumpspeicherung erreicht. Das gleiche Konzept ist auch für Photovoltaik- anlagen umsetzbar. Wenn beispielsweise die Photovoltaikanlage auf einem Haus installiert ist, können die Höhenunterschiede (z.B. des Daches im Vergleich mit dem Keller) wie der Turm von Windkraftanlagen genutzt werden.
Optional umfasst die Stromerzeugungsanlage oder der Energiezwischenspeicher eine Turbine, die ausgebildet ist, um den durch die Osmose-Einrichtung erzeug- ten osmotischen Druck der Mischflüssigkeit zur elektrischen Energieerzeugung zu nutzen.
Optional ist die Steuereinrichtung weiter ausgebildet, um ein Steuersignal zu empfangen und, basierend darauf, den Beladevorgang und/oder den Entlade vorgang zu starten. Das Steuersignal kann eine Phase von Windmangel (oder Strommangel im Netz) oder eine Phase von Windüberschuss (oder Stromüber schuss im Netz) anzeigen. Dieses Steuersignal kann das Belade- oder Entladesig nal sein und kann auch von anderen Anlagen kommen, z.B. wenn diese windab hängig dort zu wenig oder zu viel Strom erzeugen. Insgesamt soll ein Ausgleich bei der Stromerzeugung erreicht werden, wobei die Erfindung nicht auf eine ein- zelne Stromerzeugungsanlage eingeschränkt sein soll, sondern ebenfalls einen ganzen Park von Anlagen (z.B. einen Windpark oder Photovoltaikpark oder eine Vielzahl von Häusern mit Photovoltaikanlagen bzw. das ganze Stromnetz) mit umfassen soll.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Verfahren zur Zwischenspei- cherung von Energie für zumindest eine Stromerzeugungsanlage. Das Verfahren umfasst:
Betreiben einer Osmose-Einrichtung in einem Beladevorgang, bei dem durch Umkehrosmose eine Mischflüssigkeit mit einem Ladedruck in ein Permeat und ein Konzentrat getrennt wird;
Speichern des Permeats in einem Permeat-Speicher; Speichern des Konzentrats in einem Konzentrat-Speicher, wobei elektrische Energie (z.B. Überschussenergie) aus dem Stromnetz oder die elektrische Energie der zumindest einen Stromerzeugungsanlage genutzt wird.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Verfahren zum Ausgleich eines Mangels an produzierter elektrischer Energie von zumindest einer Stromerzeu gungsanlage (oder eines Mangels an Strom im Stromnetz). Das Verfahren um fasst:
Betreiben einer Osmose-Einrichtung in einem Entladevorgang, bei dem durch Vorwärtsosmose ein Permeat und ein Konzentrat zu einer Misch- flüssigkeit vermischt werden;
Antreiben einer Turbine mit der Mischflüssigkeit aus der Osmose-Ein richtung;
Erzeugen und Bereitstellen von elektrischem Strom durch einen Genera tor, der durch die Turbine angetrieben wird. Ausführungsbeispiele weisen eine Vielzahl von Vorteilen auf:
Sie erfüllen insbesondere durch ihre inhärenten Eigenschaften alle Anforderun gen, die an einen Energiespeicher in modernen Strommärkten gestellt werden. Ausführungsbeispiele der hier vorgestellten Art ermöglichen eine große Hürde auf dem Weg zur klimaneutralen Gesellschaft zu überwinden. Ausführungsbei- spiele können beispielsweise als Netzdienstleister (d.h. zum Ausgleich von Last- und Angebotsspitzen) oder zur dezentralen Energiespeicherung eingesetzt wer den.
Ausführungsbeispiele kombinieren drei Technologien: zwei Speichertechnolo gien und die erneuerbare Wind-, Sonnen-, Wasser- oder Geothermiekraft. Die zwei Speichertechnologien sind die mechanische Pumpspeicherung und die che mische Speicherung durch Ausnutzung des Osmose-Effekts von gelösten Stoffen in einem Lösungsmittel (Druckdifferenz durch eine semipermeable Membran). Beide Speichertechnologien werden zu einem hybriden Speicher kombiniert und sind vorteilhafterweise örtlich im Turm einer Windkraftanlage oder in Häusern mit Photovoltaikanlagen integriert. Ebenso können ein vorhandener Staudamm oder unterirdische Hohlräume als natürliche Höheunterschiede genutzt werden. Es wird kein neuer, zusätzlicher Platz benötigt. Bei Integration im Turm der Windkraftanlage ist nur die Kapazität durch die
Größe der Windkraftanlage limitiert. Durch die Summe aller Windkraftanlagen, in denen das Speicherkonzept installiert werden kann, ist die Speicherkapazität insgesamt jedoch groß genug. Beispielhaft sind zwei Vorteile dieses Hybridspei chers, dass: (i) die Speicherung in unmittelbare Nähe zum Ort der Stromerzeu- gung erfolgt, was Transportverluste minimiert, sowie (ii) die sinnvolle Ausnut zung von bisher ungenutztem Raum im Inneren des Windkraftturms. Der bisher ungenutzte Raum stellt wiederum einerseits die Infrastruktur für den Hybrid speicher bereit, weshalb die Investitionskosten des Speichersystems gering sind. Andererseits wird durch die Installation des Speichersystems nicht zusätzlich in die N atur eingegriffen.
Das Gleiche trifft zu für Photovoltaikanlagen, die auf Häusern montiert sind. Auch hier kann die Integration innerhalb des vorhandenen Platzes auf dem Dach bzw. im Keller erfolgen, sodass die natürlich vorhandenen Höhenunterschiede für den gewünschten Druckaufbau bei der Nutzung des Osmose-Effektes zur Verfügung stehen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und durch die beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausfüh rungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständ nis dienen. Fig. i zeigt einen Energiezwischenspeicher für eine Windkraftanlage gemäß ei nem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2A,2B zeigen schematische Darstellungen des Beladevorganges und des Entladevorganges, wie sie gemäß Ausführungsbeispiele durch die Steu ereinrichtung steuerbar sind.
Fig. 3A,3B zeigen den Beladevorgang und den Entladevorgang in der beispiel haften Windkraftanlage.
Fig. 4A,4B zeigen Schritte von Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Fig. l zeigt einen Energiezwischenspeicher für eine Stromerzeugungsanlage 50 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Energiezwi schenspeicher umfasst eine Osmose-Einrichtung 110, einen Permeat-Speicher 120, einen Konzentrat-Speicher 130 und eine Steuereinrichtung 140. Die Os mose-Einrichtung 110 umfasst eine Membran 115 und ist ausgebildet, eine Mischflüssigkeit 10 in ein Permeat 20 und ein Konzentrat 30 zu trennen. Der Permeat-Speicher 120 steht fluid mit der Osmose-Einrichtung 110 in Verbin dung und ist ausgebildet, um das Permeat 20 zu speichern. Der Konzentrat- Speicher 130 steht fluid mit der Osmose-Einrichtung 110 in Verbindung und ist ausgebildet, um das Konzentrat 30 zu speichern.
