WO2013000813A1 - Pumped-storage power plant - Google Patents

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WO2013000813A1
WO2013000813A1 PCT/EP2012/061962 EP2012061962W WO2013000813A1 WO 2013000813 A1 WO2013000813 A1 WO 2013000813A1 EP 2012061962 W EP2012061962 W EP 2012061962W WO 2013000813 A1 WO2013000813 A1 WO 2013000813A1
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pressure
liquid
power plant
gas
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Armin Dadgar
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Armin Dadgar
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    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/06Stations or aggregates of water-storage type, e.g. comprising a turbine and a pump
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F03D9/00Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/10Combinations of wind motors with apparatus storing energy
    • F03D9/17Combinations of wind motors with apparatus storing energy storing energy in pressurised fluids
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F03B3/10Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto characterised by having means for functioning alternatively as pumps or turbines
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    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00Components
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E70/00Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • Pumped storage power plants are usually used for intermediate storage of electrical energy and take in view of the increasing importance of renewable energy sources, such as wind and sun, which produce discontinuous energy, an increasing importance to ensure a continuous power supply.
  • the invention has for its object to provide an energy storage, which is not dependent on large differences in height, which has a high storage capacity with relatively little space and good efficiency.
  • the object is achieved by a pumped storage power plant with the features mentioned in claim 1.
  • the pumped storage power plant with at least a first memory, with a second memory, with a at least a first memory with the second memory connecting flow path, for a liquid, within which a mechanically driven generator for electrical energy is arranged
  • the at least one first reservoir comprises a pressure-tightly sealed cavity which is partially filled with liquid
  • the non-liquid-filled region of the at least one first reservoir is filled with a gas under pressure Pi, wherein the pressure Pi is greater than a pressure P 2 in the second memory
  • the mechanically driven electrical energy generator is arranged in the flow path that it pressure-tightly separates the at least one first memory of the second memory, a flow direction from the at least one first memory to the second memory releases or as a printer generator releases a flow direction from the second memory to the
  • the gas reservoir can also be located next to the water tank and connected to this via a pipe. This would facilitate maintenance and the use of special gases, since in such a case, the water, if a separating slide between the containers is present, can be drained without pressure loss. After the maintenance, the water is simply refilled. Then it is then charged again with the pressure of the gas. For operation, a large line cross-section is preferred in order to minimize friction losses between the containers.
  • Ideal for long-term use is a gas-tight and watertight seal of the pressure vessel. This can be done with many materials, such. B. with a film material on a supporting surface or by means of synthetic resins. The latter can z. B. with carbon fiber mats realize a pressure-resistant container, which is optionally surrounded outside with another supporting and protective material.
  • the former solution requires a carrier, this can, for. B. a stud and / or a reinforced concrete shell and / or a metal or composite solution such as fiber-reinforced materials. But also metal containers can be used.
  • 3a shows a first embodiment as a pure gas storage supplemented by a liquid storage
  • both containers can in principle be closed or shaped differently, as shown in FIG.
  • a reservoir 401 or reservoir Hi can have a high pressure Pi (eg 100 bar) and a reservoir 402 can have a low pressure P 2 (eg 1 bar) as reservoir H 3 .
  • the pressure in the container 401 drops (eg to approximately 50 bar) and rises in the container 402 (eg to approximately 2 bar).
  • the gas can be separated from the liquid by an elastic membrane 405 or a balloon or balloon-like container, in order, for. For example, it is necessary to minimize the diffusion of gas into the liquid and thus pressure losses.

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  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
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Abstract

The invention relates to a pumped-storage power plant, comprising at least one first reservoir (H1, H2), a second reservoir (H3), a flow path (303) for a liquid, which flow path connects the at least one first reservoir (H1, H2) to the second reservoir (H3) and within which a mechanically driven generator (104, 204, 304, 214, 404) of electrical energy is arranged. According to the invention, the at least one first reservoir (H1, H2) comprises a cavity (101, 201, 301, 401) that is closed in a pressure-tight manner and that is partially filled with liquid, the region of the at least one first reservoir (H1, H2) not filled with liquid is filled with a gas under pressure (P1), wherein the pressure (P1) is greater than a pressure (P2) in the second reservoir (H3), and the mechanically driven generator (104, 204, 214, 304, 404) of electrical energy is arranged in the flow path in such a way that the mechanically driven generator of electrical energy either separates the at least one first reservoir (H1, H2) from the second reservoir (H3) in a pressure-tight manner, releases a flow direction from the at least one first reservoir (H1, H2) to the second reservoir (H3), or releases a flow direction from the second reservoir (H3) to the at least one first reservoir (H1, H2) as a pressure generator.

Description

Pumpspeicherkraftwerk  pumped storage power plant
Die Erfindung betrifft ein Pumpspeicherkraftwerk mit mindestens einem ersten Speicher, mit einem zweiten Speicher, mit einem den mindestens einen ersten Speicher mit dem zweiten Speicher verbindenden Strömungsweg, für eine Flüssigkeit, innerhalb dessen ein mechanisch angetriebener Erzeuger für elektrische Energie angeordnet ist. The invention relates to a pumped storage power plant with at least one first reservoir, with a second reservoir, with a flow path connecting the at least one first reservoir to the second reservoir, for a liquid within which a mechanically driven generator for electrical energy is arranged.
Pumpspeicherkraftwerke dienen meist der Zwischenspeicherung elektrischer Energie und nehmen angesichts der steigenden Bedeutung regenerativer Energieträger, wie Wind und Sonne, welche unstetig Energie produzieren, eine wachsende Bedeutung ein, um eine kontinuierliche Stromversorgung sicherzustellen. Pumped storage power plants are usually used for intermediate storage of electrical energy and take in view of the increasing importance of renewable energy sources, such as wind and sun, which produce discontinuous energy, an increasing importance to ensure a continuous power supply.
