NL2004468C2

NL2004468C2 - PUMP ACCUMULATION CENTER FOR STORING ENERGY.

Info

Publication number: NL2004468C2
Application number: NL2004468A
Authority: NL
Inventors: Jacobus Nicolaas Cornelis Geel
Original assignee: Enac
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2011-10-03

Description

Korte aanduiding: Pompaccumulatiecentrale voor het opslaan van energie.Brief indication: Pump storage center for storing energy.

BESCHRIJVINGDESCRIPTION

5 Gebied van de uitvindingField of the invention

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een pompaccumulatiecentrale voor het opslaan van energie omvattende een primair reservoir en een secundair reservoir, een pompinrichting voor het pompen van een fluïdum vanuit het primaire reservoir naar het secundaire reservoir, en een turbine 10 voor het voortbrengen van elektrische energie bij terugstroming van het fluïdum vanuit het secundaire reservoir naar het primaire reservoir, waarbij de pompaccumulatiecentrale voorts is voorzien van een drukreservoir voor het daarin houden van een drijfmedium, waarbij het drukreservoir werkzaam is verbonden met het secundaire reservoir voor het op overdruk houden van het secundaire reservoir.The present invention relates to a pump storage plant for storing energy comprising a primary reservoir and a secondary reservoir, a pumping device for pumping a fluid from the primary reservoir to the secondary reservoir, and a turbine 10 for generating electrical energy at backflow of the fluid from the secondary reservoir to the primary reservoir, wherein the pumping station is furthermore provided with a pressure reservoir for holding a floating medium therein, the pressure reservoir being operatively connected to the secondary reservoir for maintaining the secondary reservoir at overpressure.

1515

Achtergrond van de uitvindingBACKGROUND OF THE INVENTION

Pompaccumulatiecentrales worden gebruikt bij de productie van elektrische energie om in te kunnen spelen op pieken en dalen in het verbruik van elektrische energie verdeeld over de dag. De afname van elektrische energie is 20 doorgaans sterk afhankelijk van het tijdstip van de dag. Zo zal er ‘s nachts een relatief geringe hoeveelheid energie worden afgenomen doordat productiefaciliteiten dan stil liggen, kantoren gesloten zijn en huishoudens evenmin elektrische energie verbruiken. Aan het begin van de ochtend wordt relatief veel elektrische energie verbruikt. Productiefaciliteiten worden opgestart, huishoudens maken veelvuldig 25 gebruik van elektrische apparaten en verlichting, en kantoren openen hun deuren (terwijl het buiten vaak nog donker of schemerig is). Dit verbruik zal na de ochtendspits dalen tot een relatief constant niveau, en tegen het eind van de dag weer toenemen wanneer de werkdag ten einde is en er een verandering van energieverbruik te zien is.Pump storage plants are used in the production of electrical energy in order to respond to peaks and troughs in the consumption of electrical energy distributed throughout the day. The decrease in electrical energy is generally highly dependent on the time of day. For example, a relatively small amount of energy will be purchased at night because production facilities will then be shut down, offices will be closed and households will also not consume electrical energy. At the start of the morning, relatively much electrical energy is used. Production facilities are started up, households frequently use electrical appliances and lighting, and offices open their doors (while it is often still dark or dim outside). This consumption will fall to a relatively constant level after the morning rush hour, and will increase again towards the end of the day when the working day is over and a change in energy consumption can be seen.

30 De productie van elektrische energie is een relatief constant proces.The production of electrical energy is a relatively constant process.

Kerncentrales of kolencentrales kunnen maar moeizaam inspelen op de pieken en dalen in het energieverbruik over de dag. Een kerncentrale kan niet zomaar stilgelegd worden aan het eind van de dag, of extra energie produceren als de 2 ochtendspits begint. Dit zou niet alleen technisch een enorme opgave zijn, maar de kosten van de productie van elektrische energie zouden daarmee zeer groot worden. Een probleem bij de productie van elektrische energie is dan ook dat het energieverbruik sterk wisselt over de dag, terwijl het aanbod van elektrische energie 5 relatief constant is.Nuclear power stations or coal-fired power stations have difficulty in responding to the peaks and troughs in energy consumption during the day. A nuclear power plant cannot simply be stopped at the end of the day, or produce extra energy when the 2 morning rush hour starts. This would not only be a huge technical task, but the costs of producing electric energy would therefore become very large. A problem in the production of electrical energy is therefore that the energy consumption varies considerably during the day, while the supply of electrical energy is relatively constant.

Een pompaccumulatiecentrale, in de meest klassieke uitvoeringsvorm daarvan, bestaat uit een hoog gelegen waterreservoir (bijvoorbeeld bovenop een berg), en een laag gelegen waterreservoir (bijvoorbeeld een (kunstmatig) meer). Het hoog gelegen waterreservoir en het laag gelegen 10 waterreservoir staan met elkaar in verbinding via een transportleiding voor het transporteren van het water tussen het hoog gelegen waterreservoir en het laag gelegen waterreservoir. Wanneer het energieverbruik gedurende de nacht laag is, wordt het water uit het laag gelegen reservoir opgepompt naar het hoog gelegen reservoir. De daarvoor benodigde elektrische energie voor het aandrijven van het 15 pompmechanisme wordt onttrokken uit het elektriciteitsnetwerk waardoor het energieverbruik toeneemt. Aan het begin van de ochtend, wanneer het elektriciteitsverbruik sterk toeneemt, laat men het water uit het hoog gelegen reservoir terugstromen naar het laag gelegen reservoir. Het stromende water wordt gebruikt voor het aandrijven van turbines waarmee de energie weer wordt teruggewonnen. De 20 door de turbines geleverde elektrische energie wordt teruggegeven aan het elektriciteitsnet om te voldoen aan de piekbelasting tijdens de ochtendspits.A pump storage center, in its most classical embodiment, consists of a high-lying water reservoir (for example on top of a mountain), and a low-lying water reservoir (for example a (artificial) lake). The high-lying water reservoir and the low-lying water reservoir are in communication with each other via a transport line for transporting the water between the high-lying water reservoir and the low-lying water reservoir. When the energy consumption is low during the night, the water from the low-lying reservoir is pumped up to the high-lying reservoir. The electrical energy required for this purpose for driving the pump mechanism is extracted from the electricity network, whereby the energy consumption increases. At the beginning of the morning, when the electricity consumption increases sharply, the water is allowed to flow back from the high-lying reservoir to the low-lying reservoir. The flowing water is used to power turbines with which the energy is recovered. The electrical energy supplied by the turbines is returned to the electricity grid in order to meet the peak load during the morning rush hour.

