WO2022000002A1 - Verfahren und system zum speichern und abgeben von elektrischer energie sowie verwendung hierfür - Google Patents

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WO2022000002A1 PCT/AT2021/000011 AT2021000011W WO2022000002A1 WO 2022000002 A1 WO2022000002 A1 WO 2022000002A1 AT 2021000011 W AT2021000011 W AT 2021000011W WO 2022000002 A1 WO2022000002 A1 WO 2022000002A1
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tubular
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Anton Ulrich
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Ulrich, Gregor Anton
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Definitions

  • the present invention relates to a method for storing and delivering electrical energy, in particular for balancing different loads on a power grid, comprising the following steps:
  • the present invention further relates to a system for storing and delivering electrical energy, in particular for balancing different loads on an electricity network, comprising the following components: at least one compressor for converting electrical energy into compressed air, at least one compressed air storage device for storing compressed air, and at least an element, which can be driven or acted upon by the compressed air from the compressed air reservoir and coupled to a generator for generating electrical energy, for recovering the electrical energy.
  • the present invention also relates to the use of such a method and such a system.
  • compressed air storage power plants are also known, for example, in which excess electrical energy available in off-peak times is stored by compressing air in a compressed air reservoir and, when the energy requirement is correspondingly higher, compressed air is taken from the compressed air reservoir and converted into electrical energy will.
  • an additional effort for avoiding icing is to be provided either by providing additional heat energy and / or in the form of operating a gas turbine power plant, so that not only an additional structural effort for converting the energy stored in the compressed air into electrical energy is required, but also only a correspondingly reduced overall efficiency can be provided.
  • the present invention therefore aims, based on known methods and systems for storing energy at peak load times or when there is an excess of electrical energy in the form of compressed air in compressed air reservoirs, the design effort for a renewed provision of electrical energy using the stored compressed air in particular to reduce or optimize increased overall efficiency.
  • Such a provision of electrical energy according to the above inventive method can, as is additionally proposed according to the invention, take place within the framework of an integration into or a coupling with a hydropower plant, in particular a storage power plant or run-of-river power plant, with not only corresponding possibilities of an arrangement correspondingly more powerful tubular elements are possible, but also a direct coupling of the generated electrical energy can take place in a particular public power grid.
  • such a method can be provided for integration in or coupling with a photovoltaic system and / or a wind power plant, in particular a non-commercial, private power generation device.
  • a photovoltaic system and / or a wind power plant in particular a non-commercial, private power generation device.
  • inexpensive storage of excess electrical energy is possible, in particular without the need for complex and expensive accumulators.
  • the compressed air before being introduced into the compressed air reservoir, be passed through a heat exchanger to give off thermal energy. In this way, it is possible to use additional thermal energy that arises when generating the compressed air.
  • a system of the above-mentioned type is essentially characterized by the following additional components: at least one tubular element which is arranged essentially vertically in a fluid, in particular water, into which the fluid or water surface remote end, the compressed air can be introduced, at least one rotating element, which is arranged at the end of the tubular element facing the water surface and becomes a rotating element Movement can be driven by the compressed air rising in the tubular element, and the generator coupled to the rotating element for converting the rotational movement of the rotating element into electrical energy.
  • the compressed air stored in at least one compressed air reservoir is introduced into a tubular element arranged essentially vertically in a fluid, in particular water, at an end facing away from the fluid or water surface, with a rotating element arranged at the end of the tubular element facing the water surface is driven to a rotating movement by the air rising in the tubular element.
  • such a system according to the invention can advantageously be combined or integrated into a hydropower plant, in particular a storage power plant or run-of-river power plant, or can be used for storing and delivering electrical energy if private energy or power generation systems are provided.
  • a heat exchanger be connected upstream of the compressed air reservoir in a manner known per se for emitting thermal energy from the compressed air. In this way, the thermal energy generated during the generation of the compressed air can also be used accordingly.
  • At least one line for introducing the compressed air opens into the tubular element at the end remote from the water surface.
  • a further preferred embodiment provides that at the end of the tubular element facing the water surface, a plurality of rotating elements, in particular evenly over the circumference of the tubular element is arranged distributed. In this way, with comparatively small rotating elements, which can be provided correspondingly inexpensively, an optionally large cross-sectional area of such a tubular element can be used by providing a plurality of rotating elements to convert the kinetic energy generated by the rising air into electrical energy.
  • each rotating element is coupled to a generator.
  • a plurality of rotating elements at different levels along the longitudinal extension of a tubular element in particular in the manner of a circumference of the tubular element extending spiral or spiral staircase shape is arranged.
  • the at least one tubular element to have an expanding cross-section starting from the end facing away from the water surface is, as corresponds to a further preferred embodiment of the system according to the invention.
  • the tubular element is formed by a plurality of individual tubular elements adjoining one another in the longitudinal direction of the tubular element.
  • a plurality of adjoining tubular elements are coupled together ⁇ so that, for example, by providing prefabricated, e.g. standardized tubular elements according to a kit, these elements can be combined for different purposes if necessary.
  • tubular elements adjoining each other in the vertical direction have a cross-section that increases towards the surface of the water.
  • the introduction of the compressed air at an end or area of the tubular element facing away from the water surface causes the air bubbles to rise in the tubular element to generate or provide kinetic energy through the rising air, which is caused by the at the im
  • At least one rotating element arranged in the area of the water surface is converted into rotational energy of this rotating element and subsequently into electrical energy.
  • several feed lines for introducing the compressed air into the at least one tubular element open out at different height levels along the longitudinal extension of the tubular element.
  • the rotating element has a plurality of blades or the like for converting the compressed air from the rising air kinetic energy generated is formed into a rotational energy, as corresponds to a further preferred embodiment of the system according to the invention.
  • the air rising in the at least one tubular element can also stimulate the Water can be achieved by an additional introduction of air and / or oxygen.