Bisherige Konzepte basieren häufig auf Wasser, welches meist von einem hochgelegenen Speicherbecken in ein tiefer gelegenes Reservoir unter Erzeugung von Strom geleitet wird und in Zeiten des Energieüberflusses Wasser in das höher gelegene Reservoir pumpt. Da geeignete geologische Formationen in vielen Regionen nur begrenzt zur Verfügung stehen, ist ein weiterer Ausbau solcher Speicher nicht einfach möglich. Alternativ dazu nimmt man druckluftgefüllte unterirdische Speicher in die engere Wahl zur Energiespeicherung. Auch gibt es die Idee, ein Gewicht mittels Wasser anzuheben und die gespeicherte Energie wieder mittels Wasserturbinen zurückzugewinnen. Hier sind es vor allen Dingen Dichtungs- und Reibungsprobleme, die einen solchen Aufbau in großem Maßstab verhindern. Auch sind die erzielbaren Drücke durch Gewichte eher gering. Vorteil einer solchen Ausführung ist der konstante Druck, der bei druckluftbasierten Systemen nicht möglich ist. Previous concepts are often based on water, which is usually passed from a high-altitude reservoir in a lower reservoir to generate electricity and pumping in times of energy abundance water in the higher reservoir. Since suitable geological formations are limited in many regions available, further development of such storage is not easily possible. Alternatively, compressed-air underground reservoirs are shortlisted for energy storage. There is also the idea to raise a weight with water and recover the stored energy again using water turbines. Here are above all sealing and friction problems that prevent such a large scale construction. The achievable pressures by weights are also rather low. Advantage of such a design is the constant pressure, which is not possible with compressed air-based systems.
Bei Gasspeichern gibt es mehrere Probleme, z. B. mögliche Verluste durch Undichtigkeiten des meist natürlichen Speichers, große Verluste bei der Kompression und Entspannung des Gases und aufgrund des relativ geringen Energiegehalts von komprimierter Luft ein großer Volumenbedarf oder sehr hohe Drücke. Hinzu kommen bei unterirdischer Lagerung mögliche Auswirkungen durch die im Betrieb auftretenden Druckwechsel auf das Gestein, welche im schlimmsten Fall eine Zerstörung des Speichers zur Folge haben. For gas storage there are several problems, such. As possible losses due to leaks of the most natural memory, large losses in the compression and relaxation of the gas and due to the relatively low energy content of compressed air, a large volume or very high pressures. In addition, under underground storage possible effects of the occurring during operation pressure changes on the rock, which in the worst case have a destruction of the memory result.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Energiespeicher zu schaffen, der nicht auf große Höhenunterschiede angewiesen ist, der eine hohe Speicherfähigkeit bei relativ geringem Platzbedarf und einen guten Wirkungsgrad hat. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Pumpspeicherkraftwerk mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass das Pumpspeicherkraftwerk mit mindestens einem ersten Speicher, mit einem zweiten Speicher, mit einem den mindestens einen ersten Speicher mit dem zweiten Speicher verbindenden Strömungsweg, für eine Flüssigkeit, innerhalb dessen ein mechanisch angetriebener Erzeuger für elektrische Energie angeordnet ist, umfasst, wobei der mindestens eine erste Speicher einen druckdicht verschlossenen Hohlraum umfasst, der teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist, der nicht mit Flüssigkeit gefüllte Bereich des mindestens einen ersten Speichers mit einem unter Druck P-i stehenden Gas befüllt ist, wobei der Druck P-i größer ist als ein Druck P2 in dem zweiten Speicher, der mechanisch angetriebene Erzeuger für elektrische Energie derart in dem Strömungsweg angeordnet ist, dass er entweder den mindestens einen ersten Speicher von dem zweiten Speicher druckdicht trennt, eine Durchflussrichtung von dem mindestens einen ersten Speicher zu dem zweiten Speicher freigibt oder als Druckerzeuger eine Durchflussrichtung von dem zweiten Speicher zu dem wenigstens einen ersten Speicher freigibt, ist vorteilhaft möglich, unabhängig von einem Gefälle zwischen dem mindestens einen ersten Speicher und dem zweiten Speicher mit einem großen Wirkungsgrad Energie zu erzeugen beziehungsweise im Bedarfsfalle überschüssige Energie zwischenzuspeichern. In dem wenigstens einen ersten Speicher ist das unter dem Druck P-i stehende Gas druckdicht eingeschlossen. Dieses Gas wirkt bei freigegebenem Strömungsweg auf die Flüssigkeit, die so durch den mechanisch angetriebenen Erzeuger für elektrische Energie fließen kann, so dass dieser in an sich bekannter Weise Energie erzeugen kann. Der mechanisch angetriebene Erzeuger ist beispielsweise eine Turbine. Ferner kann diese Einrichtung die beiden Speicher druckdicht voneinander trennen, wenn weder Energie erzeugt werden soll noch eine Rückfüllung des ersten Speichers erfolgt. Darüber hinaus kann diese Einrichtung als Druckerzeuger arbeiten, nämlich dann, wenn überschüssige Energie zur Aufladung des mindestens einen ersten Speichers genutzt werden soll. Im Sinne der Erfindung kann der mechanisch angetriebene Erzeuger für elektrische Energie auch aus mehreren Bauelementen bestehen, die die einzelnen erforderlichen Funktionen dann übernehmen. So kann beispielsweise ein Schieber, Ventil oder dergleichen vorgesehen sein, über den die druckdichte Trennung erfolgt. Energieerzeugungseinrichtung und Druckerzeugungseinrichtung können ebenfalls separate Baueinheiten sein. The invention has for its object to provide an energy storage, which is not dependent on large differences in height, which has a high storage capacity with relatively little space and good efficiency. According to the invention the object is achieved by a pumped storage power plant with the features mentioned in claim 1. Characterized in that the pumped storage power plant with at least a first memory, with a second memory, with a at least a first memory with the second memory connecting flow path, for a liquid, within which a mechanically driven generator for electrical energy is arranged, wherein the at least one first reservoir comprises a pressure-tightly sealed cavity which is partially filled with liquid, the non-liquid-filled region of the at least