Het piekverbruik van elektrische energie kan met behulp van een pompaccumulatiecentrale in het elektriciteitsnetwerk goed worden opgevangen. In gebieden met weinig hoogteverschil is een dergelijke klassieke uitvoeringsvorm van 25 een pompaccumulatiecentrale niet mogelijk. Alternatieve uitvoeringsvormen berusten dan bijvoorbeeld op een pompaccumulatiecentrale op basis van een gering hoogteverschil. Het nadeel van deze uitvoeringsvorm is dat voor het opslaan eenzelfde hoeveelheid elektrische energie een veel groter waterreservoir nodig is om te compenseren voor het geringe hoogteverschil. Dit leidt tot vele praktische 30 problemen, waaronder de daarvoor benodigde ruimte en de eventuele aanwezigheid van woongebieden. Daarnaast kunnen ook veiligheidsoverwegingen een rol spelen.The peak consumption of electrical energy can be properly absorbed in the electricity network with the help of a pump storage center. In areas with little difference in height, such a classical embodiment of a pumped storage center is not possible. Alternative embodiments are then based, for example, on a pumped storage center on the basis of a slight difference in height. The disadvantage of this embodiment is that for storing the same amount of electrical energy a much larger water reservoir is required to compensate for the small difference in height. This leads to many practical problems, including the space required for this and the possible presence of residential areas. In addition, safety considerations can also play a role.

Een andere uitvoeringsvorm berust op een primair en secundair waterreservoir, waarbij het secundair (laag gelegen) waterreservoir zich ondergronds 3 bevindt. Het voordeel van dit alternatief is dat het ontwerp niet wordt beperkt door de natuurlijke landschappelijke kenmerken, zoals de aanwezigheid van hoogteverschillen. Nadeel van dit alternatief is dat het secundaire waterreservoir, voor het verschaffen van een voldoende grote energieopslagcapaciteit, zich op grote 5 diepte dient te bevinden. Het bouwen van een dergelijke pompaccumulatie-centrale is daarom uiterst kostbaar.Another embodiment is based on a primary and secondary water reservoir, the secondary (low-lying) water reservoir being located underground. The advantage of this alternative is that the design is not limited by natural landscape features, such as the presence of height differences. A disadvantage of this alternative is that, in order to provide a sufficiently large energy storage capacity, the secondary water reservoir must be at a great depth. The construction of such a pumping station is therefore extremely expensive.

Amerikaanse octrooiaanvrage US 7,281,371 openbaart een pomp-accumulatiecentrale omvattende een primair en secundair waterreservoir waarin water van het primaire naar het secundaire reservoir wordt gepompt voor opslag van 10 energie. Het secundaire waterreservoir wordt op overdruk gebracht met behulp van een gascompressor en een drukreservoir. Wanneer de energie dient te worden vrijgegeven kan de verbindingsleiding tussen het primaire en secundaire reservoir worden geopend en zal door de overdruk in het secundaire reservoir het water terugstromen in het primaire reservoir. Met behulp van de stroming worden turbines 15 aangedreven welke energie terugwinnen. Het gas uit het drukreservoir wordt daarna afgevoerd onder aandrijving van een gasturbine welke eveneens elektrische energie opwekt. Deze uitvoeringsvorm verschaft een grotere mate van flexibiliteit bij het opvangen van pieken en dalen in het stroomverbruik in het elektriciteitsnetwerk.US patent application US 7,281,371 discloses a pump-accumulation plant comprising a primary and secondary water reservoir into which water is pumped from the primary to the secondary reservoir for energy storage. The secondary water reservoir is pressurized with the aid of a gas compressor and a pressure reservoir. When the energy is to be released, the connecting line between the primary and secondary reservoir can be opened and the water will flow back into the primary reservoir due to the overpressure in the secondary reservoir. With the aid of the flow, turbines 15 are driven which recover energy. The gas from the pressure reservoir is then discharged under the drive of a gas turbine which also generates electrical energy. This embodiment provides a greater degree of flexibility in absorbing peaks and troughs in power consumption in the electricity network.

Het nadeel van de pompaccumulatiecentrale getoond in 20 US 7,281,371, is dat het daarin geopenbaarde proces sub-optimaal is als gevolg van benodigde compressiestappen. Bij het samendrukken van gas ontstaat compressiewarmte. Deze compressiewarmte wordt door het in US 7,281,371 afgegeven aan de omgeving, hetgeen ten koste gaat van het rendement van het systeem. Een verder nadeel van het systeem beschreven in US 7,281,371 zijn de 25 ondergrondse installaties en inrichtingen van het systeem. Niet alleen werkt de aanleg van deze ondergrondse installaties in sterke mate kostenverhogend bij de implementatie ervan, ook het onderhoud van dergelijke installaties is duurder.The drawback of the pumped storage center shown in US 7,281,371 is that the process disclosed therein is sub-optimal due to required compression steps. Compression heat is created when gas is compressed. This compression heat is supplied to the environment by US 7,281,371, which is at the expense of the efficiency of the system. A further drawback of the system described in US 7,281,371 are the underground installations and devices of the system. Not only does the construction of these underground installations greatly increase the cost of implementing them, but also the maintenance of such installations is more expensive.

Samenvatting van de uitvinding 30 De onderhavige uitvinding beoogt een pompaccumulatiecentrale te verschaffen die de nadelen van de stand van de techniek oplost, onderhoudsvriendelijk is, en een hoog rendement verschaft.Summary of the invention The object of the present invention is to provide a pumping station which solves the disadvantages of the prior art, is maintenance-friendly, and provides a high efficiency.