In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand einer Windkraftan lage erläutert. Es versteht sich, dass dies nur eine Ausführungsform darstellt. Anstatt der Windkraftanlage kann auch jede andere Stromerzeugungsanlage zum Einsatz kommen - insbesondere eine oder mehrere Photovoltaikanalgen, Wasserkraftanlagen oder Geothermieanlagen. Um die Verständlichkeit der Be schreibung zu erleichtert, wird hierauf nicht weiter hingewiesen.
Die Steuereinrichtung 140 steuert den Betrieb des Energiezwischenspeichers, z.B. ob die Osmose-Einrichtung 110 im Vorwärtsosmose-Modus oder im Umkeh rosmose-Modus betrieben wird. Bei der Vorwärtsosmose (Entladevorgang) er- folgt eine Vermischung von Konzentrat 30 und Permeat 20 zu der Mischflüssig keit 10 unter Nutzung/Erzeugung des osmotischen Druckes, während bei der Umkehrosmose (Beladevorgang) deren Trennung unter Druckaufbringung er folgt. Dieses Aufbringen von Druck stellt die Energie dar, die gespeichert wird und im Vorwärtsosmose-Modus zurückgewonnen werden kann.
Der gezeigte Energiezwischenspeicher umfasst einen Vorratsbehälter 180 für die Mischflüssigkeit 10 und eine Turbine 200. Die Turbine 200 ist beispielsweise eine Wasserturbine, die an einen Stromgenerator 210 koppelt, um elektrischen Strom basierend auf dem Überdruck in der Mischflüssigkeit 10 beim Entladevor- gang zu erzeugen.
Die Mischflüssigkeit 10 umfasst zum Beispiel eine möglichst reine Salzwasserlö sung (Natriumchlorid gelöst in reinem Wasser) oder eine andere, möglichst reine Salzflüssigkeit. Anstatt Salz kann auch Zucker oder ein anderer lösbarer Stoff genutzt werden. Die Erfindung soll auch nicht zwingend auf Wasser als Lö- sungsmittel eingeschränkt sein. Es ist vorteilhaft, wenn ein möglichst hoher os motischer Druck erreicht wird, wobei die Membran 115 möglichst langlebig sein soll und sich möglichst nicht verstopfen soll (z.B. durch Verunreinigungen im Wasser). Aus diesem Grund ist natürliches Wasser wie z.B. Meerwasser als Mischflüssigkeit 10 oder Süßwasser als Permeat 20 vermutlich ungeeignet. Die Osmose-Einrichtung 110 umfasst einen Einlass 111, einen Permeat-Auslass 112 und einen Konzentrat-Auslass 113. Der Einlass 111 steht über einen Druck austauscher 150, eine erste Pumpe 161, eine dritte Pumpe 163 und die Turbine 200 fluid in Verbindung mit dem Vorratsbehälter 180. Bei den Elementen M handelt es sich um Motoren, die die Pumpen antreiben. Der Vorratsbehälter 180 umfasst einen Einlass 181 und einen Auslass 182. Der Permeat-Auslass 112 der Osmose-Einrichtung 110 steht fluid mit einem Einlass 121 und dem Auslass 122 des Permeat-Speicher 120 in Verbindung. Der Konzentrat-Speicher 130 umfasst einen Einlass 131 und einen Auslass 132. Der Einlass 131 steht über einen Ver zweigungspunkt Vi fluid in Verbindung mit dem Konzentrat-Auslass 113 der Os- mose-Einrichtung 110. Der Auslass 132 des Konzentrat-Speichers 130 steht über den Verzweigungspunkt Vi ebenfalls fluid in Verbindung mit dem Konzentrat- Auslass 113 der Osmose-Einrichtung 110.
Der Energiezwischenspeicher umfasst weiter einen Druckaustauscher 150. Der Druckaustauscher 150 umfasst einen Einlass 151 für die Mischflüssigkeit 10 und einen Auslass 152 für die Mischflüssigkeit 10. Außerdem umfasst der Druckaus tauscher 150 einen Einlass 153 für das Konzentrat 30 und einen Auslass 154 für das Konzentrat 30. Der Druckaustauscher 150 steht mit seinem Einlass 151 über die erste Pumpe 161 fluid in Verbindung mit dem Auslass 182 des Vorratsbehäl ter 180. Zwischen dem Auslass 182 des Vorratsbehälters 180 und der ersten Pumpe 161 wird die Mischflüssigkeit 10 an einer Verzweigung V3 (Trennungs punkt) zu beliebigen Teilen zur Mischflüssigkeit 11 und zur Mischflüssigkeit 12 getrennt. Dabei durchläuft die Mischflüssigkeit 11 die dritte Pumpe 163 und die Mischflüssigkeit 12 durchläuft die erste Pumpe 161 und den Druckaustauscher 150. Die Mischflüssigkeit 11 und die Mischflüssigkeit 12 werden an der Verzwei- gung V4 (Mischungspunkt) bei dem Ladedruck Pi zusammengeführt. Der Aus lass 152 für die Mischflüssigkeit 10 steht über den Mischungspunkt V4 fluid in Verbindung mit dem Einlass 111 der Osmose-Einrichtung 110. Der Konzentrat- Auslass 113 der Osmose-Einrichtung 110 steht fluid in Verbindung mit dem Ein lass 153 des Druckaustauschers 150 für das Konzentrat 30. Der Auslass 154 für das Konzentrat 30 des Druckaustauschers 150 steht fluid in Verbindung mit dem Einlass 131 des Konzentrat-Speichers 130.
Zwischen dem Trennungspunkt V3 und dem Einlass 151 des Druckaustauschers 150 befindet sich die erste Pumpe 161, die ausgebildet ist, um einen vorbestimm ten Ladedruck Pi an dem Einlass 111 der Osmose-Einrichtung 110 bereitzustel- len. Im Druckaustauscher 150 wird ein Druck P3 auf das Konzentrat 30 und ein Teil des Ladedruckes Pi auf die Mischungsflüssigkeit 12 übertragen.
Zwischen dem Auslass 132 des Konzentrat-Speichers 130 und dem Konzentrat- Auslass 113 der Osmose-Einrichtung 110 befindet sich eine zweite Pumpe 162, die ausgebildet ist, einen vorbestimmten Konzentrat-Druck P4 an dem Konzent rat-Auslass 113 der Osmose-Einrichtung 110 (bei dem Entladevorgang) bereitzu stellen. Zwischen dem Trennungspunkt V3 und dem Mischungspunkt V4 befindet sich eine dritte Pumpe 163, die ausgebildet ist, um (auch) den Ladedruck Pi für die Mischungsflüssigkeit 11 bereitzustellen.