  • the circulation of the water achieved by the rising air in the area of the essentially vertically arranged tubular element prevents or at least reduces the deposition of sediments or the like, so that the additional work usually required in hydroelectric power stations to remove such sediments or deposits is avoided or at least can be reduced and in this way the effort for operating such a hydropower plant can be optimized.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a system according to the invention for carrying out the method according to the invention, which is coupled to a river or run-of-river power plant;
  • FIG. 2 shows a schematic view of essential parts of the system of FIG. 1, FIG. 2a showing a schematic top view in the area of a dam and FIG. 2b showing an enlarged detailed view of a top view of a plurality of tubular elements in the area of the water surface;
  • FIGS. 1 and 2 of a modified system according to the invention for carrying out the method according to the invention, which are coupled to a storage power plant, wherein FIG. 3a shows a schematic representation of a plurality of tubular elements in the area of a dam, FIG shows a schematic detailed view of a tubular element with a plurality of rotating elements and FIG. 3c shows a schematic illustration of a rotating element coupled to a generator;
  • FIG. 4 shows a detailed view of a further modified embodiment of a tubular element, consisting of a plurality of individual elements, of a system according to the invention
  • FIG. 5 shows enlarged detailed representations of a deflection device in the area of a rotating element, FIG. 5a showing a sectional view and FIG. 5b showing a front view of the rotating element with the deflecting element;
  • FIG. 6 similar to the illustration according to FIG. 1, shows another modified embodiment of a system according to the invention for performing the method according to the invention, which is coupled to a photovoltaic system of a private house;
  • FIG. 7 shows enlarged detailed representations of a further modified embodiment of a system according to the invention, FIG. 7a showing a perspective partial view of a tubular element in which a plurality of rotating elements are distributed over the circumference of the tubular element at different levels, and FIG. Figure 7b is a side view of the tubular member shown in Figure 7a.
  • FIG. 1 components of a system generally designated 1 are shown schematically, a plurality of essentially vertically arranged tubular elements 3 being arranged or fixed on a dam wall 2 of a river power plant, as can be seen more clearly from the detailed representations according to FIGS. 2a and 2b can be seen.
  • anchoring elements for a tubular element 3 are denoted by 4.
  • tubular elements 3 are supplied with compressed air from a compressed air reservoir 6 via feed lines 5, whereby it can be seen in FIG Water surface 7 facing away from the end arranged first tubular element 3a each have a larger diameter or cross section in the vertical direction.
  • the supply of compressed air can take place in the individual tubular elements 3a, 3b, 3c, each with a larger diameter or cross section than the water surface, at different height levels, as indicated by the corresponding branches of the supply lines 5.
  • a plurality of rotating elements 8 for example in the form of a paddle-shaped or screw-shaped element, is provided around the circumference of the tubular elements 3 or the uppermost tubular element 3c, each rotating element 8 with a schematic 9 is coupled, as will become more clearly apparent in the following, for example, from the detailed representations of FIG. 3c or FIG. 5a.
  • the water in the tubular elements 3 is set in motion by the gas or air bubbles rising in the tubular elements 3 or 3a to 3c due to the compressed air introduced at the end facing away from the water surface 7, so that the in Rotating elements 8 arranged in the area of the water surface 7 are driven to a rotational movement, whereupon electrical energy is generated or provided via the coupling of the rotating elements 8 to the generators 9. This generated electrical energy is diverted via power lines 10 in FIG. 1 or fed into a supply network.
  • Compressed air is supplied to the compressed air reservoir 6 by a compressor 11, the compressor 11 either being supplied with excess energy at times of low load, as indicated by an external supply line 12 in FIG. 1.
  • the compressor 11 can also be supplied by the run-of-river power plant via a feed line 13 in the event of an excessive provision of electrical energy.
  • This compressor 11 and the compressed air reservoir 6 are designed similarly to known compressed air storage power plants, in which such excess electrical energy is converted into compressed air and stored in a compressed air reservoir to store excess energy in off-peak periods. To improve the energy balance is with Such compressed air reservoirs are usually additionally provided with a heat exchanger designated by 14 in FIG. 1 between the compressor 11 and the compressed air reservoir 6, so that the thermal energy generated during the generation of the compressed air can also be used accordingly.
  • FIGS Power grid By providing or generating the additional electrical energy required in particular during peak load times in cooperation with a river power plant, as indicated in FIGS Power grid.
  • FIGS. 1 and 2 shows a modified embodiment of a system for storing and delivering electrical energy for carrying out the corresponding method, with this system being installed, for example, in cooperation with a storage power plant, as a modification of the embodiment shown in FIGS. 1 and 2.
  • a plurality of tubular elements 21 are anchored, for example, to the dam 20 in a manner not shown.
  • rotating elements 23 are in turn coupled to generators 24.
  • a plurality of such rotating elements 23 with generators 24 are also provided or indicated at a distance from them and below the water surface 22 in a further plane.
  • a shaft 25 of the rotating element 23 penetrates the wall of the tubular element 21 and is coupled to the generator 24 in such a way that a holder on the outside of the tubular element 21 is designated by 26 .
  • tubular elements 21 shown in FIGS. 2a and 3a are, for example, firmly connected to or anchored to the respective dams 2 and 20, it can be seen in the further modified embodiment according to FIG tubular elements 31a and 31b arranged vertically one above the other are coupled to one another, for example via chain-like elements 32 and suspension elements 33 extending essentially in the vertical direction.
  • a plurality of rotating elements 34 are again provided, distributed over the circumference, which, via a coupling with generators indicated schematically at 35, again, for example, for peak load times by blowing or blowing electrical energy.
  • FIG. 5 is an enlarged view of a detailed view of a rotating element driven by the rising gas or air bubbles in a tubular element to a rotational movement, then attached to a wall of a tubular element 44, which is from one of the tubular elements of the Previous embodiments can be formed, a deflection element 41 is connected, which causes the air bubbles rising in the tubular element according to the arrow 45 to drive the rotating element 42 to a rotational movement, which is indicated by 46 in FIG. 5b.