De onderhavige uitvinding bereikt deze doelstellingen doordat deze 4 voorziet in een pompaccumulatiecentrale voor het opslaan van energie, omvattende een primair reservoir en een secundair reservoir, een pompinrichting voor het pompen van een fluïdum vanuit het primaire reservoir naar het secundaire reservoir, en een turbine voor het voortbrengen van elektrische energie bij terugstroming van 5 het fluïdum vanuit het secundaire reservoir naar het primaire reservoir, waarbij de pompaccumulatiecentrale voorts is voorzien van een drukreservoir voor het daarin houden van een drijfmedium, waarbij het drukreservoir werkzaam is verbonden met het secundaire reservoir voor het op overdruk houden van het secundaire reservoir, met het kenmerk, dat volumecapaciteiten van het drukreservoir en het secundaire 10 reservoir zich zodanig verhouden dat druk- en/of volumevariaties van het drijfmedium bij het in bedrijf verpompen en doen terugstromen van het fluïdum minimaal zijn.The present invention achieves these objectives in that it provides a pump storage center for storing energy, comprising a primary reservoir and a secondary reservoir, a pumping device for pumping a fluid from the primary reservoir to the secondary reservoir, and a turbine for generating electrical energy upon backflow of the fluid from the secondary reservoir to the primary reservoir, wherein the pumping station is furthermore provided with a pressure reservoir for holding a floating medium therein, the pressure reservoir being operatively connected to the secondary reservoir for overpressure holding the secondary reservoir, characterized in that volume capacities of the pressure reservoir and the secondary reservoir are such that pressure and / or volume variations of the floating medium during pumping into operation and causing the fluid to flow back are minimal.

Het drukreservoir van de onderhavige uitvinding verschaft een permanente overdruk, en heeft een dermate groot volume dat het in bedrijf verpompen van het fluïdum, bijvoorbeeld water, in het secundaire reservoir, en het 15 doen terugstromen daarvan naar het primaire reservoir, het totale volume van het drijfmedium verwaarloosbaar doet toe- en afnemen. Hierdoor wordt bereikt dat er in het proces geen (of een verwaarloosbare hoeveelheid) compressiewarmte wordt gegenereerd, zodat het proces voor het opslaan en terugwinnen van energie een hoog rendement heeft.The pressure reservoir of the present invention provides a permanent overpressure, and has such a large volume that pumping the fluid, for example water, into the secondary reservoir during operation, and causing it to flow back to the primary reservoir, the total volume of the floating medium negligibly increases and decreases. This ensures that no (or a negligible amount of) compression heat is generated in the process, so that the process for storing and recovering energy has a high efficiency.

20 Aan de uitvinding ligt het inzicht ten grondslag dat in een pompaccumulatiecentrale op basis van het samendrukken van gas (bijvoorbeeld compressed air energy storage (CAES)), zoals in US 7,281,371, als gevolg van polytrope compressie van gas het rendementsverlies groot is en kan oplopen tot 90%, afhankelijk van de omstandigheden en de werkingscondities. Dit lage 25 rendement is het gevolg van het ontstaan van compressiewarmte bij het samendrukken van het gas, en het onttrekken van warmte aan de omgeving (en het systeem zelf) bij expansie van het gas. In de pompaccumulatiecentrale overeenkomstig de uitvinding is dit probleem opgelost doordat er geen of bijna geen compressie van het gas plaatsvindt (het gas verplaatst zich alleen in en uit het 30 secundaire reservoir)The invention is based on the insight that in a pumped storage plant based on compressed gas (for example compressed air energy storage (CAES)), such as in US 7,281,371, the loss of efficiency due to polytrope compression of gas is large and can increase. up to 90% depending on the circumstances and the operating conditions. This low efficiency is the result of the generation of compression heat during the compression of the gas, and the extraction of heat from the environment (and the system itself) upon expansion of the gas. In the pumped storage plant according to the invention, this problem is solved because no or almost no compression of the gas takes place (the gas only moves in and out of the secondary reservoir)

De vakman zal begrijpen dat de dimensies van het verbindingskanaal tussen het drukreservoir en het secundaire reservoir bij voorkeur zodanig is dat het drukverlies over het kanaal zo klein mogelijk is. Het kanaal dient 5 daarom bij voorkeur zo min mogelijk stromingsweerstand te vertegenwoordigen, en voldoende capaciteit te bezitten voor aan- en afvoer van het drijfmedium.Those skilled in the art will appreciate that the dimensions of the connecting channel between the pressure reservoir and the secondary reservoir are preferably such that the pressure loss across the channel is as small as possible. The channel should therefore preferably represent as little flow resistance as possible, and have sufficient capacity for supply and discharge of the floating medium.

Bij voorkeur is de volumecapaciteit van het drukreservoir vele malen groter dan de volumecapaciteit van het secundaire reservoir. Hierdoor zal het kleiner 5 en groter worden van de gasfractie in het secundaire reservoir nauwelijks van invloed zijn op de totale volumeverandering van de gasfractie in het systeem, zodat eventueel gecreëerde compressiewarmte verwaarloosbaar is. Een voorkeursverhouding is hierbij moeilijk aan te geven, echter de vakman zal begrijpen dat de verhouding tussen de volumecapaciteit van het secundaire reservoir en de 10 volumecapaciteit van het drukreservoir bij voorkeur kleiner is dan 20%, in het bijzonder bijvoorbeeld kleiner is dan 1%. In het laatste geval is de volumecapaciteit van het secundaire reservoir 100 maal zo klein als die van het drukreservoir.Preferably, the volume capacity of the pressure reservoir is many times greater than the volume capacity of the secondary reservoir. As a result, the gas fraction in the secondary reservoir becoming smaller and larger will hardly have any influence on the total volume change of the gas fraction in the system, so that any compression heat created is negligible. A preferred ratio is difficult to indicate, however, the person skilled in the art will understand that the ratio between the volume capacity of the secondary reservoir and the volume capacity of the pressure reservoir is preferably less than 20%, in particular for example less than 1%. In the latter case, the volume capacity of the secondary reservoir is 100 times smaller than that of the pressure reservoir.

Het drukreservoir kan, overeenkomstig een uitvoeringsvorm, gevormd worden door een onderaardse caviteit. Deze onderaardse caviteit kan, 15 overeenkomstig een verdere uitvoeringsvorm, gevormd worden door een element uit een groep omvattende geheel of gedeeltelijk lege olie- of gasvelden, kunstmatige caviteiten zoals mijnen of mijngangen, waaronder zoutmijnen of caviteiten voor zoutwinning zoals zoutkoepels, tunnels of bunkers, of natuurlijke caviteiten zoals grottenstelsels, of geheel of gedeeltelijk leeg aquifers.The pressure reservoir may, in accordance with an embodiment, be formed by an underground cavity. According to a further embodiment, this underground cavity can be formed by an element from a group comprising wholly or partially empty oil or gas fields, artificial cavities such as mines or mine aisles, including salt mines or salt extraction cavities such as salt domes, tunnels or bunkers, or natural cavities such as cave systems, or completely or partially empty aquifers.