Entlang der fluiden Verbindungen zwischen den genannten Komponenten des Energiezwischenspeichers sind eine Vielzahl von Ventileinrichtungen 170 (171, 172, ...) vorgesehen, die entweder die entsprechenden Verbindungen schließen oder öffnen oder auch teilweise drosseln, um den Fluss der entsprechenden Flüssigkeiten zu kontrollieren.
So ist eine erste Ventileinrichtung 171 an dem Auslass 132 des Konzentrat-Spei- chers 130 ausgebildet. Eine zweite Ventileinrichtung 172 ist zwischen dem Ein lass 131 des Konzentrat-Speicher 130 und dem Auslass 154 für Konzentrat des Druckaustauschers 150 ausgebildet. Eine dritte Ventileinrichtung 173 ist zwi schen dem Konzentrat-Auslass 113 der Osmose-Einrichtung 110 und dem Aus lass 132 des Konzentrat-Speichers 130 ausgebildet. Eine vierte Ventil einrichtung 174 ist zwischen dem Konzentrat-Auslass 113 der Osmose-Einrichtung 110 und dem Einlass 151 des Konzentrats am Druckaustauscher 150 ausgebildet. Eine fünfte Ventileinrichtung 175 ist am Einlass 121 des Permeat-Speichers 120 aus gebildet. Eine sechste Ventileinrichtung 176 ist am Auslass 122 des Permeat- Speichers 120 ausgebildet. Eine siebte Ventileinrichtung 177 ist zwischen dem Auslass 152 für Mischflüssigkeit 10 des Druckaustauschers 150 und dem Einlass 111 der Osmose-Einrichtung 110 ausgebildet. Eine achte Ventileinrichtung 178 ist zwischen dem Einlass 111 der Osmose-Einrichtung 110 und der Turbine 200 ausgebildet. Eine neunte Ventil einrichtung 179 ist zwischen der Trennungspunkt V3 und der ersten Pumpe 161 ausgebildet. Eine zehnte Ventileinrichtung 1710 ist zwischen der Trennungspunkt V3 und der dritten Pumpe 163 ausgebildet.
Es versteht sich, dass alle Ventileinrichtungen 170 derart angeordnet sind, dass die entsprechenden Flusspfade gesteuert werden. Auch wenn mehrere Verzwei gungen möglich sind, braucht entlang eines Flusspfades nur eine Ventileinrich tung 170 vorhanden zu sein. Optional kann an einem Kreuzungspunkt ein Drei wegeventil ausgebildet sein. So kann ein Drei Wegeventil an einem ersten Verzei- gungspunkt Vi vorhanden sein, um optional den Konzentrat-Auslass 113 der Os mose-Einrichtung 110 mit dem Einlass 131 oder mit dem Auslass 132 des Kon zentrat-Speichers 130 zu verbinden. Ein weiteres optionales Dreiwegeventil kann an einem zweiten Verzweigungspunkt V2 vorhanden sein, um optional den Einlass 113 der Osmose-Einrichtung 110 mit dem Vorratsbehälter 180 oder mit der Turbine 200 zu verbinden. Ein weiteres Dreiwegeventil kann am Trennungs punkt V3 vorhanden sein, um das Mischwasser 10 auf die erste bzw. dritte Pumpe 161, 163 aufzuteilen. Ein viertes Dreiwegeventil kann am Mischungs punkt V4 vorhanden sein, um das Mischwasser aus dem Drucktauscherauslass 152 und das Mischwasser 11 aus der dritten Pumpe 163 zu vereinen.
Der erste und der zweite Verzweigungspunkt Vi, V2 stellen Bypass(Sicherheits)- Leitungen bereit. Der erste Verzweigungspunkt Vi ermöglicht es, dass ein Teil oder das gesamte Konzentrat 30 direkt zwischen der Osmose-Einrichtung 110 und dem Konzentrat-Speicher 130 fließen kann (z.B. unter Umgehung des Druckaustauschers 150). In ähnlicher Weise ermöglicht der zweite Verzwei gungspunkt V2, dass ein Teil oder die gesamte Mischflüssigkeit 10 direkt zwi schen der Osmose-Einrichtung 110 und dem Vorratsbehälter 180 fließen kann (z.B. unter Umgehung der Turbine 200 oder des Druckaustauschers 150). Daher können die Dreiwegeventile an dem ersten bzw. zweiten Verzweigungspunkt Vi, V2 zur genauen Steuerung der Druckverhältnisse genutzt werden, d.h. um eine möglichst genaue Einstellung des Ladedruckes Pi und des Konzentratdruckes P4 zu erreichen und um sicherheitsgefährdende Drucküberhöhungen des Ladedru ckes Pi und des Konzentratdruckes P4 abbauen zu können.
Der optionale Druckaustauscher 150 ist ausgebildet, um einen Auslassdruck P2 am Konzentrat-Auslass 113 der Osmose-Einrichtung 110 teilweise oder vollstän dig dafür zu nutzen, um einen Druck der Mischflüssigkeit 10 aus dem Vorratsbe hälter 180 auf den Ladedruck Pi am Einlass 111 der Osmose-Einrichtung 110 zu bringen. Somit dient dieser Druckaustauscher 150 dazu, um die Energie in dem Auslassdruck P2 am Konzentrat-Auslass 113 der Osmose-Einrichtung 110 dafür zu nutzen, um die erste oder die dritte Pumpe 161, 163 zu entlasten. Mit anderen Worten, die erste oder die dritte Pumpe 161, 163 braucht weniger Energie, da sie den vorbestimmten Ladedruck Pi an dem Einlass m-nicht für die gesamte Mi schungsflüssigkeit 10 bereitstellen muss.
Die erste Pumpe 161 kann zwischen dem Trennungspunkt V3 und dem Einlass 151 für Mischflüssigkeit des Druckaustauschers 150 ausgebildet sein. Die zweite Pumpe 162 kann zwischen dem Auslass 132 des Konzentrat-Speichers 130 und dem ersten Verzweigungspunkt Vi ausgebildet sein. Die dritte Pumpe 163 kann zwischen dem Trennungspunkt V3 und dem Mischungspunkt V4 ausgebildet sein.
Optional umfasst der Energiezwischenspeicher weitere Sensoren 190 wie bei- spielsweise Volumenmesssensoren zur Erfassung der Flüssigkeitsströme entlang der Flusspfade oder Niveausensoren zur Erfassung der Flüssigkeitsstände in den verschiedenen Behältern (Permeat-Speicher 120, Konzentrat-Speicher 130, Vor ratsbehälter 180). Der Permeat-Speicher 120, der Konzentrat-Speicher 130 und der Vorratsbehälter 180 umfassen außerdem Ventile, um Luft währende des Be- triebes ein- und ausströmen zu lassen.