  • This deflection element 41 thus supports the conversion of the kinetic energy generated by the rising air bubbles into rotational energy of the rotating element 42, which is provided with blade-like elements 48, and consequently the generation of electrical energy in the generator 43, which is connected to the rotating element 42 via a shaft 47 is coupled.
  • a system for storing and delivering electrical energy for carrying out a corresponding method is coupled to a photovoltaic system of a non-commercial, in particular private, power generation device.
  • excess energy of a photovoltaic system 51 which is mounted, for example, on a building schematically indicated by 52, is fed to a compressor 53, which via a supply line 54 compressed air to a compressed air reservoir 55 for storing energy not required at the time of generation by the photovoltaic system 51 in the form of Compressed air supplies.
  • a heat exchanger 56 is also indicated for using the thermal energy produced when the compressed air is generated.
  • compressed air is fed from the compressed air reservoir 55 to a tubular element 57 via a feed line 58, which is arranged in a water tank or container 59 indicated schematically by 59.
  • a rotating element is also arranged in the again multi-part tubular element 57, at least in the area of the water surface (not shown in detail), and in particular a plurality of the same distributed over the circumference Rising air bubbles in the tubular element 57 generated kinetic energy into rotational energy in the rotating elements (not shown in detail) and subsequently converted into electrical energy by coupling the same with generators (also not shown), which is converted into electrical energy via a feed line 60 to the building's power grid 52 is made available.
  • a further modified embodiment of a tubular element 70 is shown, with a plurality of platforms 71 distributed over the circumference of the tubular element and at different height positions is seen at an upper end, ie towards a water surface not shown .
  • a rotating element 73 coupled to a generator 72 is arranged on each of these platforms, as in the previous embodiments by rotating the respective rotating element 73 and coupling it to the generator
  • a rotating element coupled to a generator 72 is only shown on one platform 71 both in FIG. 7 a and in FIG. 7 b
  • the platforms 71 and thus the rotating elements 73 are arranged at different heights or levels of the tubular element 70.
  • different flow conditions particularly in tubular elements 70 with a large diameter or cross-section, can be better used by a distributed arrangement of rotating elements 73 at different heights or levels similar to a spiral shape or spiral staircase over the circumference of the tubular element 70.

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Abstract

Bei einem System (1) und einem Verfahren zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie, insbesondere zum Ausgleichen von unterschiedlichen Belastungen eines Stromnetzes, sind die folgenden Komponenten vorgesehen: wenigstens ein Kompressor (11) zum Umwandeln von elektrischer Energie in Druckluft, - wenigstens ein Druckluftspeicher (6) zum Speichern der Druckluft, - wenigstens ein in einem Fluid, insbesondere Wasser im Wesenltichen vertikal angeordnetes rohrförmiges Element (3, 3a, 3b, 3c), in welches am von der Fluid- bzw. Wasseroberfläche (7) abgewandten Ende die Druckluft einbringbar ist., - wenigstens ein rotierendes Element (8), welches an dem zur Wasseroberfläche (7) gewandten Ende des rohrförmigen Elements (3, 3a, 3b, 3c) angeordnet und zu einer rotierenden Bewegung durch die im rohrförmigen Element aufsteigende Druckluft antreibbar ist, und - ein mit dem rotierenden Element (8) gekoppelter Generator (9) zur Umwandlung der Rotationsbewegung des rotierenden Elements (8) in elektrische Energie.

Description

Verfahren und System zum Speichern und Abgeben von elektrischer Energie sowie
Verwendung hierfür
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Speichern und Abgeben von elektrischer Energie, insbesondere zum Ausgleichen von unterschiedlichen Belastungen eines Stromnetzes, umfassend die folgenden Schritte:
Speichern von elektrischer Energie durch ein Komprimieren von Luft,
Speichern der komprimierten Luft in wenigstens einem Druckluftspeicher, und Rückgewinnen der elektrischen Energie über wenigstens ein durch die Druckluft aus dem Druckluftspeicher antreibbares bzw. beaufschlagbares und mit einem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie gekoppeltes Element.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiters ein System zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie, insbesondere zum Ausgleichen von unterschiedlichen Belastungen eines Stromnetzes, umfassend die folgenden Komponenten: wenigstens einen Kompressor zum Umwandeln von elektrischer Energie in Druckluft, wenigstens einen Druckluftspeicher zum Speichern der Druckluft, und wenigstens ein durch die Druckluft aus dem Druckluftspeicher antreibbares bzw. beaufschlagbares und mit einem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie gekoppeltes Element zum Rückgewinnen der elektrischen Energie.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Verwendung eines derartigen Verfahrens sowie eines derartigen Systems.
Mit einem zunehmenden Einsatz von erneuerbaren Energien ergibt sich insbesondere bei einer Bereitstellung von elektrischer Energie durch Sonne unter Einsatz von Photo voltaikanlagen und Wind durch Windkraftwerke das Problem, dass derartige Energiequellen üblicherweise nicht gleichmäßig und in Übereinstimmung mit einem auf- tretenden Energiebedarf Energie zur Verfügung stellen können. Derart werden, da wirtschaftliche Energiespeicher überwiegend nicht bzw. nicht in ausreichender Menge zur Verfügung stehen, Verfahren und Systeme bzw. Vorrichtungen erforderlich, welche insbesondere einen Ausgleich von unterschiedlichen Belastungen eines Stromnetzes zwischen Zeiten einer Spitzenlast und Zeiten einer Schwachlast ermöglichen. In diesem Zusammenhang ist es oftmals erforderlich, zumindest als Reserve kalorische Kraftwerke und/oder nukleare Kraftwerke bereitzustellen, welche einen Ausgleich zwischen einem Strom- bzw. Energieangebot und einer entsprechenden Nachfrage insbesondere zur Stabilisierung eines Stromnetzes ermöglichen bzw. erlauben.