20 In een bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt het drukreservoir gevormd door een onderaardse opslagfaciliteit voor gassen of dampen. Een voorbeeld hiervan is bijvoorbeeld een onderaardse C02-opslag. Ter verbetering van de luchtkwaliteit worden milieu-vervuilende gassen, zoals bijvoorbeeld C02, in sommige gevallen opgeslagen in geëxploiteerde aardgasvelden diep onder de grond. 25 Een dergelijke opslagfaciliteit kan met voordeel worden toegepast als drukreservoir in een pompaccumulatiecentrale overeenkomstig de onderhavige uitvinding. De onderaards opgeslagen C02 kan zo op een nuttige wijze worden gebruikt bij de energieproductie.In a special embodiment of the invention, the pressure reservoir is formed by an underground storage facility for gases or vapors. An example of this is an underground CO2 storage. To improve air quality, environmentally-polluting gases, such as, for example, CO2, are in some cases stored in exploited natural gas fields deep underground. Such a storage facility can advantageously be used as a pressure reservoir in a pumped storage center according to the present invention. The CO2 stored underground can thus be used in a useful way in energy production.

In plaats van een onderaards secundair reservoir kan ook gebruik 30 worden gemaakt van bovengronds secundair reservoir. Omdat het secundair reservoir op grote overdruk gebracht wordt, dienen aan het ontwerp van een bovengronds secundair reservoir bijzondere eisen te worden gesteld. In een uitvoeringsvorm waarin het secundaire reservoir zich niet op een geschikte plek 6 onderaards bevindt, maar bijvoorbeeld bovengronds of vlak onder het oppervlak, kan gekozen worden voor een ander ontwerp voor het secundaire reservoir. In een dergelijke uitvoeringsvorm kan het secundaire reservoir bijvoorbeeld een samenstel van hogedruk buizen omvatten, waarin de buizen gezamenlijk de voor het secundaire 5 reservoir benodigde volumecapaciteit verschaffen.Instead of an underground secondary reservoir, use can also be made of above-ground secondary reservoir. Because the secondary reservoir is brought to great overpressure, special requirements must be imposed on the design of an above-ground secondary reservoir. In an embodiment in which the secondary reservoir is not located at a suitable location 6 underground, but, for example, above ground or just below the surface, a different design for the secondary reservoir can be chosen. In such an embodiment, the secondary reservoir can for instance comprise an assembly of high-pressure tubes, in which the tubes together provide the volume capacity required for the secondary reservoir.

Buizen die in gebruik drukken van 100 atm of meer kunnen weerstaan zijn in de stand van de techniek bekend, en kunnen voor het ontwerpen van een secundair reservoir overeenkomstig deze uitvoeringsvorm bijvoorbeeld worden toegepast. Voordeel van deze uitvoeringsvorm is dat deze eenvoudig in 10 grootte kan worden aangepast aan behoefte, voor het verschaffen van kleinschalige of grootschalige oplossingen.Tubes that can withstand pressures of 100 atm or more are known in the art, and can be used for designing a secondary reservoir according to this embodiment, for example. The advantage of this embodiment is that it can easily be adapted in size to need for providing small-scale or large-scale solutions.

Overeenkomstig een verdere uitvoeringsvorm omvat het secundaire reservoir een onderaardse caviteit. Een dergelijke onderaardse caviteit kan bijvoorbeeld worden gevormd in een impermeabel bodemtype. Met impermeabel 15 bodemtype wordt bijvoorbeeld bedoeld een bodemtype waarvan de permeabiliteit een waarde heeft die kleiner is dan 10'15 m2 (<1 md). Vorming van het secundaire reservoir in dit bodemtype is echter geen vereiste. Het is ook mogelijk om het reservoir in een ander bodemtype te vormen waarbij de wanden van het reservoir worden bekleed met een voor het fluidum ondoordringbare laag. De omliggende 20 aardlagen en eventuele overige optionele wandlagen dienen dan voldoende stevigheid te verschaffen voor het weerstaan van de hoge werkingsdrukken in het secundaire reservoir.According to a further embodiment, the secondary reservoir comprises an underground cavity. Such an underground cavity can for example be formed in an impermeable soil type. With impermeable soil type is meant, for example, a soil type whose permeability has a value that is smaller than 10-15 m2 (<1 md). However, formation of the secondary reservoir in this soil type is not a requirement. It is also possible to form the reservoir in a different bottom type, wherein the walls of the reservoir are covered with a layer impervious to the fluid. The surrounding earth layers and any other optional wall layers should then provide sufficient strength to withstand the high operating pressures in the secondary reservoir.

Er zijn verscheidene bodemtypen die aan deze definitie van impermeabel voldoen, en die geschikt zijn voor het daarin creëren van een secundair 25 reservoir overeenkomstig de onderhavige uitvinding. Het bodemtype kan bijvoorbeeld worden gekozen uit een groep omvattende graniet, dinanciën gesteente, kalksteen, dolomiet, zware klei-typen, waaronder boomse klei.There are several soil types that meet this definition of impermeable, and that are suitable for creating a secondary reservoir according to the present invention therein. The soil type can be selected, for example, from a group comprising granite, dinosaur rock, limestone, dolomite, heavy clay types, including tree clay.

In een onderaards secundair reservoir zoals hierboven beschreven kan de binnenwand van het reservoir bijvoorbeeld worden bekleed met een 30 versterkende wandlaag. Een dergelijke versterkende wandlaag kan worden vervaardigd uit allerhande soorten materialen, waaronder een materiaal gekozen uit de groep omvattende staal waaronder stalen platen en elementen, een polymeer, betonelementen, glasvezelhoudend spuitbeton, polymeercement, en bentoniet.For example, in an underground secondary reservoir as described above, the inner wall of the reservoir can be covered with a reinforcing wall layer. Such a reinforcing wall layer can be made from all kinds of materials, including a material selected from the group comprising steel including steel plates and elements, a polymer, concrete elements, fiberglass-containing sprayed concrete, polymer cement, and bentonite.