one first reservoir is filled with a gas under pressure Pi, wherein the pressure Pi is greater than a pressure P 2 in the second memory, the mechanically driven electrical energy generator is arranged in the flow path that it pressure-tightly separates the at least one first memory of the second memory, a flow direction from the at least one first memory to the second memory releases or as a printer generator releases a flow direction from the second memory to the at least one first memory, it is advantageously possible, independently of a gradient between the at least one first memory and the second memory, to generate energy with a high degree of efficiency or, if necessary, to buffer excess energy. In the at least one first memory, the gas under the pressure Pi is enclosed in a pressure-tight manner. With the flow path released, this gas acts on the liquid which can thus flow through the mechanically driven electrical energy generator so that it can generate energy in a manner known per se. The mechanically driven generator is for example a turbine. Furthermore, this device can separate the two memory pressure-tight from each other, if neither energy to be generated nor a backfilling of the first memory takes place. In addition, this device can work as a pressure generator, namely, when excess energy to charge the at least one first memory to be used. For the purposes of the invention, the mechanically driven generator for electrical energy can also consist of several components, which then take over the individual functions required. For example, a slide, valve or the like may be provided, via which the pressure-tight separation takes place. Energy generating device and pressure generating device may also be separate units.
Das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Speicherkraftwerks mit einer Flüssigkeit als Arbeitsmedium ist die Ausnutzung eines Druckunterschiedes bei fehlendem oder nur geringem Höhenunterschied eines Systems aus zwei Behältnissen beziehungsweise einem Behältnis und einem Reservoir. Dieser Druckunterschied ist weit höher, das heißt mindestens 50 % höher als durch den eventuell vorhandenen Höhenunterschied des Systems erzielbar. Dies wird mittels eines Gasdrucks auf eine Flüssigkeit erzielt, welcher dann durch die Flüssigkeit auf gleichem oder nahezu gleichem Höhenniveau gegeben ist. The basic principle of the storage power plant according to the invention with a liquid as a working medium is the utilization of a pressure difference in the absence or only slight difference in height of a system of two containers or a container and a reservoir. This pressure difference is much higher, that is at least 50% higher than achievable by the possibly existing height difference of the system. This is achieved by means of a gas pressure on a liquid, which is then given by the liquid at the same or almost the same height level.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in einem geschlossenen Behältnis eine Flüssigkeit unter hohem Druck steht, welcher durch ein komprimiertes Gas erzeugt wird. Dies kompensiert einen fehlenden oder zu geringen Höhenunterschied und ermöglicht so auch den ebenerdigen Aufbau eines Energiespeichers. In a preferred embodiment of the invention it is provided that in a closed container, a liquid is under high pressure, which is generated by a compressed gas. This compensates for a missing or too small height difference and thus also allows the ground-level construction of an energy storage device.
Dadurch ergeben sich, sofern ein hoher Druck von mehreren Atmosphären eingestellt wird beziehungsweise vorherrscht, zwei wesentliche Vorteile, nämlich ein relativ geringer Platzbedarf bei großer Speichermenge und die Vermeidung von großen Energieverlusten. Letzteres ergibt sich durch das Komprimieren des Gases, da die entstehende Wärme in die Flüssigkeit eingetragen und bei der Entspannung wieder an das Gas abgegeben werden kann, und darüber hinaus die Expansion beziehungsweise Kompression des Gases relativ gering ist. As a result, if a high pressure of several atmospheres is set or prevails, there are two significant advantages, namely a relatively small space requirement for a large amount of storage and the avoidance of large energy losses. The latter results from the compression of the gas, since the resulting heat can be introduced into the liquid and released back to the gas during the relaxation, and moreover, the expansion or compression of the gas is relatively low.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, mit anderen Gasen zu arbeiten als mit Luft. Vorteilhaft sind hier Gase, die sich durch Kompression nicht oder nur wenig erwärmen und bei Expansion nur wenig abkühlen. So tritt z. B. bei Verwendung von Wasserstoff oder Helium aufgrund der sehr niedrigen Inversionstemperatur dieser Gase der gegenteilige Effekt auf, da sich das Gas bei Expansion erwärmt. So kann in einem geschlossenen Behältnis, der keine nennenswerten Gasverluste aufweist, auch ein anderes Gas beziehungsweise Gasgemisch als Luft verwendet und Energieverluste durch die Kompression des Gases minimiert werden. Vorteilhaft ist es dabei, in dem zweiten Volumen Vorkehrungen zu treffen, um z. B. im Wasser gelöstes und dort freigesetztes Gas aufzufangen. Dies kann bei Verwendung von Wasser ein Zusatz sein, der die Gasloslichkeit reduziert. Dies ist schon bei Salzwasser gegeben, und entsprechend kann ein Salzzusatz oder die Verwendung von Meerwasser als Arbeitsmedium vorteilhaft sein. In a preferred embodiment of the invention is intended to work with other gases than air. Here are gases that are not or only slightly warm by compression and cool only slightly during expansion. So occurs z. B. when using hydrogen or helium due to the very low inversion temperature of these gases, the opposite effect, since the gas heats up during expansion. Thus, in a closed container, which has no appreciable gas losses, another gas or gas mixture used as air and energy losses are minimized by the compression of the gas. It is advantageous to take precautions in the second volume to z. B. dissolved in the water and released there released gas. This can be an additive when using water, which reduces the gas-free. This is already the case with salt water, and accordingly a salt addition or the use of seawater as a working medium can be advantageous.