In diesem Zusammenhang ist weiters beispielsweise der Einsatz von Druckluft speicherkraftwerken bekannt, bei welchen in Schwachlastzeiten zur Verfügung stehende, überschüssige elektrische Energie durch ein Komprimieren von Luft in einem Druckluftspeicher gespeichert wird und bei entsprechend höherem Energiebedarf Druckluft aus dem Druckluftspeicher entnommen und wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf die DE 10 2012 205 592 B4, die DE 20 2005 003 611 U1 oder die AT 518 150 B1 verwiesen.
Darüber hinaus sind Verfahren und Systeme der eingangs genannten Art beispielsweise der DE 102011 118486 A1 , der DE 102014 016491 A1, der EP 3 184 807 A1, der US 7,281,371 B1 oder der DE 10 2015 002 654 A1 zu entnehmen, wobei jeweils auf ein temporäres Zwischenspeichern von elektrischer Energie, beispielsweise aus Windkraftanlagen und/oder Photovoltaikanlagen abgezielt wird.
Da bei einer Bereitstellung von elektrischer Energie durch Entnahme von Druckluft aus einem Druckluftspeicher bei einer entsprechenden Entspannung der Druckluft eine Abkühlung derselben erfolgt, wobei dies zu einem Einfrieren der Druckluft und Ver eisen von Leitungen oder einer nachgeschalteten Turbine führen kann, ist bei derartigen Druckluftspeicherkraftwerken entweder eine Aufwärmung der Druckluft vor einem Einbringen in eine Turbine vorzusehen oder es erfolgt ein Betrieb eines derartigen Druckluftspeicherkraftwerks als Hybrid-Kraftwerk in Kombination mit einer Gasturbine, wobei der zu entspannenden Druckluft Gas zur Vermeidung eines Vereisens zugeführt wird und das derart entstehende Gemisch in einem Gasturbinenkraftwerk in elektrische Energie umgewandelt wird. Bei derartigen bekannten Druckluftspeicherkraftwerken ist somit ein zusätzlicher Aufwand für eine Vermeidung eines Vereisens entweder durch Bereitstellung von zusätzlicher Wärme energie und/oder in Form eines Betriebs eines Gasturbinenkraftwerks vorzusehen, so dass nicht nur ein zusätzlicher konstruktiver Aufwand für eine Umwandlung der in der Druckluft gespeicherten Energie in elektrische Energie erforderlich ist, sondern auch lediglich ein entsprechend reduzierter gesamter Wirkungsgrad bereitgestellt werden kann. Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, ausgehend von bekannten Verfahren und Systemen zur Speicherung von Energie zu Spitzenlastzeiten bzw. bei Vorliegen eines Überschusses elektrischer Energie in Form von Druckluft in Druckluftspeichern, den konstruktiven Aufwand für eine neuerliche Bereitstellung elektrischer Energie unter Einsatz der gespeicherten Druckluft bei insbesondere erhöhtem gesamten Wirkungs grad zu verringern bzw. zu optimieren.
Zur Lösung dieser Aufgaben ist ein Verfahren der eingangs genannten Art im Wesentlichen durch die folgenden zusätzlichen Schritte gekennzeichnet:
Einbringen der Druckluft in wenigstens ein in einem Fluid, insbesondere Wasser im Wesentlichen vertikal angeordnetes rohrförmiges Element an einem von der Fluid- bzw. Wasseroberfläche abgewandten Ende desselben,
Antreiben wenigstens eines rotierenden Elements am zur Wasseroberfläche gewandten Ende des rohrförmigen Elements durch die im rohrförmigen Element aufsteigende Luft, und
Umwandeln der von der im rohrförmigen Element aufsteigenden Luft erzeugten Bewegungsenergie in elektrische Energie durch ein Koppeln des rotierenden Elements mit dem Generator zur Bereitstellung von elektrischer Energie.
Durch ein Einbringen der Druckluft in ein in einem Fluid, insbesondere Wasser im Wesentlichen vertikal angeordnetes rohrförmiges Element an einem von der Fluid- bzw. Wasseroberfläche abgewandten Ende desselben gelingt es, durch die in dem rohrförmigen Element aufsteigende Luft bzw. Druckluft eine entsprechende Bewegung des Fluids bzw. Wassers zu erzielen, wodurch das wenigstens eine rotierende Element im Bereich der Wasseroberfläche zu einer rotierenden Bewegung angetrieben wird. Durch das erfindungsgemäße vorgesehene Koppeln dieses rotierenden Elements mit einem Generator lässt sich somit die durch die in dem im Wesentlichen vertikal angeordneten rohrförmigen Element aufsteigende Luft erzeugte Bewegungsenergie in eine Rotationsenergie umwandeln und in weiterer Folge daraus elektrische Energie bereitstellen, wobei eine derartige Bereitstellung elektrischer Energie in Spitzenlast zeiten mit einer, insbesondere im Vergleich zu einem Anfahren von üblicherweise als Reserve bereitzustellenden kalorischen Kraftwerken oder dgl. , stark verringerten Ansprechzeit erzielbar ist.
Es wird somit möglich, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere auf eine Bereitstellung von zusätzlichen Komponenten zur Verhinderung eines Vereisens der Druckluft bei einer neuerlichen Bereitstellung elektrischer Energie in einer Turbine zu verzichten.
Eine derartige Bereitstellung elektrischer Energie entsprechend dem obigen erfindungsgemäßen Verfahren kann hierbei, wie dies erfindungsgemäß zusätzlich vorgeschlagen wird, im Rahmen einer Integration in ein bzw. einer Kopplung mit einem Wasserkraftwerk, insbesondere einem Speicherkraftwerk oder Laufkraftwerk erfolgen, wobei nicht nur entsprechende Möglichkeiten einer Anordnung entsprechend leistungsfähiger rohrförmiger Elemente möglich sind, sondern auch ein unmittelbares Einkoppeln der erzeugten elektrischen Energie in ein insbesondere öffentliches Stromnetz erfolgen kann.