Die Steuereinrichtung 140 ist ausgebildet, um zumindest einige oder alle Venti leinrichtungen 170 zu steuern und über die weiteren Sensoren 190 Sensordaten zu empfangen, die zur Überwachung und Optimierung genutzt werden können. Außerdem kann die Steuereinrichtung 140 ausgebildet sein, um beim Beladevor- gang die erste Pumpe 161 bzw. die dritte Pumpe 163 anzusteuern und so den Hö hendruck P3 (verringerter Auslassdruck) bzw. den Ladedruck Pi am Einlass 111 der Osmose-Einrichtung 110 zu steuern und beim Entladevorgang die zweite Pumpe 162 den Konzentrat-Druck P4 an dem Konzentrat-Auslass 113 der Os mose-Einrichtung 110 zu steuern. Es versteht sich, dass die Komponenten des Energiezwischenspeichers über
Rohrverbindungen miteinander verbunden sind und die Ventile, Mess-, Rege- lungs- und Sicherheitseinrichtungen ausgebildet sind, um eine permanente Steuerung zu ermöglichen. Fig. 2A zeigt eine schematische Darstellung des Beladevorganges, der gemäß Ausführungsbeispiele durch die Steuereinrichtung 140 steuerbar ist.
Beim Beladevorgang wird über die erste Pumpe 161 oder die dritte Pumpe 163 und optional durch den Druckaustauscher 150 unterstützt Mischflüssigkeit 10 aus dem Vorratsbehälter 180 entnommen und mit dem Ladedruck Pi dem Ein lass 111 der Osmose-Einrichtung 110 zugeführt. In der Osmose-Einrichtung 110 erfolgt eine Trennung unter Nutzung der Membran 115 des Konzentrat 30, wel ches über den Konzentrat-Auslass 113 ausgelassen wird, von dem Permeat 20, welches über den Permeat-Auslass 112 ausgelassen wird. Das Permeat 20 wird über den Permeat-Auslass 112 dem Permeat-Behälter 120 zugeführt. Das Kon zentrat 30 gelangt von dem Konzentrat-Auslass 113 mit einem Auslass-Druck P2 zu dem Druckaustauscher 150. Der Druckaustauscher 150 verringert den Aus lass-Druck P2 auf einen verringerten Auslassdruck P3, wobei gleichzeitig der Druck (bzw. die entsprechende Energie) genutzt wird, um die erste Pumpe 161 und/ oder die dritte Pumpe 163 zu entlasten, sodass teilweise der Auslassdruck
P2 genutzt wird, um den Ladedruck Pi für die Mischflüssigkeit 12 aufzubauen. Nach dem Druckaustauscher 150 gelangt das Konzentrat 30 mit dem verringer ten Auslassdruck P3 zu dem Einlass 131 des Konzentrat-Behälters 130.
Die Steuerung erfolgt wieder basierend auf Sensoren 190, wie sie in der Fig. 1 dargestellt wurden, durch die Steuereinrichtung 140. Die Steuereinrichtung 140 löst den Beladevorgang insbesondere dann aus, wenn ein Überangebot an Ener gie zur Verfügung steht (z.B. als Energiespitzen), um eine Glättung der Produk tion von elektrischer Energie durch die Windkraftanlage oder durch andere Stromerzeuger zu erreichen. Fig. 2B zeigt eine schematische Darstellung des Entladevorganges, der gemäß Ausführungsbeispiele durch die Steuereinrichtung 140 steuerbar ist. Hier sind die Flussrichtungen umgekehrt. Das Konzentrat 30 wird aus dem Auslass 132 des Konzentrat-Speichers 130 über die zweite Pumpe 162 zu dem Konzentrat- Auslass 113 der Osmose-Einrichtung 110 mit einem Konzentratdruck P4 ge- pumpt. Außerdem wird das Permeat 20 aus dem Permeat-Speicher 120 zu dem Per meat-Auslass 112 der Osmose-Einrichtung 110 geführt. In der Osmose-Einrich tung 110 erfolgt über die Vorwärts-Osmose eine Vermischung des Permeats 20 und des Konzentrats 30, wobei der osmotische Druck genutzt wird. Daher ver- lässt die Mischflüssigkeit 10 die Osmose-Einrichtung 110 mit einem Überdruck (Turbinendruck P5), der anschließend die Turbine 200 antreibt. Über die Tur bine 200 wird ein Generator 210 zur Stromerzeugung angetrieben. Nach der Turbine 200 wird die entspannte Mischflüssigkeit 10 zu dem Vorratsbehälter 180 geführt. Die Steuerung des Entladevorganges erfolgt wie auch des Beladevorganges über die Steuereinrichtung 140. Die Steuereinrichtung 140 steuert hierzu entspre chend die zweite Pumpe 162, die Turbine 200 bzw. die verschiedenen Ventilein richtung 171, 172, ... (siehe Fig. 1) an, um einen entsprechenden Fluss mit vorbe stimmten Drücken Pi, P2, ... in die entsprechenden Richtungen zu erzeugen. Die Pfeile in den Figuren zeigen die Flussrichtungen an.
Fig. 3A zeigt den Beladevorgang in der beispielhaften Windkraftanlage 50, wie er in der Fig. 2A bereits schematisch dargestellt wurde. Die Linien mit den Pfei len zeigen dabei die freigeschalteten Leitungen beim Beladevorgang, während die dünneren Linien geschlossene Leitungen darstellen. Die dazu geöffneten Ventile sind nicht gefüllt, während die geschlossenen Ventile schwarz ausgefüllt sind. Konkret können beim Beladen die folgenden Ventileinrichtungen geschlos sen sein: die erste Ventileinrichtung 171, die dritte Ventileinrichtung 173, die sechste Ventileinrichtung 176, die achte Ventil einrichtung 178 und Ver- zweigungspunkt V2.
Dementsprechend sind die folgenden Ventileinrichtungen geöffnet: die zweite Ventileinrichtung 172, die vierte Ventileinrichtung 174, die fünfte Ventileinrichtung 175, die siebente Ventil einrichtung 177, die neunte Ventil einrichtung 179 und die zehnte Ventileinrichtung 1710. Der Fluss der Mischflüssigkeit 10, des Permeats 20 und des Konzentrats 30 wird durch die erste Pumpe 161 und die dritte Pumpe 163 bewirkt, während die zweite Pumpe 162 ausgeschaltet sein kann. Wie bereits beschrieben kann der Druck austauscher 150 zur Energierückgewinnung genutzt werden, sodass der verrin- gerte Auslassdruck P3 gerade so hoch ist, dass das Konzentrat 30 in den Kon zentrat-Speicher 130 gelangen kann.
Das Öffnen bzw. Schließen der Ventil einrichtungen 171, 172, ... und das Betrei ben der ersten/zweiten/dritten Pumpe 161, 162, 163 wird, wie bereits dargelegt, durch die Steuereinrichtung 140 gesteuert. Die entsprechenden Steuerleitungen oder Steuersignale sind übersichtshalber in den Figuren nicht gezeigt.