Für die technische Realisierung gibt es mehrere bevorzugte Ausgestaltungen. So kann ein System von zwei miteinander verbundenen Behältern genutzt werden, zwischen denen z. B. Wasser hin- und hergepumpt beziehungsweise zur Energieerzeugung und Speicherung genutzt wird. Der unter geringerem Druck stehende Teil kann aber auch ein See, Meer bezie- hungsweise Ozean, Wasserlauf oder ein offenes Becken sein. Auch kann in einen nicht vollständig mit Wasser gefüllten Behälter Druckluft eingeleitet werden, die Kompression also nicht durch das Einpumpen von Wasser geschehen, sondern durch das Einleiten von Druckluft. So ist dies mindestens bei Inbetriebnahme notwendig, wenn man auf nennenswerte Betriebsdrücke kommen will, da z. B. bei einer Konfiguration mit 50 % Wasser und 50 % Gasfüllung nur ein Überdruck von 1 bar erreicht würde, wenn man das Wasser einfach hineinpumpt. Setzt man jedoch das halb gefüllte System unter einen Anfangsdruck von 100 bar, so entspricht dies einem anfänglichen Höhenunterschied von 1000 m. Der Druck würde sich dann bei vollständiger Entleerung des Wassers auf ca. 50 bar reduzieren. Dabei kann der Gasvorratsbehälter auch neben dem Wasserbehälter liegen und mit diesem über ein Rohr verbunden sein. Dies würde Wartungsarbeiten und die Verwendung von Spezialgasen erleichtern, da in solch einem Fall das Wasser, sofern ein Trennschieber zwischen den Behältnissen vorhanden ist, ohne Druckverlust abgelassen werden kann. Nach Beendigung der Wartung wird das Wasser einfach wieder hineingefüllt. Anschließend wird es dann wieder mit dem Druck des Gases beaufschlagt. Bevorzugt ist hier für den Betrieb ein großer Leitungsquerschnitt, um Reibungsverluste zwischen den Behältnissen gering zu halten. For the technical realization, there are several preferred embodiments. Thus, a system of two interconnected containers can be used, between which z. B. water pumped back and forth or used for energy production and storage. The lower pressure part may also be a lake, sea. ocean, watercourse or an open basin. Also, in a not completely filled with water tank compressed air can be introduced, so the compression does not happen by pumping in water, but by the introduction of compressed air. So this is necessary at least during commissioning, if you want to come to significant operating pressures because z. B. in a configuration with 50% water and 50% gas filling only an overpressure of 1 bar would be achieved if you simply pumped the water. However, putting the half-filled system under an initial pressure of 100 bar, this corresponds to an initial height difference of 1000 m. The pressure would then reduce to about 50 bar when the water was completely drained. In this case, the gas reservoir can also be located next to the water tank and connected to this via a pipe. This would facilitate maintenance and the use of special gases, since in such a case, the water, if a separating slide between the containers is present, can be drained without pressure loss. After the maintenance, the water is simply refilled. Then it is then charged again with the pressure of the gas. For operation, a large line cross-section is preferred in order to minimize friction losses between the containers.
Durch die relativ geringe Expansion des Gases um einen Faktor Zwei ist die Erwärmung und Abkühlung des Gases im Betrieb relativ gering. Due to the relatively small expansion of the gas by a factor of two, the heating and cooling of the gas during operation is relatively low.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, für einen besseren Wärmeübertrag an die Flüssigkeit diese beim Einleiten zu versprühen beziehungsweise so einzuleiten, dass sie im freien Fall und fein verteilt durch das Gas in das Reservoir gelangt. In a further preferred embodiment of the invention is for better heat transfer to the liquid to spray them during the introduction or to initiate so that it passes in free fall and finely divided by the gas in the reservoir.
Beim Ausleiten kann die Flüssigkeit beziehungsweise geringe Teile davon am einfachsten im Gasraum versprüht werden, um die Wärme effizient abzugeben. Hier kommt auch der Vorteil einer Flüssigkeit zum Tragen, da diese pro Volumen eine relativ hohe Wärmekapazität aufweist und so eine starke Erwärmung oder Abkühlung des Gases bei Kompression und Expansion verhindern kann. When discharging the liquid or small parts thereof can be sprayed most easily in the gas space to dissipate the heat efficiently. Here also the advantage of a liquid comes into play, since this has a relatively high heat capacity per volume and can thus prevent a strong heating or cooling of the gas during compression and expansion.
Ferner ist in bevorzugter Ausgestaltung eine Kombination des Energiespeichers mit einem Wärmespeicher vorgesehen. Hier kann die Flüssigkeit bei Verwendung von gut wärmeisolierten Reservoiren dazu verwendet werden, Wärmeenergie zu speichern, was zur Kühlung im Sommer und zur Heizung im Winter genutzt werden kann. Dies ist vor allen Dingen in der Nähe zu Häusern oder Industrieanlagen interessant, weniger wenn der Speicher nahe am Ort der Energieerzeugung, z. B. mit Windkraft, aufgestellt ist, da diese meist in einiger Entfernung zu möglichen Wärmeabnehmern stehen. Furthermore, in a preferred embodiment, a combination of the energy storage is provided with a heat storage. Here, the liquid can be used with the use of well-insulated reservoirs to store heat energy, which can be used for cooling in summer and heating in winter. This is especially interesting near houses or industrial plants, less so when the store is near at the place of power generation, z. B. with wind power, is set up, since they are usually at a distance to possible heat consumers.