Gemäß einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen abgewandelten Verwendung kann ein derartiges Verfahren zur Integration in ein(e) bzw. Kopplung mit einer Photovoltaikanlage und/oder einem Windkraftwerk, insbesondere einer nicht-kommer ziellen, privaten Stromerzeugungseinrichtung vorgesehen sein. Derart wird beispiels weise bei Vorhandensein einer insbesondere privaten Photovoltaikanlage oder einem Klein-Windkraftwerk eine kostengünstige Speicherung von überschüssiger elektrischer Energie, insbesondere unter Verzicht auf aufwendige und kostspielige Akkumulatoren möglich.
Zur Verbesserung der gesamten Energiebilanz des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt vorgeschlagen, dass die komprimierte Luft vor einem Einbringen in den Druckluftspeicher über einen Wärmetauscher zur Abgabe von Wärmeenergie geführt wird. Derart gelingt es, bei der Erzeugung der Druckluft anfallende Wärmeenergie zusätzlich zu nutzen.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgaben ist darüber hinaus ein System der oben genannten Art im Wesentlichen durch die folgenden zusätzlichen Komponenten gekennzeichnet: wenigstens ein in einem Fluid, insbesondere Wasser im Wesentlichen vertikal angeordnetes rohrförmiges Element, in welches am von der Fluid- bzw. Wasser oberfläche abgewandten Ende die Druckluft einbringbar ist, wenigstens ein rotierendes Element, welches an dem zur Wasseroberfläche gewandten Ende des rohrförmigen Elements angeordnet und zu einer rotierenden Bewegung durch die im rohrförmigen Element aufsteigende Druckluft antreibbar ist, und den mit dem rotierenden Element gekoppelten Generator zur Umwandlung der Rotationsbewegung des rotierenden Elements in elektrische Energie.
Wie oben bereits ausgeführt, ist zur Bereitstellung elektrischer Energie in Spitzenlastzeiten vorgesehen, die in wenigstens einem Druckluftspeicher gespeicherte Druckluft in ein in einem Fluid, insbesondere Wasser im Wesentlichen vertikal ange ordnetes rohrförmiges Element an einem von der Fluid- bzw. Wasseroberfläche abgewandten Ende einzubringen, wobei durch die im rohrförmigen Element aufsteigende Luft ein an zur Wasseroberfläche gewandten Ende des rohrförmigen Elements angeordnetes rotierendes Element zu einer rotierenden Bewegung angetrieben wird. Durch eine Kopplung dieses rotierenden Elements mit einem Generator lässt sich somit wiederum insbesondere in Spitzenlastzeiten mit gegenüber bekannten Anlagen verringertem konstruktivem Aufwand insbesondere für ein Verhindern eines Vereisens bei der Bereitstellung der Druckluft als auch mit kurzen Ansprechzeiten elektrische Energie unter Erzielung einer insgesamt verbesserten gesamten Energiebilanz bereitstellen.
Wie oben bereits ausgeführt, lässt sich ein derartiges erfindungsgemäßes System in vorteilhafter Weise mit einem Wasserkraftwerk, insbesondere einem Speicherkraftwerk oder Laufkraftwerk kombinieren bzw. in dieses integrieren oder kann für eine Speicherung und Abgabe elektrischer Energie bei Vorsehen privater Energie- bzw. Stromerzeugungsanlagen eingesetzt werden.
Zur weiteren Verbesserung der gesamten Energiebilanz wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass dem Druckluftspeicher in an sich bekannter Weise ein Wärmetauscher zur Abgabe von Wärmeenergie der Druckluft vorgeschaltet ist. Derart kann die durch die bei der Erzeugung der Druckluft anfallende Wärmeenergie entsprechend zusätzlich genutzt werden.
Für eine zuverlässige Einbringung der Druckluft in das rohrförmige Element ist gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass in das rohrförmige Element an dem von der Wasseroberfläche abgewandten Ende wenigstens eine Leitung zur Einbringung der Druckluft mündet. Insbesondere bei Vorsehen von größere Abmessungen aufweisenden Anlagen, wie beispielsweise einem entsprechend großen Durchmesser des im Wesentlichen vertikal angeordneten rohrförmigen Elements, ist gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass am zur Wasseroberfläche gewandten Ende des rohrförmigen Elements eine Mehrzahl von rotierenden Elementen insbesondere gleichmäßig über den Umfang des rohrförmigen Elements verteilt angeordnet ist. Derart kann mit vergleichsweise kleinbauenden rotierenden Elementen, welche entsprechend kostengünstig bereitgestellt werden können, auch eine gegebenenfalls große Querschnittsfläche eines derartigen rohrförmigen Elements durch Vorsehen einer Mehrzahl von rotierenden Elementen zur Umwandlung der von der aufsteigenden Luft erzeugten Bewegungsenergie in elektrische Energie genutzt werden. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass jedes rotierende Element mit einem Generator gekoppelt ist.
Insbesondere zur Ausnutzung von gegebenenfalls unterschiedlichen Strömungseigen schaften innerhalb von rohrförmigen Elementen mit großem Durchmesser wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass eine Mehrzahl von rotierenden Elementen an unterschiedlichen Niveaus entlang der Längserstreckung eines rohrförmigen Elements, insbesondere nach Art einer sich über den Umfang des rohrförmigen Elements erstreckenden Spiral- bzw. Wendeltreppenform angeordnet ist.
Zur Unterstützung der durch die aufsteigende Luft im Inneren des rohrförmigen Elements erzeugten Bewegungsenergie durch die sich jeweils vergrößernden Gas- bzw. Luftblasen kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass das wenigstens eine rohrförmige Element ausgehend von dem von der Wasseroberfläche abgewandten Ende mit einem sich erweiternden Querschnitt ausgebildet ist, wie dies einer weiters bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems entspricht.
Hierbei kann gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass das rohrförmige Element von einer Mehrzahl von in Längsrichtung des rohr förmigen Elements aneinander anschließenden einzelnen rohrförmigen Elementen gebildet ist. Derart kann insbesondere entsprechend den örtlichen Gegebenheiten und/oder den technischen Anforderungen jeweils eine Mehrzahl von aneinander anschließenden rohrförmigen Elementen miteinander^ gekoppelt werden, so dass beispielsweise durch ein Bereitstellen von vorgefertigten, beispielsweise standardisierten rohrförmigen Elementen entsprechend einem Bausatz diese Elemente für gegebenenfalls unterschiedliche Einsatzzwecke kombiniert werden können.