77

Het drijfmedium aanwezig in de drukreservoir worden gevormd door elk geschikt gas, waaronder bijvoorbeeld lucht C02, CO, stikstofdioxide (NOx) waaronder N02, S02, vluchtige of gasvormige koolwaterstoffen waaronder aardgas.The propellant medium present in the pressure reservoir is formed by any suitable gas, including, for example, air CO2, CO, nitrogen dioxide (NOx) including NO2, SO2, volatile or gaseous hydrocarbons including natural gas.

In een pompaccumulatiecentrale overeenkomstig de onderhavige 5 uitvinding is het van belang dat het secundaire reservoir op overdruk wordt geplaatst. Het water wordt vanuit het primaire reservoir naar het secundaire reservoir gepompt, waarbij de overdruk tussen het primaire en het secundaire reservoir dient te worden overwonnen. De hoeveelheid energie die per m3 in het fluïdum (water) kan worden opgeslagen is afhankelijk van het drukverschil tussen het primaire en het secundaire 10 reservoir. Immers, dit drukverschil dient door de pompinrichting te worden overwonnen bij het opslaan van de energie, en komt vrij wanneer het fluïdum onder druk vanuit het secundaire reservoir terugstroomt in het primaire reservoir. Deze energie wordt teruggewonnen door de turbines. In een pompaccumulatiecentrale overeenkomstig de onderhavige uitvinding kan uitgegaan worden van drukverschil 15 met een ordegrootte van 100 atm, echter de vakman zal begrijpen dat het drukverschil een parameter is die naar vrijheid kan worden gekozen. Bij een drukverschil van 100 atm kan per m3 water 10.000 kJ elektrische energie worden opgeslagen (dit is ruim een orde groter dan bij soortgelijke pompaccumulatiecentrales overeenkomstig de stand van de techniek).In a pumped storage center according to the present invention it is important that the secondary reservoir is placed on excess pressure. The water is pumped from the primary reservoir to the secondary reservoir, whereby the overpressure between the primary and the secondary reservoir must be overcome. The amount of energy that can be stored per m3 in the fluid (water) depends on the pressure difference between the primary and the secondary reservoir. After all, this pressure difference must be overcome by the pumping device when storing the energy, and is released when the fluid flows back into the primary reservoir under pressure from the secondary reservoir. This energy is recovered by the turbines. In a pumped storage center according to the present invention, pressure difference can be assumed with an order of magnitude of 100 atm, but the person skilled in the art will understand that the pressure difference is a parameter that can be freely selected. With a pressure difference of 100 atm, 10,000 kJ of electrical energy can be stored per m3 of water (this is more than an order larger than with similar pumping stations according to the prior art).

20 Het hoge rendement van de energieopslag wordt bereikt doordat als gevolg van het grote volume van het drukreservoir in verhouding tot het volume van het secundaire reservoir, de productie van compressiewarmte door het samendrukken van gas geen rol meer speelt. Druk en volume van de gasfractie blijven in het systeem nagenoeg onveranderd bij het verpompen van het fluïdum en 25 het doen terugstromen daarvan.The high efficiency of the energy storage is achieved because, due to the large volume of the pressure reservoir relative to the volume of the secondary reservoir, the production of compression heat due to the compression of gas no longer plays a role. Pressure and volume of the gas fraction remain virtually unchanged in the system when pumping the fluid and allowing it to flow back.

De onderhavige uitvinding zal in het navolgende verder worden beschreven aan de hand van enkele uitvoeringsvormen daarvan, welke slechts ter verduidelijking en illustratie van de uitvinding zijn opgenomen en niet beperkend dienen te worden geïnterpreteerd. De uitvinding wordt slechts beperkt door de 30 conclusies van de aanvrage.The present invention will be further described below with reference to a few embodiments thereof, which are only included for the purpose of clarification and illustration of the invention and are not to be interpreted in a limiting manner. The invention is only limited by the claims of the application.

Korte omschrijving van de tekeningenBrief description of the drawings

De hierboven genoemde specifieke uitvoeringsvormen worden 8 geïllustreerd in de bijgevoegde tekeningen, waarin: figuur 1 een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding toont met een bovengronds secundair reservoir; figuur 2 een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding toont 5 met een onderaards secundair reservoir.The specific embodiments mentioned above are illustrated in the accompanying drawings, in which: Figure 1 shows an embodiment of the present invention with an above-ground secondary reservoir; Figure 2 shows an embodiment of the present invention with an underground secondary reservoir.

Gedetailleerde beschrijving van de tekeningen In figuur 1 wordt een eerste uitvoeringsvorm van een pomp-accumulatiecentrale overeenkomstig de onderhavige uitvinding getoond. Figuur 1 10 toont een primair reservoir 3 waarin zich een fluïdum 4 bevindt. Het ligt voor de hand om als fluïdum water te kiezen, echter de vakman zal begrijpen dat de keuze en samenstelling van het fluïdum volledig vrij door de vakman te kiezen is. In het navolgende zal worden uitgegaan van het gebruik van water als fluïdum in de pompaccumulatiecentrales overeenkomstig de onderhavige uitvinding.DETAILED DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 shows a first embodiment of a pump accumulation plant according to the present invention. Figure 1 shows a primary reservoir 3 in which there is a fluid 4. It is obvious to choose water as the fluid, but the person skilled in the art will understand that the choice and composition of the fluid is completely free for the person skilled in the art to choose. The following will be based on the use of water as fluid in the pumping stations according to the present invention.

15 Voorts omvat de pompaccumulatiecentrale 1 in figuur 1 een secundair reservoir 6 voor het daarin onder overdruk opslaan van het water. Het secundair reservoir 6 wordt gevormd door een stelsel van buizen 7 welke onderling met elkaar zijn verbonden, en welke tezamen de benodigde volumecapaciteit voor het daarin opslaan van het water verschaffen. Het buizenstelsel bevindt zich 20 desgewenst in een verstevigde ruimte 8, en kan voor het verschaffen van additionele stevigheid worden ingebed in een verstevigend materiaal. Zo kunnen de vrije ruimten tussen de buizen bijvoorbeeld worden opgevuld (voorgespannen) staalvezel beton, al dan niet bewapend met ijzerbedrading en eventueel omringd met stalen trekkabels.Furthermore, the pumping station 1 in Figure 1 comprises a secondary reservoir 6 for storing the water therein under overpressure. The secondary reservoir 6 is formed by a system of tubes 7 which are interconnected with each other, and which together provide the required volume capacity for storing the water therein. The tubing is located in a reinforced space 8 if desired, and can be embedded in a reinforcing material to provide additional strength. For example, the free spaces between the tubes can be filled (pre-stressed) steel fiber concrete, whether or not reinforced with iron wiring and possibly surrounded with steel tension cables.