Prinzipiell ist die Methode an sehr vielen Standorten und Konfigurationen realisierbar. So kann der Druckbehälter sowohl über- als auch unterirdisch verlegt sein, das druckärmere Reservoir ebenfalls und die Anordnung zueinander, neben-, über- oder untereinander erfolgen. Der Druckbehälter ist ideal als Kugel oder Zylinder mit halbkugelförmigen Enden realisiert. Jedoch kann er auch andere beliebige Formen haben. Speziell, wenn er unterirdisch in natürliche Hohlräume oder künstliche Stollen eingebaut wird, muss das tragende Gestein nur durch eine dünnere Außenwand abgedichtet sein. In principle, the method can be implemented in many locations and configurations. Thus, the pressure vessel can be laid both above and below ground, the pressure-poorer reservoir also and the arrangement to each other, next to, above or below each other. The pressure vessel is ideally realized as a ball or cylinder with hemispherical ends. However, it can also have any other shapes. Specifically, when installed underground in natural cavities or artificial tunnels, the supporting rock must be sealed only by a thinner outer wall.
Ideal für eine lange Nutzung ist eine möglichst gas- und wasserdichte Abdichtung des Druckbehälters. Dies kann mit vielen Werkstoffen geschehen, so z. B. mit einem Folienmaterial auf einem tragenden Untergrund oder mittels Kunstharzen. Letztere können z. B. mit Kohlefasermatten einen druckfesten Behälter realisieren, der gegebenenfalls außen mit einem weiteren tragenden und schützenden Material umgeben ist. Erstgenannte Lösung erfordert einen Träger, dies kann z. B. ein Stollen sein und/oder ein Stahlbetonmantel und/oder eine Metall- oder Verbundstofflösung wie faserverstärkte Werkstoffe. Aber auch Metallbehälter können eingesetzt werden. Bei einer weiteren Lösungsmöglichkeit wird ein nach unten abgedichtetes Wasserreservoir mit einem Zugkräfte abfangenden Dach versehen, welches entweder die Fläche überdeckt oder mittels dazwischen liegender Stützen das Gewicht des Daches oder die durch einen Überdruck entstehenden Zugkräfte aufnimmt. Unter Sicherheitsaspekten sind jedoch bei hohen Drücken kugel- oder zylinderförmige oder aus solchen Elementen bestehende Behältnisse, sofern die Drücke nicht z. B. im Gestein oder einem anderen Träger abgefangen werden, vorzuziehen. Ideal for long-term use is a gas-tight and watertight seal of the pressure vessel. This can be done with many materials, such. B. with a film material on a supporting surface or by means of synthetic resins. The latter can z. B. with carbon fiber mats realize a pressure-resistant container, which is optionally surrounded outside with another supporting and protective material. The former solution requires a carrier, this can, for. B. a stud and / or a reinforced concrete shell and / or a metal or composite solution such as fiber-reinforced materials. But also metal containers can be used. In another possible solution, a water reservoir sealed at the bottom is provided with a traction-absorbing roof which either covers the surface or, by means of intermediate supports, absorbs the weight of the roof or the tensile forces created by an overpressure. From a safety point of view, however, at high pressures spherical or cylindrical or consisting of such elements containers, unless the pressures are not z. B. be caught in the rock or other carrier, preferable.
Auch ist es aus Sicherheitsgründen bei Druckbehältern sinnvoll, an geeigneter Stelle ein Sicherheitsventil anzubringen, welches das Ausströmen des Gases in eine für Mensch und Umwelt ungefährliche Richtung ermöglicht. Dies ist meist ein Ausströmen vertikal in die Atmosphäre. It is also useful for safety reasons in pressure vessels to install a safety valve at a suitable location, which allows the outflow of the gas in a safe for humans and the environment direction. This is usually an outflow vertically into the atmosphere.
Die Erfindung ist prinzipiell als Luft-Wassersystem bis zu einem Druck von ca. 830 bar sinnvoll einsetzbar. Darüber erreicht die Dichte der Luft denselben oder einen höheren Wert als Wasser und der Energiegehalt des Speichers wird dann vergleichbar hoch, das heißt, der Einsatz von Wasser ist abgesehen von der Nutzung als Wärmereservoir für den Expansions- und Kompressionsvorgang überflüssig. Dennoch sind selbst bei solch hohen Drücken die Expansionsverluste des Gases erheblich und Wasser als Träger im Vorteil. Da derzeit solch große Drücke nicht sicher umsetzbar sind, ist die Kombination Flüssigkeit-Gasdruck beziehungsweise Flüssigkeitsdruck-Gas durch den höheren Wirkungsgrad vorteilhaft gegenüber rein gasbetriebenen Speicherlösungen. The invention is useful in principle as an air-water system up to a pressure of about 830 bar. In addition, the density of the air reaches the same or higher value than water and the energy content of the storage is then comparably high, that is, the use of water is, apart from the use as a heat reservoir for the expansion and compression process unnecessary. Nevertheless, even at such high pressures, the expansion losses of the gas are significant and water as the carrier at an advantage. Since currently such large pressures can not be safely implemented, the combination of liquid-gas pressure or liquid-pressure gas is advantageous due to the higher efficiency compared to purely gas-powered storage solutions.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figur 1 a eine Ausführungsform mit zwei nebeneinander liegenden Behältern als Figure 1 a an embodiment with two adjacent containers as
Speicher;  Storage;
Figur 1 b eine Ausführungsform mit beiden Behältern unter Tage; Figure 1 b shows an embodiment with two containers underground;
Figur 2a eine Ausführungsform mit übereinander liegender Anordnung; Figure 2a shows an embodiment with superimposed arrangement;
Figur 2b eine Ausführungsform mit umeinander liegender Anordnung; Figure 2b shows an embodiment with each other lying arrangement;
Figur 3a eine erste Ausführungsform als reiner Gasspeicher ergänzt um einen Flüssigkeitsspeicher; 3a shows a first embodiment as a pure gas storage supplemented by a liquid storage;
Figur 3b eine weitere Ausführungsform als reiner Gasspeicher ergänzt um einen Figure 3b shows a further embodiment as a pure gas storage supplemented by a
Flüssigkeitsspeicher und  Liquid storage and
Figur 4 eine weitere Ausführungsform der Behälter beziehungsweise Speicher. Figure 4 shows another embodiment of the container or memory.