Zur Ausnutzung von Druckunterschieden der aufsteigenden Druckluft in gegebenen falls größere Abmessungen in vertikaler Richtung aufweisenden, aneinander anschließenden rohrförmigen Elementen wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass aneinander in vertikaler Richtung anschließende rohrförmige Elemente einen jeweils zur Wasseroberfläche sich vergrößernden Querschnitt aufweisen.
Zur Erleichterung eines Zusammenbaus derartiger rohrförmiger Elemente und/oder der Installation derselben kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass die aneinander an schließenden einzelnen rohrförmigen Elemente gelenkig bzw. relativ zueinander bewegbar miteinander gekoppelt sind, wie dies einer weiters bevorzugten Aus führungsform des erfindungsgemäßen Systems entspricht.
Wie bereits mehrfach erwähnt, erfolgt durch das Einbringen der Druckluft an einem von der Wasseroberfläche abgewandten Ende bzw. Bereich des rohrförmigen Elements durch ein Aufsteigen der Luftblasen in dem rohrförmigen Element eine Erzeugung bzw. Bereitstellung von Bewegungsenergie durch die aufsteigende Luft, welche durch das am im Bereich der Wasseroberfläche angeordnete, wenigstens eine rotierende Element in Rotationsenergie dieses rotierenden Elements sowie in weiterer Folge in elektrische Energie umgewandelt wird. Zur Berücksichtigung von gegebenenfalls unter schiedlichen Anforderungen im Hinblick auf die Bereitstellung elektrischer Energie wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass mehrere Zuleitungen für ein Einbringen der Druckluft in das wenigstens eine rohrförmige Element auf unterschiedlichen Höhenniveaus entlang der Längserstreckung des rohrförmigen Elements in dieses münden. Durch eine Einleitung der Druckluft auf unterschiedlichen Höhenniveaus in das rohrförmige Element wird durch die aufsteigenden Luftblasen ein unterschiedliches Ausmaß an Bewegungsenergie durch die aufsteigenden Luftblasen bereitgestellt, wobei dies in weiterer Folge die bereitzustellende bzw. erzielbare elektrische Energie beeinflusst.
Zur Unterstützung der Umwandlung der durch die aufsteigenden Luftblasen erzeugten Bewegungsenergie in Rotationsenergie des rotierenden Elements wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems vorge- schlagen, dass im Bereich des wenigstens einen rotierenden Elements und insbe sondere oberhalb der Wasseroberfläche wenigstens ein Umlenkelement zum Umlenken des durch die aufsteigende Luft bewegten Wassers vorgesehen ist.
Für eine besonders wirksame und derart einen hohen gesamten Wirkungsgrad bereitstellende Umwandlung der Bewegungsenergie der aufsteigenden Luftblasen in Rotationsenergie und in weiterer Folge in elektrische Energie ist darüber hinaus vorgesehen, dass das rotierende Element mit einer Mehrzahl von Schaufeln oder dgl. zum Umwandeln der durch die aufsteigende Druckluft erzeugten Bewegungsenergie in eine Rotationsenergie ausgebildet ist, wie dies einer weiters bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems entspricht.
Insbesondere bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des erfindungs gemäßen Systems mit einem Wasserkraftwerk kann neben einer Erzielung von Einsparungen im Hinblick auf Erfordernisse betreffend die Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie in ein insbesondere öffentliches Stromnetz durch die in dem wenigstens einen rohrförmigen Element aufsteigende Luft zusätzlich eine Belebung des Wassers durch eine zusätzliche Einbringung von Luft und/oder Sauerstoff erzielt werden. Weiters kann durch die durch die aufsteigende Luft erzielte Umwälzung des Wassers im Bereich des im Wesentlichen vertikal angeordneten rohrförmigen Elements eine Ablagerung von Sedimenten oder dgl. vermieden bzw. zumindest verringert werden, so dass die üblicherweise bei Wasserkraftwerken erforderlichen Zusatzarbeiten zur Entfernung derartiger Sedimente oder Ablagerungen vermieden bzw. zumindest reduziert werden können und derart der Aufwand für einen Betrieb eines derartigen Wasserkraftwerks optimiert werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der beiliegenden Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche mit einem Fluss- bzw. Laufkraftwerk gekoppelt sind;
Fig. 2 eine schematische Ansicht von wesentlichen Teilen des Systems von Fig. 1 , wobei Fig. 2a eine schematische Draufsicht im Bereich einer Staumauer zeigt und Fig. 2b eine vergrößerte Detailansicht einer Draufsicht auf eine Mehrzahl von rohrförmigen Element im Bereich der Wasseroberfläche zeigt; Fig. 3 schematische Teilansichten ähnlich Fig. 1 und 2 eines abgewandelten erfindungsgemäßen Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche mit einem Speicherkraftwerk gekoppelt sind, wobei Fig. 3a eine schematische Darstellung einer Mehrzahl von rohrförmigen Elementen im Bereich einer Staumauer zeigt, Fig. 3b eine schematische Detailansicht eines rohrförmigen Elements mit einer Mehrzahl von rotierenden Elementen zeigt und Fig. 3c eine schematische Darstellung eines mit einem Generator gekoppelten rotierenden Elements zeigt;
Fig. 4 eine Detailansicht einer weiteren abgewandelten Ausführungsform eines aus einer Mehrzahl von Einzelelementen bestehenden rohrförmigen Elements eines erfindungsgemäßen Systems;
Fig. 5 vergrößerte Detaildarstellungen einer Umlenkeinrichtung im Bereich eines rotierenden Elements, wobei Fig. 5a eine Schnittansicht und Fig. 5b eine Vorderansicht des rotierenden Elements mit dem Umlenkelement zeigen;
Fig. 6 ähnlich der Darstellung gemäß Fig. 1 eine weitere abgewandelte Ausführungs form eines erfindungsgemäßen Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche mit einer Photovoltaikanlage eines Privathauses gekoppelt sind; und
Fig. 7 vergrößerte Detaildarstellungen einer weiteren abgewandelten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zeigt, wobei Fig. 7a eine perspektivische Teil ansicht eines rohrförmigen Elements zeigt, bei welchem eine Mehrzahl von rotierenden Elementen über den Umfang des rohrförmigen Elements verteilt auf unterschiedlichen Niveaus angeordnet ist, und Fig. 7b eine Seitenansicht des in Fig. 7a gezeigten rohrförmigen Elements ist.