Het primaire reservoir 3 en het secundaire reservoir 6 zijn onderling 25 met elkaar verbonden via een buisleiding. De buisleiding bestaat uit een eerste buis 17 welke is aangesloten op een pomp/turbine-installatie 20, en een tweede buis 19 vanuit de pomp/turbine-installatie 20 naar het secundaire reservoir 6. Met de pomp/turbine-installatie 20 kan water vanuit het primaire reservoir 3 naar het secundaire reservoir 6 worden gepompt. Optioneel bevindt zich ergens op buisleiding 30 17 of 19 een afsluitklep 18.The primary reservoir 3 and the secondary reservoir 6 are mutually connected via a pipeline. The pipeline consists of a first tube 17 which is connected to a pump / turbine installation 20, and a second tube 19 from the pump / turbine installation 20 to the secondary reservoir 6. With the pump / turbine installation 20 water can flow from the primary reservoir 3 to be pumped to the secondary reservoir 6. Optionally there is a shut-off valve 18 somewhere on pipeline 17 or 19.

Het secundaire reservoir 6 is aan de bovenzijde daarvan verbonden met een gasleiding 10. De gasleiding 10 verbindt het secundaire reservoir 6 met een ondergronds drukreservoir 13. Het drukreservoir 13 kan bijvoorbeeld een met gas 9 gevuld oud en geëxploiteerd gasveld zijn of een andere onderaardse caviteit waarin gas onder hoge druk kan worden opgeslagen. In de pompaccumulatiecentrale 1 van figuur 1 is gebruik gemaakt van leeg gasveld voor de winning van aardgas, dat na het exploitaat is gevuld met C02 onder hoge druk. Het gasveld kan zich op grote 5 diepte onder de grond bevinden, bijvoorbeeld op een diepte van 1500 m onder het aardoppervlak. Het drukreservoir 13 wordt aan de bovenzijde daarvan gevormd door een geschikte en voor het gas impermeabele bodemlaag 14. Oude gasvelden zijn daarom bij uitstek geschikt, omdat dergelijke gasvelden altijd gevuld zijn geweest met een grote hoeveelheid aardgas onder hoge gasdruk. Aangezien het aardgas 10 gedurende het bestaan van het gasveld niet is weggelekt, kan met zekerheid worden geconcludeerd dat een oud gasveld geschikt zal zijn om daar andere gassen, zoals C02, NOx of andere gassen in op te slaan.The secondary reservoir 6 is connected on its upper side to a gas line 10. The gas line 10 connects the secondary reservoir 6 to an underground pressure reservoir 13. The pressure reservoir 13 can for instance be an old and operated gas field filled with gas 9 or another underground cavity in which gas can be stored under high pressure. In the pumping station 1 of Figure 1, use is made of an empty gas field for the extraction of natural gas, which after the operation is filled with CO2 under high pressure. The gas field can be located at great depths under the ground, for example at a depth of 1500 m below the earth's surface. The pressure reservoir 13 is formed on its upper side by a suitable bottom layer 14 which is gas-impermeable and therefore old gas fields are eminently suitable because such gas fields have always been filled with a large amount of natural gas under high gas pressure. Since the natural gas 10 has not leaked away during the existence of the gas field, it can be concluded with certainty that an old gas field will be suitable for storing other gases therein, such as CO2, NOx or other gases.

Op de leiding 10 bevindt zich optioneel een afsluitbare klep 15. Kleppen 15 en 18 en pomp/turbine-installatie 20 zijn centraal vanuit bedienings-15 centrum 21 te bedienen.Optionally there is a closable valve 15 on the pipe 10. Valves 15 and 18 and pump / turbine installation 20 can be operated centrally from control center 21.

De werking van de pompaccumulatiecentrale 1 van figuur 1 is als volgt. Wanneer tijdens daluren elektrische energie dient te worden opgeslagen wordt klep 18 geopend en pompt de pomp/turbine-installatie 20 het water 4 van het primair reservoir 3 naar het secundaire reservoir 6. Tijdens het vullen van het secundaire 20 reservoir 6 zal de daarin aanwezige gasfractie via buisleiding 10 worden afgevoerd.The operation of the pumped storage unit 1 of figure 1 is as follows. If electrical energy is to be stored during non-peak hours, valve 18 is opened and the pump / turbine installation 20 pumps the water 4 from the primary reservoir 3 to the secondary reservoir 6. During the filling of the secondary reservoir 6, the gas fraction contained therein will be discharged via pipeline 10.

Doordat de gasfractie in secundair reservoir 6 in contact staat via buisleiding 10 met het (zeer volumineuze) gasveld 13 hoeft het gas bij het vullen van het secundaire reservoir 6 niet te worden samengedrukt, zodat er geen compressiewarmte ontstaat en gaat daarom geen energie verloren aan 25 compressiewarmte, hetgeen het rendement van de pompaccumulatiecentrale 1 van de onderhavige uitvinding vergroot.Because the gas fraction in secondary reservoir 6 is in contact via pipeline 10 with the (very voluminous) gas field 13, the gas does not have to be compressed when filling the secondary reservoir 6, so that no compression heat is created and therefore no energy is lost to 25 compression heat, which increases the efficiency of the pumped storage unit 1 of the present invention.

Voor het verpompen van het water 4 vanuit het primaire reservoir 3 naar het secundaire reservoir 6 benodigde elektrische energie wordt onttrokken aan het elektriciteitsnet. De feitelijke energieopslag wordt bereikt door deze energie te 30 onttrekken aan het elektriciteitsnet en op te slaan in de potentiële energie van het fluïdum in het secundaire reservoir 6. Wanneer tijdens piekuren extra energie nodig is wordt klep 18 geopend en zal het water uit het secundaire reservoir 6 terugstromen naar het primaire reservoir 3 via pomp/turbine-installatie 20. De turbine 20 genereert 10 elektrische energie welke via de leiding 23 wordt terug geleverd aan het elektriciteitsnet 25.Electrical energy required for pumping the water 4 from the primary reservoir 3 to the secondary reservoir 6 is withdrawn from the electricity grid. The actual energy storage is achieved by extracting this energy from the electricity grid and storing it in the potential energy of the fluid in the secondary reservoir 6. When extra energy is needed during peak hours, valve 18 is opened and the water from the secondary reservoir will be opened. 6 flows back to the primary reservoir 3 via pump / turbine installation 20. The turbine 20 generates 10 electrical energy which is supplied back to the electricity grid 25 via the line 23.