Fig. 3B zeigt den Entladevorgang, wie er in der Fig. 2B bereits schematisch dar gestellt wurde, konkret in der beispielhaften Windkraftanlage 50. Die Linien mit den Pfeilen zeigen dabei wiederum die geöffneten Leitungen beim Entladevor gang, während die dünnen Linien geschlossene Verbindungen zeigen. Die dazu geöffneten Ventile sind nicht gefüllt gezeichnet, während die geschlossenen Ven tile schwarz ausgefüllt sind. Dementsprechend sind in dieser Betriebsweise die folgenden Ventil einrichtungen geschlossen: die zweite Ventileinrichtung 172, die vierte Ventileinrichtung 174, die fünfte Ventileinrichtung 175, die siebente Ventileinrichtung 177 und der V erzweigungspunkt V 2.
Die folgenden Ventileinrichtungen sind geöffnet: die erste Ventileinrichtung 171, die dritte Ventileinrichtung 173, die sechste Ventileinrichtung 176, die achte Ventil einrichtung 178.
Die neunte Ventileinrichtung 179 und die zehnte Ventileinrichtung 1710 können geöffnet oder geschlossen sein. Da die erste Pumpe 161 und die dritte Pumpe 163 in diesem Modus nicht pumpen, fließt kein Mischwasser 10 zwischen dem Vor ratsbehälter 180 und dem Druckaustauscher 150. Dementsprechend ist ebenfalls an dem Verzweigungspunkt Vi der Durchfluss von dem Auslass 132 des Konzentrat-Speichers 130 auf Durchlass geschaltet worden, das heißt hin zu dem Konzentrat-Auslass 113 der Osmose-Einrichtung 110. Daher wird bei dem Entladevorgang das Konzentrat 30 aus dem Konzent- rat-Behälter 130 durch die zweite Pumpe 162 mit dem Konzentratdruck P4 zu dem Konzentrat-Auslass 113 der Osmose-Einrichtung 110 gepumpt. Gleichzeitig wird das Permeat 20 aus dem Permeat-Speicher 120 durch die Schwerkraft zu dem Permeat-Auslass 112 der Osmose-Einrichtung 110 geführt. In der Osmose- Einrichtung 110 erfolgt eine Mischung des Konzentrats 30 und des Permeats 20, wobei sich der osmotische Druck und der Konzentratdruck P4 zum Turbinen druck P5 aus der Osmose-Einrichtung 110 vereinen. Die Mischung wird zu der Turbine 200 geleitet und dort zur Energieerzeugung (z.B. Stromerzeugung mit tels eines Generators) genutzt wird. Danach wird die Mischflüssigkeit 10 im Vor ratsbehälter 180 wieder gespeichert. Fig. 4A zeigt ein schematisches Flussdiagramm für ein Verfahren zur Zwischen speicherung von Energie für die zumindest eine Windkraftanlage 50. Das Ver fahren umfasst:
Betreiben S110 einer Osmose-Einrichtung 110 in einem Beladevorgang, bei dem durch Umkehrosmose eine Mischflüssigkeit 10 mit einem Lade- druck Pi in ein Permeat 20 und ein Konzentrat 30 getrennt wird;
Speichern S120 des Permeats 20 in einem Permeat-Speicher 120;
Speichern S130 des Konzentrats 30 in einem Konzentrat-Speicher 130, wobei Überschussenergie aus dem Stromnetz oder die elektrische Energie der zumindest einen Windkraftanlage 50 genutzt wird. Fig. 4B zeigt ein schematisches Flussdiagramm für ein Verfahren zum Aus gleich eines Mangels an produzierter elektrischer Energie im Stromnetz oder von zumindest einer Windkraftanlage 50. Dieses Verfahren umfasst: Betreiben S210 einer Osmose-Einrichtung 110 in einem Entladevorgang, bei dem durch Vorwärtsosmose ein Permeat 20 und ein Konzentrat 30 zu einer Mischflüssigkeit 10 vermischt werden;
Antreiben S220 einer Turbine 200 mit der Mischflüssigkeit 10 aus der Os- mose-Einrichtung 110;
Erzeugen und Bereitstellen S230 von elektrischem Strom durch einen Ge nerator 210, der durch die Turbine 200 angetrieben wird.
Als Mischflüssigkeit 10 kann, wie bereits geschrieben, insbesondere Salzwasser genutzt werden, wobei möglichst reines Wasser mit Natriumchlorid versetzt wird. Im Folgenden wird beispielhaft angenommen, dass die Mischflüssigkeit 10 Salzwasser ist. Beispielsweise kann die Mischflüssigkeit 10 in dem Vorratsbehäl ter 180 eine Salzkonzentration von zumindest 3 % oder mehr 5 % aufweisen und in dem Konzentrat-Speicher 130 eine Konzentration von zumindest 20 % oder bis 30 % aufweisen (in Masseprozenten), während in dem Permeat-Speicher 110 nahezu reines Wasser vorhanden ist. Die Obergrenze ergibt sich aus der Bedin gung, dass das Konzentrat 30 das Salz immer noch lösen sollte. Verstopfungen durch ausfallendes Salz sollten vermieden werden. Dies hängt aber maßgeblich vom verwendeten Salz und von den Umgebungsbedingungen (z.B. Temperatur) ab. Der Beladevorgang und Entladevorgang des Energiezwischenspeichers kann ge mäß Ausführungsbeispielen auch wie folgt zusammengefasst werden:
A. Beladevorgang
Beim Beladevorgang fördert die erste Pumpe 161 und/oder die dritte Pumpe 163 das beispielhafte Salzwasser 10 in die Osmose- Einrichtung 110 mit der Membran 115. Das Druckverhältnis in der ersten und/ oder der dritten Pumpe 161, 163 wird in Abhängigkeit der Membran(festigkeit) gewählt und kann zwischen o und 1000 bar liegen. Die Membran 115 trennt das eintretende Salzwasser 10 in zwei Ströme auf, einen Strom sehr reinen Wassers (Permeat 20) und einen Strom mit hoher Konzentration der löslichen Komponenten (Konzentrat 30). Die Membran 115 weist eine für die erste und/ oder dritte Pumpe 161, 163 zu überwindende Druckdifferenz auf. Diese beruht auf dem Osmose-Prinzip. Die Membran 115 ist semipermeabel, d.h. idealerweise nur für das Wasser in beide Richtungen durch- lässig. Liegt auf der einen Seite der Membran 115 das Permeat 20 und auf der anderen Seite das Konzentrat 30 vor, so ist das Permeat 20 bestrebt, durch die Membran 115 hindurchzutreten und sich mit dem Konzentrat 30 zu vermischen. Dieses Bestreben verursacht eine Druckdifferenz, den sogenannten osmotischen Druck. Dieser Druck wird von der ersten und/ oder dritten Pumpe 161, 163 über- wunden, um das Salzwasser 10 in Permeat 20 und Konzentrat 30 aufzutrennen.