In Fig. 1 sind schematisch Komponenten eines allgemein mit 1 bezeichneten Systems gezeigt, wobei an einer Staumauer 2 eines Flusskraftwerks eine Mehrzahl von im Wesentlichen vertikal angeordneten rohrförmigen Elementen 3 angeordnet bzw. festgelegt ist, wie dies aus den Detaildarstellungen gemäß Fig. 2a und 2b deutlicher ersichtlich ist. In Fig. 2b sind hierbei Verankerungselemente für ein rohrförmiges Element 3 mit 4 bezeichnet.
Diesen rohrförmigen Elementen 3 wird über Zuleitungen 5 Druckluft aus einem Druckluftspeicher 6 zugeführt, wobei in Fig. 1 ersichtlich ist, dass die einzelnen rohrförmigen Elemente 3 aus einer Mehrzahl von vertikal übereinander angeordneten Einzelelementen 3a, 3b, 3c bestehen, welche ausgehend von dem von der Wasseroberfläche 7 abgewandten Ende angeordneten ersten rohrförmigen Element 3a einen jeweils größeren Durchmesser bzw. Querschnitt in vertikaler Richtung aufweisen. Die Zufuhr von Druckluft kann hierbei in die einzelnen rohrförmigen Elemente 3a, 3b, 3c mit zur Wasseroberfläche jeweils größerem Durchmesser bzw Querschnitt an unterschiedlichen Höhenniveaus erfolgen, wie dies durch die entsprechenden Abzweigungen der Zuleitungen 5 angedeutet ist.
Im Bereich der Wasseroberfläche 7 ist verteilt um den Umfang der rohrförmigen Elemente 3 bzw. des obersten rohrförmigen Elements 3c eine Mehrzahl von rotierenden Elementen 8, beispielsweise in Form eines schaufei- bzw. schrauben förmigen Elements vorgesehen, wobei jedes rotierende Element 8 mit einem schematisch mit 9 angedeuteten Generator gekoppelt ist, wie dies beispielsweise aus den Detaildarstellungen von Fig. 3c oder Fig. 5a nachfolgend deutlicher ersichtlich werden wird.
Durch die in den rohrförmigen Elementen 3 bzw. 3a bis 3c aufsteigenden Gas- bzw. Luftblasen durch die an dem von der Wasseroberfläche 7 abgewandten Ende eingebrachte Druckluft wird das in den rohrförmigen Elementen 3 befindliche Wasser in Bewegung versetzt, so dass in weiterer Folge die im Bereich der Wasseroberfläche 7 angeordneten rotierenden Elemente 8 zu einer Rotationsbewegung angetrieben werden, worauf über die Kopplung der rotierenden Elemente 8 mit den Generatoren 9 elektrische Energie erzeugt bzw. bereitgestellt wird. Diese erzeugte elektrische Energie wird über Stromleitungen 10 in Fig. 1 abgeleitet bzw. in ein Versorgungsnetz eingespeist.
Dem Druckluftspeicher 6 wird Druckluft von einem Kompressor 11 zugeführt, wobei der Kompressor 11 entweder mit Überschussenergie zu Zeiten einer Schwachlast versorgt wird, wie dies durch eine externe Zuleitung 12 in Fig. 1 angedeutet ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Kompressor 11 auch für den Fall einer übermäßigen Bereitstellung von elektrischer Energie durch das Flusskraftwerk von diesem über eine Zuleitung 13 versorgt werden.
Dieser Kompressor 11 sowie der Druckluftspeicher 6 sind ähnlich bekannten Druckluftspeicherkraftwerken ausgebildet, in welchen zur Speicherung von Über schussenergie in Schwachlastzeiten eine Umwandlung derartiger überschüssiger elektrischer Energie in Druckluft und eine Speicherung derselben in einem Druckluftspeicher vorgenommen wird. Zur Verbesserung der Energiebilanz ist bei derartigen Druckluftspeichern üblicherweise zwischen dem Kompressor 11 und dem Druckluftspeicher 6 zusätzlich ein mit 14 in Fig. 1 bezeichneter Wärmetauscher vorgesehen, so dass die bei der Erzeugung der Druckluft anfallende Wärmeenergie ebenfalls entsprechend genutzt werden kann.
Durch Vorsehen der beispielsweise im Bereich der Staumauer 2 angeordneten vertikalen rohrförmigen Elemente 3 gelingt somit in konstruktiv einfacher Weise und bei insgesamt verbesserter gesamter Energiebilanz eine Bereitstellung von erforderlicher zusätzlicher elektrischer Energie durch ein Einbringen der Druckluft aus dem Druckluftspeicher 6 in die rohrförmigen Elemente 3, wobei die durch die aufsteigenden Gas- bzw. Luftblasen erzeugte Bewegungsenergie über die rotierende Bewegung der rotierenden Elemente 8 und die damit gekoppelten Generatoren 9 wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird.
Durch eine Bereitstellung bzw. Erzeugung der insbesondere in Spitzenlastzeiten erforderlichen zusätzlichen elektrischen Energie im Zusammenwirken mit einem Flusskraftwerk, wie dies in Fig. 1 und 2 angedeutet ist, kann die Einspeisung dieser zusätzlich erzeugten elektrischen Energie unmittelbar über die entsprechenden Abgabeeinrichtungen des Flusskraftwerks beispielsweise an ein öffentliches Stromnetz erfolgen.