In figuur 2 wordt een verdere uitvoeringsvorm 30 van de pompaccumulatiecentrale overeenkomstig de onderhavige uitvinding getoond. De 5 pompaccumulatiecentrale 30 omvat een primair reservoir 33 en een secundair reservoir 36. Het primaire reservoir 33 en secundaire reservoir 36 zijn bedoeld voor het daarin houden van een fluïdum 34 (water). Het primaire reservoir 33 is door middel van een buisleiding 47, 49 via een pomp/turbine-installatie 50 verbonden met het secundaire reservoir 36. De buisleiding 47 kan met behulp van een klep 48 10 worden afgesloten. Onderaards bevindt het onder de impermeabele laag 44 een oud gasveld 43 dat is volgepompt met kooldioxide (C02). Het oude gasveld 43 vormt een drukreservoir waarin het kooldioxidegas onder druk is opgeslagen bij drukken van ordegrootte 100 atm (vrij te kiezen door de vakman). Tussen drukreservoir 43 en secundair reservoir 36 bevindt zich een buisleiding 40 welke de bovenzijde van 15 secundair reservoir 36 verbindt met het drukreservoir 43. Deze buisleiding kan met behulp van een klep 45 worden afgesloten.Figure 2 shows a further embodiment of the pumped storage plant according to the present invention. The pump storage center 30 comprises a primary reservoir 33 and a secondary reservoir 36. The primary reservoir 33 and secondary reservoir 36 are intended for holding a fluid 34 (water) therein. The primary reservoir 33 is connected by means of a pipeline 47, 49 via a pump / turbine installation 50 to the secondary reservoir 36. The pipeline 47 can be closed with the aid of a valve 48. Underground, under the impermeable layer 44, there is an old gas field 43 that is pumped with carbon dioxide (CO2). The old gas field 43 forms a pressure reservoir in which the carbon dioxide gas is stored under pressure at pressures of the order of 100 atm (freely selectable by the skilled person). Between pressure reservoir 43 and secondary reservoir 36 there is a pipeline 40 which connects the top of secondary reservoir 36 to the pressure reservoir 43. This pipeline can be closed with the aid of a valve 45.

Het secundaire reservoir 36 is bij voorkeur gevormd in een bodemtype met een zeer lage permeabiliteit. Voorbeelden van dergelijke bodemtypen zijn bijvoorbeeld graniet, dinanciën gesteente, zware kleilagen zoals 20 boomse klei, etc.. De binnenwand 37 van het secundaire reservoir 36 is bekleed met een voor het fluïdum impermeabele wandlaag. Deze wandlaag kan zijn vervaardigd uit materialen zoals staal waaronder stalen platen en elementen, een polymeer, betonelementen, glasvezelhoudend spuitbeton, polymeercement, en bentoniet, welke voor vloeistof impermeabel zijn. De werking van de combinatie van de harde 25 bodemlaag, waarin een reservoir is gevormd voorzien van een impermeabele wandlaag, berust op het principe van een stevige ‘buitenband’ voorzien van een afsluitende ‘binnenband’. De binnenband hoeft niet stevig te zijn, maar wel waterdicht (wanneer water als fluidum wordt gebruikt); de buitenband hoeft niet per sé impermeabel te zijn, maar moet wel voldoende stevig zijn om grote krachten te 30 weerstaan.The secondary reservoir 36 is preferably formed in a soil type with very low permeability. Examples of such soil types are, for example, granite, dinance rock, heavy clay layers such as tree clay, etc. The inner wall 37 of the secondary reservoir 36 is covered with a fluid impermeable wall layer. This wall layer can be made of materials such as steel including steel plates and elements, a polymer, concrete elements, fiberglass-containing sprayed concrete, polymer cement, and bentonite, which are water-impermeable. The operation of the combination of the hard bottom layer, in which a reservoir is formed provided with an impermeable wall layer, is based on the principle of a sturdy "outer tire" provided with a sealing "inner tire". The inner tube does not have to be sturdy, but it must be watertight (when water is used as fluid); the tire does not necessarily have to be impermeable, but it must be strong enough to withstand large forces.

Vorming van het secundaire reservoir in een bodemtype met zeer lage permeabiliteit of in een impermeabel bodemtype is daarom geen vereiste. Het is ook mogelijk om het reservoir in een ander bodemtype te vormen waarbij de wanden 11 van het reservoir worden bekleed met een voor het fluidum ondoordringbare ofwel impermeabele laag. De omliggende aardlagen en eventuele overige optionele wandlagen dienen dan voldoende stevigheid te verschaffen voor het weerstaan van de hoge werkingsdrukken in het secundaire reservoir.Formation of the secondary reservoir in a soil type with very low permeability or in an impermeable soil type is therefore not a requirement. It is also possible to form the reservoir in a different bottom type in which the walls 11 of the reservoir are coated with a fluid impermeable or impermeable layer. The surrounding earth layers and any other optional wall layers must then provide sufficient strength to withstand the high operating pressures in the secondary reservoir.

5 De vakman zal inzien dat de bodem waarin het secundaire reservoir gevormd is, zelfs wanneer deze conform bovenbeschreven uitvoeringsvorm van een impermeabel bodemtype is, scheuren of spleten kan bevatten. Dit is op zich geen probleem - niet alleen hoeft de aanwezigheid van dergelijke scheuren niet te betekenen dat de aardlaag geen water kan vasthouden in het reservoir (de scheuren 10 kunnen van geringe diepte zijn), maar bovendien kan met behulp van de impermeabele wandlaag het secundaire reservoir vloeistofdicht worden afgesloten. De functie van de omringende aardlaag is bovenal het verschaffen van een stevige wand voor het weerstaan van de hoge drukken.Those skilled in the art will recognize that the bottom in which the secondary reservoir is formed, even if it is of an impermeable bottom type in accordance with the embodiment described above, may contain cracks or crevices. This is not in itself a problem - not only does the presence of such cracks not mean that the earth layer cannot retain water in the reservoir (the cracks 10 can be of low depth), but moreover, with the aid of the impermeable wall layer, the secondary reservoir must be sealed tight. The function of the surrounding earth layer is above all to provide a sturdy wall for resisting the high pressures.