Das aus der Membran 115 austretende Konzentrat 30 durchströmt den Druck austauscher 150, der den Druck des Konzentrats 30 reduziert und dabei den Druck der Mischungsflüssigkeit 12 erhöht. Der Druck des Konzentrats 30 wird genutzt, um den Druck der Mischflüssigkeit 12 vom Einlass 151 bis zum Auslass 152 der Osmose-Einrichtung 150 zu erhöhen. Der Druck des Konzentrats 30 wird so weit reduziert, dass das Konzentrat 30 nach dem Durchströmen des Druckaustauschers 150 noch die Höhendifferenz bis zum Konzentrat-Speicher 130 überwinden kann.
Diese Höhendifferenz zwischen Vorratsspeicher 180 und dem Konzentrat-Spei- eher 130 bedingt einen hydrostatischen Druck. Die erste Pumpe 161 in Verbin dung mit dem Druckaustauscher 150 sowie die dritte Pumpe 163 überwinden diese Druckdifferenz zusätzlich zur Druckdifferenz in der Membran 115. Die Hö henspeicherung des Konzentrats 30 entspricht dem Prinzip eines Pumpspeicher kraftwerks. Da Ausführungsbeispiele gezielt die Höhendifferenz in der Wind- kraftanlage 50 ausnutzen, kann der Energiezwischenspeicher als ein hybrider Energiespeicher angesehen werden, der nicht nur eine osmotische Energiespei cherung ermöglicht, sondern auch die Vorteile einer Pumpspeicheranlage aus nutzt. Das durch die Membran 115 tretende Permeat 20 wird im Permeat-Speicher 120 gespeichert. Befindet sich der Permeat-Speicher 120 ebenfalls am Kopf des Tur mes, so wird eine weitere Pumpe genutzt (nicht eingezeichnet in Fig. 3A), um das Permeat 20 in die Höhe zu fördern. Zum Regeln der Pumpen 161, 162, 163 der Ventile 171, 172 ... und sonstiger zu re gelnder Armaturen und Komponenten beim Beladevorgang ist die Steuerein richtung 140 im Turminneren vorhanden (siehe Fig. 3A).
Der Beladevorgang ist beendet, wenn der Konzentratbehälter 130 und der Per meatbehälter 120 gefüllt sind. Der beschriebene Beladevorgang mit den genannten Komponenten stellt eine mögliche Konfiguration des Hybridspeichers dar. Bei weiteren Ausführungsbei spielen werden durch Ergänzen von weiteren Membranen, Pumpen, Druckaus tauschern, Ventilen etc. sowie durch eine geeignete Verschaltung dieser Kompo nenten u.a. die benötigte Beladeleistung und -zeit reduziert. B. Entladevorgang
Beim Entladen des Energiezwischenspeichers fördert die zweite Pumpe 162 das Konzentrat 30 aus dem Konzentrat-Speicher 130 zur Osmose-Einrichtung 110. Der Förderdruck kann zwischen o bar und dem osmotischen Druck liegen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, beispielsweise die Hälfte des osmotischen Drucks zu nutzen, wobei der osmotische Druck beispielsweise von den gewähl ten Konzentrationen abhängt.
Das Permeat 20 aus dem Permeat-Speicher 120 strömt ebenfalls zur Membran 115 und gelangt aufgrund des osmotischen Druckgefälles an der Membran 115 auf die Konzentratseite, vermischt sich dort mit dem Konzentrat 30 und verlässt als Salzwasser 10 die Osmose-Einrichtung 110. Anschließend wird das Salzwas ser 10 in der Turbine 200 entspannt und erneut im Vorratsbehälter 180 gespei chert. Die Turbine 200 treibt den Generator 210 an, welcher Strom erzeugt. Der Entladevorgang ist beendet, wenn der Vorratsbehälter 180 gefüllt ist.
Zum Regeln der Pumpen, Ventile, der Turbine, des Generators, etc. und sonsti ger zu regelnder Armaturen und Komponenten beim Entladevorgang dient wie derum die Steuereinrichtung 140. Der beschriebene Entladevorgang mit den genannten Komponenten stellt die einfachste Konfiguration des Hybridspeichers dar. Durch Ergänzen von weiteren Membranen, Pumpen, Druckaustauschern, Turbinen, Generatoren, Ventilen, etc. sowie durch eine geeignete Verschaltung dieser Komponenten können u.a. die gewonnene Entladeleistung und -zeit erhöht werden. Die durch die Steuereinrichtung 140 eingestellten Drücke sind insbesondere durch den osmotischen Druck definiert. Beim Beladevorgang wird zumindest der osmotische Druck als Ladedruck Pi durch die erste Pumpe 161 in Verbin dung mit dem Druckaustauscher 150 und durch die dritte Pumpe 163 erzeugt. Beim Entladevorgang wird beispielsweise die Hälfte des osmotischen Druckes als Konzentratdruck P4 durch die zweite Pumpe 162 erzeugt. Für ein Konzentrat 30 mit einer lediglich 3,5 prozentigen Salzkonzentration ist gegenüber Süßwas ser der osmotische Druck bei io°C beispielsweise ca. 28 bis 32 bar. Bei höheren Konzentrationen ist er deutlich höher. Wenn andererseits das Mischwasser 10 eine 35 prozentige Salzlösung ist, dann wird zur Trennung zumindest ein osmo- tischer Druck von 200-500 bar benötigt. In Abhängigkeit vom Volumendurch satz wird dementsprechend viel Energie benötigt bzw. kann bei Vorwärtsosmose gewonnen werden. Somit kann die Steuereinrichtung 140 flexibel auf Energie spitzen/Energieeinbrüche reagieren.
Beispielsweise beim Beladevorgang bei einer Mischwasserkonzentration von ca. 3,5 %, einer Permeatkonzentration von ca. o % und einer Konzentratkonzentra tion von 20 % betragen der Ladedruck Pi und Auslassdruck P2 zwischen 150 und 250 bar und der verringerte Auslassdruck P3 zwischen o und 50 bar. Beispielsweise beim Beladevorgang bei einer Mischwasserkonzentration von ca. 3,5 %, einer Permeatkonzentration von ca. o % und einer Konzentratkonzentra tion von 30 % betragen der Ladedruck Pi und der Auslassdruck P2 zwischen 200 und 500 bar und der verringerte Auslassdruck P3 zwischen o und 50 bar. Beispielsweise beim Entladevorgang bei einer Mischwasserkonzentration von ca. 3,5 %, einer Permeatkonzentration von ca. o % und einer Konzentratkonzentra tion von 20 % betragen der Konzentratdruck P4 und Turbineneintrittsdruck P5 zwischen o und 250 bar.
Beispielsweise beim Entladevorgang bei einer Mischwasserkonzentration von ca. 3»5 %> einer Permeatkonzentration von ca. o % und einer Konzentratkonzentra tion von 30 % betragen der Konzentratdruck P4 und der Turbineneintrittsdruck P5 zwischen o und 500 bar.