Figur 1 a stellt eine mögliche Ausführungsform vor. So sind hier zwei nebeneinander liegende Behälter 101 und 102 als Speicher H-ι mit einem Druck P-i und Speicher H3 mit einem Druck P2 dargestellt, welche mittels einer Leitung (Rohr) 103 und einer Einheit 104 zur Stromgewinnung beziehungsweise zum Pumpen miteinander verbunden sind. In dieser Einheit 104 kann zudem ein Regelventil eingebaut sein, dies ist aber auch an anderer Stelle der Leitung 103 möglich. Der Behälter 101 ist dabei geschlossen, der Behälter 102 mit einer Öffnung 105 ausgelegt. Figure 1 a illustrates a possible embodiment. So here two adjacent containers 101 and 102 are shown as a memory H-ι with a pressure Pi and memory H 3 with a pressure P 2 , which are connected to each other by means of a line (pipe) 103 and a unit 104 for power generation or pumping , In this unit 104 may also be installed a control valve, but this is also possible elsewhere in the line 103. The container 101 is closed, the container 102 is designed with an opening 105.
Figur 1 b zeigt eine Ausführung mit beiden Behältern 101 und 102 unter Tage. Figur 2a zeigt eine Möglichkeit der übereinander liegenden Anordnung. Hier ist der Behälter 201 als Speicher H-ι mit einem Druck P2 oberhalb des Behälters 202 als Speicher H3 mit einem Druck P2 angeordnet, wobei über ein oder mehrere Elemente 204 Energie gewonnen beziehungsweise im Speicher H-ι gespeichert werden kann. Figure 1 b shows an embodiment with two containers 101 and 102 underground. Figure 2a shows a possibility of superimposed arrangement. Here, the container 201 is arranged as a memory H-1 with a pressure P 2 above the container 202 as a memory H 3 with a pressure P 2 , wherein over one or more elements 204 energy can be gained or stored in memory H-ι.
Eine weitere Ausführungsform ist der Aufbau der Speicher umeinander, wie in Figur 2b gezeigt. Hier wird z. B. um einen Behälter 21 1 als Speicher H-i mit dem Druck P-i eine zweite Hülle 212 als Speicher H3 mit dem Druck P2 in einem größeren Abstand gelegt und die Flüssigkeit zwischen Innen- und Außenraum über ein oder mehrere Elemente 214 hin- und hergepumpt. So ist hier z. B. bei einer Kugelform die innere Kugel mit einem Radius von ca. 20 m ausgelegt, die äußere mit einem Radius von ca. 25 m, um dasselbe Volumen in beiden Bereichen zu erzielen. Another embodiment is the structure of the memories around each other, as shown in Figure 2b. Here is z. B. to a container 21 1 as memory Hi with the pressure Pi a second shell 212 as a memory H 3 with the pressure P 2 placed at a greater distance and the liquid between inner and outer space via one or more elements 214 reciprocated back and forth , So here is z. For example, in a spherical shape, the inner sphere is designed with a radius of about 20 m, the outer with a radius of about 25 m, to achieve the same volume in both areas.
Analog zu Figur 1 kann ein Speicher H auch über zwei Behältnisse 301 unter hohem Druck verfügen, welche - wie schon ausgeführt - Vorteile in Bezug auf Wartungsarbeiten bieten. So ist in Figur 3a der Speicher H-i mit dem Druck P-i als reiner Gasspeicher ergänzt um einen Flüssigkeitsspeicher H2 mit dem Druck P-i , der z. B. über eine Leitung 303 und ein oder mehrere Energieerzeuger beziehungsweise -speicherelemente 304 die Flüssigkeit zu einem weiteren Behälter 302 als Speicher H3 mit dem Druck P2 strömen lassen beziehungsweise pumpen kann. Analogously to FIG. 1, a reservoir H can also have two containers 301 under high pressure, which-as already explained-offer advantages with regard to maintenance work. Thus, in Figure 3a, the memory Hi with the pressure Pi as a pure gas storage supplemented by a liquid storage H 2 with the pressure Pi, the z. B. via a line 303 and one or more energy generator or storage elements 304, the liquid can flow to another container 302 as a memory H 3 with the pressure P 2 or can pump.
Eine analoge Ausführung ist in Figur 3b gezeigt, hier aber mit einem offenen natürlichen Speicher als Reservoir R2 mit dem Druck P2 in Form beispielsweise eines Sees 306. An analogous embodiment is shown in FIG. 3b, but here with an open natural reservoir as a reservoir R 2 with the pressure P 2 in the form of, for example, a lake 306.
Der Vorteil eines geschlossenen Systems ist die Vermeidung von Verunreinigungen des Wassers, z. B. durch Wasserpflanzen, Äste oder andere in natürlichen Gewässern vorkommende Objekte. The advantage of a closed system is the prevention of contamination of the water, eg. B. by aquatic plants, branches or other occurring in natural waters objects.