De kleppen 48 en 45 en de pomp/turbine-installatie 50 kunnen 15 vanuit een bedieningscentrale 51 worden bediend. Tevens is het systeem met behulp van leiding 53 aangesloten op het elektriciteitsnetwerk 55.The valves 48 and 45 and the pump / turbine installation 50 can be operated from a control center 51. The system is also connected to the electricity network 55 by means of line 53.

Wanneer er tijdens de daluren weinig stroomverbruik is, zal door pomp/turbine-installatie 50 energie worden onttrokken aan het elektriciteitsnet voor het pompen van het water 34 vanuit het primaire reservoir 33 naar het secundaire 20 reservoir 36. Omdat het secundaire reservoir 36 onder hoge druk staat (het is aangesloten op het drukreservoir 43) dient door de pomp/turbine-installatie 50 voor het pompen van het water 34 naar het secundaire reservoir 36 een grote hoeveelheid arbeid te worden verricht. De opslag van energie geschiedt daarin dat de door de pomp/turbine-installatie 50 geleverde arbeid voor het verpompen van het water 34 25 naar het secundaire reservoir 36 is opgeslagen als potentiële energie in het secundaire reservoir 36. Wanneer het secundaire reservoir 36 gevuld is wordt de klep 48 gesloten.If there is little power consumption during off-peak hours, pump / turbine installation 50 will draw energy from the electricity network for pumping the water 34 from the primary reservoir 33 to the secondary reservoir 36. Because the secondary reservoir 36 is under high pressure (it is connected to the pressure reservoir 43) a large amount of work must be carried out by the pump / turbine installation 50 for pumping the water 34 to the secondary reservoir 36. The storage of energy takes place in that the work provided by the pump / turbine installation 50 for pumping the water 34 to the secondary reservoir 36 is stored as potential energy in the secondary reservoir 36. When the secondary reservoir 36 is filled the valve 48 is closed.

Tijdens de piekuren, wanneer er extra elektrische energie in het elektriciteitsnetwerk nodig is, wordt klep 48 geopend en zal het fluïdum dat onder 30 druk staat terugstromen via buis 49, pomp/turbine-inrichting 50 en buis 47 in het primaire reservoir 33. De pomp/turbine-inrichting 50 wint op dat moment de elektrische energie terug uit het systeem, en geeft deze via leiding 53 af aan het elektriciteitsnetwerk 55.During peak hours, when additional electrical energy is needed in the electricity network, valve 48 is opened and the fluid under pressure will flow back through tube 49, pump / turbine device 50 and tube 47 into the primary reservoir 33. The pump The turbine device 50 recovers the electrical energy from the system at that moment, and supplies it to the electricity network 55 via line 53.

1212

De vakman zal begrijpen dat de bovengenoemde uitvoeringsvorm niet beperkend voor de uitvinding bedoeld zijn, en dat de uitvinding ook op andere wijzen kan worden toegepast. De beschermingsomvang van de onderhavige uitvinding wordt slechts beperkt door de navolgende conclusies.Those skilled in the art will understand that the above-mentioned embodiment is not intended to limit the invention, and that the invention can also be applied in other ways. The scope of the present invention is limited only by the following claims.

55

Claims

A pumped storage facility for storing energy, comprising a primary reservoir and a secondary reservoir, a pumping device for pumping a fluid from the primary reservoir to the secondary reservoir, and a turbine for generating electrical energy upon backflow of the fluid from the secondary reservoir to the primary reservoir, wherein the pumping station is furthermore provided with a pressure reservoir for holding a floating medium therein, the pressure reservoir being operatively connected to the secondary reservoir for maintaining the secondary reservoir at overpressure, characterized in that volume capacities of the pressure reservoir and the secondary reservoir are such that pressure and / or volume variations of the buoyant medium during pumping into operation and causing the fluid to flow back are minimal, to counteract generation and loss of compression heat during operation the pumping and returning the fluid to flow.

Pump storage center according to claim 1, wherein the volume capacity of the secondary reservoir relative to the volume capacity of the pressure reservoir is less than 20%.

3. Pump accumulation center according to claim 2, wherein the volume capacity of the secondary reservoir relative to the volume capacity of the pressure reservoir is less than 1%.

Pump storage center according to one of the preceding claims, wherein the pressure reservoir comprises an underground cavity.

5. Pump storage center according to claim 4, wherein the pressure reservoir comprises at least one element from a group comprising wholly or partly empty oil or gas fields, artificial cavities such as mines or mine aisles, including salt mines or salt extraction cavities such as salt domes, tunnels or bunkers, or natural cavities, including cave systems, or completely or partially empty, limited aquifers.

Pump storage center according to one of claims 4 or 5, wherein the pressure reservoir is formed by an underground storage facility for gases or vapors, such as an underground CO2 storage field.

Pump storage center according to one of the preceding claims, in which the secondary reservoir comprises an assembly of high-pressure tubes, in which the tubes together provide the volume capacity required for the secondary reservoir.

8. Pump storage center as claimed in any of the foregoing claims, wherein the secondary reservoir comprises an underground cavity.

The pumping station according to claim 8, wherein the underground cavity is formed in an impermeable soil type.

The pumping station according to claim 8, wherein the soil type has a permeability of less than 10-15 m2 (<1 mD).

Pump storage center according to at least one of claims 9 or 10, wherein the soil type comprises at least one element from a group comprising granite, dinance rock, limestone, dolomite, heavy clay types, including tree clay.

12. Pump storage center according to at least one of claims 8-10, wherein an inner wall of the secondary reservoir is provided with a reinforcing wall layer.

13. Pump accumulation center according to claim 12, wherein the reinforcing wall layer comprises at least one layer made from or comprising a material selected from a group comprising steel including steel plates and elements, a polymer, concrete elements, fiberglass-containing sprayed concrete, polymer cement, and bentonite.

14. Pump accumulation plant according to any one of the preceding claims, wherein the floating medium is selected from a group comprising air, CO2, CO, Nitrogen oxides (NOx) including NO2, SO2, volatile or gaseous hydrocarbons including natural gas.