Ausführungsbeispiele sollen nicht auf bestimmte Druckverhältnisse einge schränkt werden. Sie können auch anders gewählt werden und hängen einerseits von der gewählten Flüssigkeit oder den Konzentrationen ab, aber auch von der genutzten Membrane 115 und der vorhandenen Höhe für die Speicher 120, 130. Der Konzentrat-Behälter 130 liegt optional oberhalb des Permeat-Behälters 120 und sollte soweit wie möglich im oberen Bereich der Windkraftanlage 50 instal liert werden. Die Größe des Permeat-Behälters 120 kann beispielsweise zwischen 90 % und 10 % der Größe des Vorratsbehälters 180 sein und der Konzentratbe hälter 130 kann dementsprechend beispielsweise zwischen 10 % und 90 % der Größe des Vorratsbehälters 180 betragen.
Ein großer Vorteil des hybriden Energiespeichers liegt in der Tatsache, dass je des bar an zusätzlichen Druck einer Wassersäule von ca. 10 m entspricht (d.h. 100 bar entspricht einer Höhe von ca. 1.000 m). Wenn die gleiche Speicherkapa zität in einem reinen Wasserpumpspeicher erreicht werden soll, müsste dieser ein Vielfaches der Höhe der größten zur Verfügung stehenden Windkraftanlagen aufweisen. Oder anders ausgedrückt, es können große Energiemengen mit rela tiv kleinen Flüssigkeitsvolumina gespeichert werden. Ausführungsbeispiele kombinieren die hohe Speicherkapazität mit einer flexib len Steuerung, wobei die Steuerung auch für mehrere Windkraftanlagen (oder einem Windpark oder dem Stromnetz) koordiniert ausgeführt werden kann. So ist es gemäß Ausführungsbeispielen möglich, dass die Steuereinheit 140 entspre- chende Signale von anderen Windkraftanlagen erhält, um deren Überschuss an Energie mittels inverser Osmose zu speichern. Auf diese Weise kann der Ener giezwischenspeicher nicht nur durch Energie der jeweiligen Windkraftanlage selbst, sondern auch über eine externe Energiezuführung (von anderen Windrä dern oder auch anderen Elektrizitätsquellen, d.h. dem Stromnetz) betrieben werden.
Hierzu kann die Steuereinrichtung 140 ein (externes) Steuersignal empfangen, welches anzeigt, ob ein Bedarf an Stromspeicherung oder ein Strommangel im Stromversorgungssystem besteht. Basierend auf diesem (externen) Signal be treibt die Steuereinrichtung 140 den Energiezwischenspeicher entweder im Ent- ladevorgang oder im Beladevorgang bzw. schaltet den Speicher ganz ab (z.B. durch Schließen aller Ventile), um ihn bei Bedarf wieder in Betrieb zu nehmen.
Die Windkraftanlage kann an Land oder im Meer (Offshore) stehen, wobei im letzteren Fall, der Vorratsbehälter 180 z.B. auch unterhalb der Wasseroberfläche oder auf dem Meeresboden angeordnet sein kann. Auf diese Weise kann der Hö- henunterschied noch weiter vergrößert werden. Die Turbine 200 kann beispiels weise auf annähernd gleichem Niveau wie der Vorratsbehälter 180 liegen, um ei nen möglichst hohen Einlassdruck P5 für die Mischflüssigkeit 10 zu erreichen.
Wie bereits dargelegt, kann anstatt oder zusätzlich zu der beschriebenen Wind kraftanlagen eine andere Stromerzeugungsanlagen genutzt werden Es können auch beliebige Stromerzeugungsanlagen kombiniert werden.
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merk male der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. BEZUGSZEICHENLISTE
IO Mischflüssigkeit
20 Permeat
30 Konzentrat (Retentat)
50 Windkraftanlage
110 Osmose-Einrichtung
111 Einlass der Osmose-Einrichtung
112 Permeat-Auslass
113 Konzentrat-Auslass
120 Permeat-Speicher
121,122 Einlass, Auslass des Permeat-Speichers
130 Konzentrat-Speicher
131, 132 Einlass, Auslass des Konzentrat-Speichers
140 Steuereinrichtung
150 Druckaustauscher
151, 152 Einlass, Auslass für Mischflüssigkeit beim Druckaustauscher 153, 154 Einlass, Auslass für das Konzentrat beim Druckaustauscher 161, 162, 163 Pumpen
170, 171, ..., 1710 Ventileinrichtung(en), Ventile 180 Vorratsbehälter
190 Sensoren (zur Messung von Volumina, Druck, Niveau etc.)
200 Turbine
210 Generator
Pi Ladedruck
P2 Auslassdruck der Membran des Konzentrats beim Beladen P3 verringerter Auslassdruck des Konzentrats nach Durchströmen des Druckaustauschers
P4 Konzentratdruck beim Membraneintritt beim Entladen
P5 Turbineneintrittsdruck
Vi Sicherheits(dreiwegeventil) beim Entladen
V2 Sicherheits(dreiwegeventil) beim Beladen V3 Trennungspunkt von Mischungsflüssigkeit 10 zu Mischungsflüssigkeit
11 und zu Mischungsflüssigkeit 12
V4 Mischungspunkt von Mischungsflüssigkeit 11 und Mischungsflüssigkeit
12 zu Mischungsflüssigkeit 10

Claims

ANSPRÜCHE
1. Einen Energiezwischenspeicher für zumindest eine Stromerzeugungsan lage (50) aus einer zeitlich veränderlichen Energiequelle, der Energiezwi schenspeicher umfasst: eine Osmose-Einrichtung (110), die ausgebildet ist, um: in einem Beladevorgang, eine Mischflüssigkeit (10) mit einem La dedruck (Pi) in ein Permeat (20) und ein Konzentrat (30) zu tren nen, oder in einem Entladevorgang, das Permeat (20) mit dem Konzentrat (30) unter Bereitstellung eines osmotischen Druckes zu der Misch flüssigkeit (10) zu vermischen; einen Permeat-Speicher (120), der fluid mit der Osmose-Einrichtung (110) in Verbindung steht und ausgebildet ist, um das Permeat (20) zu speichern; einen Konzentrat-Speicher (130), der fluid mit der Osmose-Einrichtung (110) in Verbindung steht und ausgebildet ist, um das Konzentrat (30) zu speichern; und einer Steuereinrichtung (140), die ausgebildet ist, um folgende Funktio nen zu steuern: den Beladevorgang unter Nutzung von Energie der zumindest ei nen Stromerzeugungsanlage (50), oder den Entladevorgang unter Bereitstellung von elektrischer Energie.
2. Der Energiezwischenspeicher nach Anspruch 1, der weiter einen Druck austauscher (150) umfasst, der ausgebildet ist, um einen Auslassdruck (P2) der Osmose-Einrichtung (lio) für das Konzentrat (30) zum Erzeugen des Ladedrucks (Pi) der Osmose-Einrichtung (110) teilweise zu nutzen.