Auch können beide Behälter prinzipiell geschlossen oder anders geformt sein, wie in Figur 4 gezeigt. So kann ein Behälter 401 beziehungsweise Speicher H-i einen hohen Druck P-i aufweisen (z. B. 100 bar) und ein Behälter 402 als Speicher H3 einen niedrigen Druck P2 (z. B. 1 bar). Beim Erzeugen von Energie durch die Flüssigkeit über Leitungen 403 und Energietauschereinheit 404 sinkt der Druck im Behälter 401 (z. B. auf ca. 50 bar) und steigt im Behälter 402 an (z. B. auf ca. 2 bar). Dies erleichtert die Verwendung von Spezialgasen, die die mögliche Temperaturänderung bei Expansion beziehungsweise Kompression minimieren. Des Weiteren kann das Gas durch eine elastische Membran 405 beziehungsweise einen Ballon oder ballonähnlichen Behälter von der Flüssigkeit getrennt sein, um z. B. die Eindiffu- sion von Gas in die Flüssigkeit und damit Druckverluste zu minimieren. In principle, both containers can in principle be closed or shaped differently, as shown in FIG. Thus, a reservoir 401 or reservoir Hi can have a high pressure Pi (eg 100 bar) and a reservoir 402 can have a low pressure P 2 (eg 1 bar) as reservoir H 3 . When energy is generated by the liquid via lines 403 and energy exchanger unit 404, the pressure in the container 401 drops (eg to approximately 50 bar) and rises in the container 402 (eg to approximately 2 bar). This facilitates the use of specialty gases that the minimize possible temperature change during expansion or compression. Furthermore, the gas can be separated from the liquid by an elastic membrane 405 or a balloon or balloon-like container, in order, for. For example, it is necessary to minimize the diffusion of gas into the liquid and thus pressure losses.
Die Speicher können unterirdisch, oberirdisch, in oder zum Teil in einem Gewässer oder auch nur teilweise unter Grund realisiert werden. The reservoirs can be realized underground, above ground, in or partly in a body of water or even partly under ground.
Auch eignet sich ein kompakter Speicher, der kontinuierlich von einer Pumpe, die vom Stromnetz gespeist wird, befüllt wird und kontinuierlich Strom über einen Generator erzeugt als Puffer bei Spannungsschwankungen, wie auch bei kurzen Angebotsschwankungen als Energiepuffer, sowie bei Stromausfall als Puffer bis zum Betrieb eines Notstromaggregats. Da bei normaler Versorgung aus dem Stromnetz der Druck im Behälter nahezu konstant bleiben kann, ist eine energieeffiziente Entkopplung der Stromnetze und eine kurzfristige Pufferung somit einfach möglich. Durch die kurzen Rohrleitungen sind hier geringe Reibungsverluste des Systems möglich. Nur die jeweiligen Wirkungsgrade der Pumpen und Turbineneinheit sind für die Gesamteffizienz des Systems wesentlich, andere Faktoren sind nahezu vernachlässigbar. Also suitable is a compact memory, which is continuously filled by a pump, which is fed from the power supply and continuously generates power through a generator as a buffer in case of voltage fluctuations, as well as short supply fluctuations as an energy buffer, as well as power failure in the buffer to the operation of a emergency generator. Since the pressure in the tank can remain virtually constant during normal supply from the power grid, an energy-efficient decoupling of the power grids and short-term buffering is thus easily possible. Due to the short pipelines low friction losses of the system are possible here. Only the respective efficiencies of the pumps and turbine unit are essential to the overall efficiency of the system, other factors are almost negligible.
Prinzipiell ist der erfindungsgemäße Energiespeicher mit allen Flüssigkeiten und Gasen, die keine unerwünschten Reaktionen miteinander oder dem Behältnis und Generator aufweisen, realisierbar. So kann man prinzipiell bei Verwendung von schweren flüssigen Metallen wie Gallium, Quecksilber oder Legierungen wie Galinstan eine höhere Speicherdichte bei gleichem Volumen erzielen. Jedoch sind diese Metalle teuer, teilweise giftig und in großen Mengen derzeit nur schwer ökonomisch einsetzbar. In principle, the energy store according to the invention can be realized with all liquids and gases which have no undesired reactions with one another or with the container and generator. So you can in principle achieve a higher storage density at the same volume when using heavy liquid metals such as gallium, mercury or alloys such as Galinstan. However, these metals are expensive, sometimes toxic and currently difficult to use economically in large quantities.