3. Der Energiezwischenspeicher nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Konzentrat-Speicher (130) oberhalb des Permeat-Speichers (120) an geordnet ist, um einen hydrostatischen Druck des Permeat (20) geringer zu halten als einen hydrostatischen Druck des Konzentrats (30).
4. Der Energiezwischenspeicher nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, der wei ter zumindest eines aus dem Folgenden umfasst: eine erste Pumpe (161), die ausgebildet ist, um die Mischflüssigkeit (12) durch den Druckaustauscher (150) zu pumpen und beim Beladevorgang den Ladedruck (Pi) an der Osmose-Einrichtung (110) für die Mischflüs sigkeit (12) auf einen vorbestimmten Wert oberhalb des osmotischen Dru- ckes-zu bringen; eine zweite Pumpe (162), die ausgebildet ist, um beim Entladevorgang das Konzentrat (30) aus dem Konzentrat-Speicher (130) mit einem vorbe stimmten Konzentratdruck (P4) der Osmose-Einrichtung (110) zuzufüh ren; eine dritte Pumpe (163), die ausgebildet ist, um die Mischflüssigkeit (11) unter Umgehung des Druckaustauscher (150) zu pumpen und beim Bela devorgang den Ladedruck (Pi) an der Osmose- Einrichtung (110) für die Mischflüssigkeit (11) auf einen vorbestimmten Wert oberhalb des osmoti schen Druckes zu bringen; mehrere Ventileinrichtungen (170), die ausgebildet sind, um einen oder mehrere der folgenden Flüsse zu steuern: Fluss der Mischflüssigkeit (10, 11, 12), Fluss des Permeats (20), Fluss des Konzentrates (30); einen Vorratsbehälter (180) für die Mischflüssigkeit (10), um einen ge schlossenen Flüssigkeitskreislauf zu ermöglichen.
5. Der Energiezwischenspeicher nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrich tung (140) weiter ausgebildet ist, um zumindest eine der folgenden Funk tionen zu steuern:
Starten des Beladevorganges auf ein Beladesignal, das einen Über schuss an elektrischer Energie anzeigt;
Starten des Entladevorganges auf ein Entladesignal, das einen Mangel an elektrischer Energie anzeigt;
Betätigen der ersten Pumpe (161) und/ oder der zweiten Pumpe (162) und/oder der dritten Pumpe (163) und/oder der Ventilein richtungen (170), um den vorbestimmten Ladedruck (Pi) und/oder den vorbestimmten Konzentratdruck (P4) zu erreichen, wobei der vorbestimmte Konzentratdruck (P4) beim Entladevorgang gleich oder geringer als der osmotische Druck ist oder einem halben os motischen Druck entspricht.
6. Der Energiezwischenspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei die Osmose-Einrichtung (110) eine Membran (115) aufweist, die ausgebildet ist, um die Mischflüssigkeit (10) in einer Konzentration von zumindest 3% oder zumindest 5% in das Permeat (20) und das Kon zentrat (30) zu trennen.
7. Der Energiezwischenspeicher nach Anspruch 6, wobei die Membrane (115) ausgebildet ist, um einen Betrieb mit einer Konzentration des Kon zentrates (30) von zumindest 10% oder von zumindest 20% zu ermögli chen.
8. Der Energiezwischenspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei die Mischflüssigkeit (10) eine reine Salzlösung ist und der Energiezwischenspeicher ein geschlossenes System ohne Stoffaustausch mit der Umgebung ist.
9. Eine Stromerzeugungsanlage (50) aus einer zeitlich veränderlichen Ener giequelle, wobei die Stromerzeugungsanlage (50) eine Windkraftanlage oder eine Photovoltaikanlage oder Wasserkraftanlage oder eine Geother miekraftanlage oder eine Kombination daraus ist, die einen Energiezwi schenspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
10. Die Stromerzeugungsanlage (50) nach Anspruch 9, wobei der Energiezwi schenspeicher ein Hybridspeicher ist, bei dem: der Permeat-Speicher (120) unterhalb des Konzentrat-Speichers (130) in einem Turm der Windkraftanlage oder in einem Haus mit der Photovoltaikanlage untergebracht ist, und der Vorratsbehälter (180) für die Mischflüssigkeit (10) oberhalb, auf oder unterhalb einer Erdoberfläche oder Wasseroberfläche an geordnet ist, um einen hybriden Energiespeicher als Kombination aus osmotischer Energiespeicherung mit einer mechanischen Pumpspeicherung zu errei chen.
11. Die Stromerzeugungsanlage (50) nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, die weiter mindestens eine Turbine (200) aufweist, die ausgebildet ist, um den durch die Osmose-Einrichtung (110) erzeugten osmotischen Druck der Mischflüssigkeit (10) zur elektrischen Energieerzeugung zu nutzen.
12. Die Stromerzeugungsanlage (50) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, so weit rückbezogen auf Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung (140) wei ter ausgebildet ist, um ein Steuersignal zu empfangen und, basierend da rauf, den Beladevorgang oder den Entladevorgang zu starten, wobei das Steuersignal eines aus dem Folgenden anzeigt: eine Phase von Energiemangel, insbesondere Windmangel oder Sonnenlichtmangel, eine Phase von Energieüberschuss, insbesondere Windüberschuss oder Sonnenlichtüberschuss, eine Phase von mangelnder Stromversorgung in einem Stromnetz, eine Phase von überschüssiger Stromversorgung im Stromnetz.
13. Ein Verfahren zur Zwischenspeicherung von Energie für zumindest eine Stromerzeugungsanlage (50) aus einer zeitlich veränderlichen Energie quelle, das Verfahren umfasst:
Betreiben (S110) einer Osmose-Einrichtung (110) in einem Beladevor gang, bei dem durch Umkehrosmose eine Mischflüssigkeit (10) mit einem Ladedruck (Pi) in ein Permeat (20) und ein Konzentrat (30) getrennt wird;
Speichern (S120) des Permeats (20) in einem Permeat-Speicher (120);
Speichern (S130) des Konzentrats (30) in einem Konzentrat-Speicher (130) wobei Energie der zumindest einen Stromerzeugungsanlage (50) genutzt wird.
14. Ein Verfahren zum Ausgleich eines Mangels an produzierter elektrischer Energie von zumindest einer Stromerzeugungsanlage (50) oder zum Aus gleich eines Strommangels in einem Stromnetz, das Verfahren umfasst:
Betreiben (S210) einer Osmose-Einrichtung (110) in einem Entladevor gang, bei dem durch Vorwärtsosmose ein Permeat (20) und ein Konzent rat (30) zu einer Mischflüssigkeit (10) vermischt werden;
Antreiben (S220) einer Turbine (200) mit der Mischflüssigkeit (10) aus der Osmose-Einrichtung (110); Erzeugen und Bereitstellen (S230) von elektrischem Strom durch einen Generator (210), der durch die Turbine (200) angetrieben wird.
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