Die genannten Beispiele sind nur einige einer Vielzahl von Ausführungsmöglichkeiten und können meist auch miteinander kombiniert werden. So sind die Anzahl und Art der Energieerzeuger und Pumpen vielfältig, genauso wie die Anzahl der Behältnisse und Reservoire und deren Platzierung. Auch können Flüssigkeits- und Gasgemische anstatt reiner Flüssigkeiten und Gase eingesetzt werden. Bezugszeichenliste The examples mentioned are only a few of a variety of design options and can usually be combined with each other. Thus, the number and type of energy producers and pumps are diverse, as well as the number of containers and reservoirs and their placement. Also, liquid and gas mixtures can be used instead of pure liquids and gases. LIST OF REFERENCE NUMBERS
101 Behälter 101 containers
102 Behälter  102 containers
103 Leitung  103 line
104 Einheit zur Stromgewinnung beziehungsweise zum Pumpen 104 unit for power generation or pumping
105 Öffnung 105 opening
201 Behälter 201 container
202 Behälter  202 containers
204 Elemente zur Energiegewinnung beziehungsweise -speicherung 204 elements for energy production or storage
21 1 Behälter 21 1 container
212 Hülle als Speicher H3 mit Druck P2 212 shell as memory H 3 with pressure P 2
214 Elemente zum Hin- und Herpumpen 214 elements for pumping
301 Behälter 301 containers
302 Behälter  302 containers
303 Leitung  303 line
304 Elemente zur Energiegewinnung beziehungsweise -speicherung 306 offener natürlicher Speicher (beispielsweise See)  304 elements for energy production or storage 306 open natural storage (eg lake)
401 Behälter 401 containers
402 Behälter  402 containers
403 Leitung  403 line
404 Energietauschereinheit  404 energy exchanger unit
405 elastische Membran / Ballon / ballonähnlicher Behälter  405 elastic membrane / balloon / balloon-like container
P-i Druck P-i pressure
P2 Druck P 2 pressure
H T Speicher H T memory
H2 Speicher H 2 memory
H3 Speicher offener natürlicher Speicher / Reservoir H 3 storage open natural storage / reservoir

Claims

Patentansprüche claims
Pumpspeicherkraftwerk mit mindestens einem ersten Speicher (H-i , H2), mit einem zweiten Speicher (H3), mit einem den mindestens einen ersten Speicher (H-i , H2) mit dem zweiten Speicher (H3) verbindenden Strömungsweg (303), für eine Flüssigkeit, innerhalb dessen ein mechanisch angetriebener Erzeuger (104, 204, 304, 214, 404) für elektrische Energie angeordnet ist, Pumped storage power plant with at least one first memory (Hi, H 2 ), with a second memory (H 3 ), with a at least a first memory (Hi, H 2 ) to the second memory (H 3 ) connecting the flow path (303), for a liquid within which is arranged a mechanically driven generator (104, 204, 304, 214, 404) for electrical energy,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der mindestens eine erste Speicher (H-i , H2) einen druckdicht verschlossenen Hohlraum (101 , 201 , 301 , 401 ) umfasst, der teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist, der nicht mit Flüssigkeit gefüllte Bereich des mindestens einen ersten Speichers (H-i , H2) mit einem unter Druck (P^ stehenden Gas befüllt ist, wobei der Druck (Ρ-ι) größer ist als ein Druck (P2) in dem zweiten Speicher (H3), der mechanisch angetriebene Erzeuger (104, 204, 214, 304, 404) für elektrische Energie derart in dem Strömungsweg angeordnet ist, dass er entweder den mindestens einen ersten Speicher (H-i , H2) von dem zweiten Speicher (H3) druckdicht trennt, eine Durchflussrichtung von dem mindestens einen ersten Speicher (H-i , H2) zu dem zweiten Speicher (H3) freigibt oder als Druckerzeuger eine Durchflussrichtung von dem zweiten Speicher (H3) zu dem wenigstens einen ersten Speicher (H-i , H2) freigibt. the at least one first reservoir (Hi, H 2 ) comprises a pressure-tightly sealed cavity (101, 201, 301, 401) which is partially filled with liquid, the area of the at least one first reservoir (Hi, H 2 ) not filled with liquid is filled with a gas under pressure (P ^, wherein the pressure (Ρ-ι) is greater than a pressure (P 2 ) in the second memory (H 3 ), the mechanically driven generators (104, 204, 214, 304 , 404) for electrical energy is arranged in the flow path such that it either pressure-tightly separates the at least one first reservoir (Hi, H 2 ) from the second reservoir (H 3 ), a flow direction from the at least one first reservoir (Hi, H 2 ) to the second reservoir (H 3 ) releases or as a pressure generator a flow direction from the second memory (H 3 ) to the at least one first memory (Hi, H 2 ) releases.
Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 1 , Pumped storage power plant according to claim 1,
gekennzeichnet durch marked by
den Einsatz von Wasser als flüssiges Medium. the use of water as a liquid medium.
Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 1 , Pumped storage power plant according to claim 1,
gekennzeichnet durch marked by
den Einsatz von Luft als gasförmiges Medium. the use of air as a gaseous medium.
Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 1 , Pumped storage power plant according to claim 1,
gekennzeichnet durch marked by
den Einsatz von Wasserstoff, Helium oder von einem anderen Gas mit einer Inversionstemperatur < 500 °C als gasförmiges Medium. the use of hydrogen, helium or another gas with an inversion temperature <500 ° C as a gaseous medium.
5. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch 5. pumped storage power plant according to at least one of the preceding claims, characterized by
die teilweise oder vollständige Realisierung unter Tage.  the partial or complete realization underground.
6. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, 6. pumped storage power plant according to at least one of the preceding claims,
gekennzeichnet durch  marked by
die teilweise oder vollständige Realisierung unter Wasser.  the partial or complete realization under water.
7. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. pumped storage power plant according to at least one of the preceding claims,
gekennzeichnet durch  marked by
die räumliche Trennung des Gases von der Flüssigkeit durch eine Membran oder durch ein ballonartiges Behältnis für das Gas.  the spatial separation of the gas from the liquid through a membrane or through a balloon-like container for the gas.
8. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, 8. pumped storage power plant according to at least one of the preceding claims,
gekennzeichnet durch  marked by
den schnellen Temperaturausgleich zwischen Flüssigkeit und Gas durch Versprühen der Flüssigkeit im Gasraum, das Einblasen des Gases in die Flüssigkeit und/oder durch Wärmetauscherleitungen an den Behältniswänden und/oder im Gasraum.  the rapid temperature compensation between liquid and gas by spraying the liquid in the gas space, the blowing of the gas into the liquid and / or through heat exchanger lines to the container walls and / or in the gas space.
9. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, 9. pumped storage power plant according to at least one of the preceding claims,
gekennzeichnet durch  marked by
die zusätzliche Nutzung als Wärmespeicher, um Überschusswärme zur späteren Nutzung zu speichern.  the additional use as a heat storage to store surplus heat for later use.
10. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, 10. pumped storage power plant according to at least one of the preceding claims,
gekennzeichnet durch  marked by
den Einsatz als Trennglied, Puffer und/oder unterbrechungsfreie Stromversorgung zwischen einem Stromnetz und einem Verbraucher.  the use as isolator, buffer and / or uninterruptible power supply between a power grid and a consumer.
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