In Fig. 3 ist eine abgewandelte Ausführungsform eines Systems zum Speichern und Abgeben von elektrischer Energie zur Durchführung des entsprechenden Verfahrens gezeigt, wobei in Abwandlung von der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform dieses System beispielsweise im Zusammenwirken mit einem Speicherkraftwerk installiert ist.
Ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 ist im Bereich einer Staumauer 20 eines derartigen, nicht näher dargestellten Speicherkraftwerks eine Mehrzahl von rohrförmigen Elementen 21 beispielsweise an der Staumauer 20 in nicht näher dargestellter Weise verankert. Aus der Detaildarstellung gemäß Fig. 3b ist ersichtlich, dass ähnlich wie bei der Ausführungsform, wie sie in Fig. 2b dargestellt ist, zumindest im Bereich der Wasseroberfläche 22 wiederum eine Mehrzahl von rotierenden Elementen 23 am Umfang des rohrförmigen Elements 21 vorgesehen ist, wobei die rotierenden Elemente 23 wiederum mit Generatoren 24 gekoppelt sind. Zusätzlich ist zu den im Bereich der Wasseroberfläche 22 vorgesehenen rotierenden Elementen 23 in Abstand von diesen und unterhalb der Wasseroberfläche 22 in einer weiteren Ebene ebenfalls eine Mehrzahl von derartigen rotierenden Elementen 23 mit Generatoren 24 vorgesehen bzw. angedeutet.
Aus der detaillierten Darstellung von Fig. 3c ist ersichtlich, dass eine Welle 25 des rotierenden Elements 23 die Wand des rohrförmigen Elements 21 durchdringt und derart mit dem Generator 24 gekoppelt ist, für welchen eine Halterung an der Außenseite des rohrförmigen Elements 21 mit 26 bezeichnet ist.
Während die in Fig. 2a und Fig. 3a dargestellten rohrförmigen Elemente 21 beispielsweise fest mit den jeweiligen Staumauern 2 bzw. 20 verbunden bzw. an diesen verankert sind, ist bei der weiteren abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 4 ersichtlich, dass eine Mehrzahl von im Wesentlichen vertikal übereinander angeordneten rohrförmigen Elementen 31a und 31b beispielsweise über kettenartige Elemente 32 sowie im Wesentlichen in senkrechter Richtung verlaufende Aufhängeelemente 33 miteinander gekoppelt ist. Jeweils in einem in vertikaler Richtung oben liegenden Bereich der rohrförmigen Elemente 31a und 31b ist wiederum über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von rotierenden Elementen 34 vorgesehen, welche über eine Kopplung mit schematisch mit 35 angedeuteten Generatoren wiederum beispielsweise für Spitzenlastzeiten elektrische Energie durch ein Einblasen bzw. Einbringen von Druckluft aus einem nicht näher gezeigten Druckluftspeicher durch ein Aufsteigen der Gas- bzw. Luftblasen in den rohrförmigen Elementen 31a und 31b zur Verfügung stellen. Eine Einbringung von Druckluft in die einzelnen rohr förmigen Elemente 31a und 31b hierbei beispielsweise jeweils in den vertikal unteren Bereich der rohrförmigen Elemente 31a und 31b über Anschlussstutzen 36 erfolgen, an welche nicht näher dargestellte Zuleitungen für die Druckluft aus dem zugeordneten und ebenfalls nicht näher dargestellten Druckluftspeicher anschließen.
Ebenso wie bei der Ausbildung gemäß Fig. 4 kann auch bei den in Fig. 1 dargestellten rohrförmigen Elementen 3a, 3b 4c mit jeweils ansteigendem Durchmesser bzw. Querschnitt am jeweils oberen bzw. zur Wasseroberfläche gewandten Ende jedes Element 3a, 3b, 3c, insbesondere eine Mehrzahl von jeweils mit einem Generator gekoppelten rotierenden Elementen vorgesehen sein. In Fig. 5 ist in vergrößerter Darstellung eine Detailansicht eines durch die aufsteigenden Gas- bzw. Luftblasen in einem rohrförmigen Element zu einer Rotations bewegung angetriebenen rotierenden Elements 42 gezeigt, wobei anschließend an eine Wand eines rohrförmigen Elements 44, welches von einem der rohrförmigen Elemente der vorangehenden Ausführungsformen gebildet sein kann, ein Umlenk element 41 anschließt, welches bewirkt, dass die entsprechend dem Pfeil 45 in dem rohrförmigen Element aufsteigenden Luftblasen das rotierende Element 42 zu einer Rotationsbewegung antreiben, welche in Fig. 5b mit 46 angedeutet ist.
Dieses Umlenkelement 41 unterstützt derart die Umsetzung der durch die aufsteigende Luftblasen erzeugten Bewegungsenergie in eine Rotationsenergie des rotierenden, mit schaufelartigen Elementen 48 versehenen rotierenden Elements 42 und derart in weiterer Folge die Erzeugung elektrischer Energie im Generator 43, welcher mit dem rotierenden Element 42 über eine Welle 47 gekoppelt ist.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ist ein System zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens mit einer Photovoltaikanlage einer nicht-kommerziellen, insbesondere privaten Stromerzeugungseinrichtung gekoppelt. Bei dieser Ausbildung wird Überschussenergie einer Photovoltaikanlage 51, welche beispielsweise auf einem schematisch mit 52 angedeuteten Gebäude montiert ist, einem Kompressor 53 zugeführt, welcher über eine Zuleitung 54 Druckluft einem Druckluftspeicher 55 zur Speicherung von im Erzeugungszeitpunkt durch die Photovoltaikanlage 51 nicht benötigter Energie in Form von Druckluft zuführt. Ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist zusätzlich ein Wärmetauscher 56 zur Nutzung der bei der Erzeugung der Druckluft entstehenden Wärmeenergie angedeutet.
Bei entsprechendem Strom- bzw. Energiebedarf wird Druckluft aus dem Druckluftspeicher 55 einem rohrförmigen Element 57 über eine Zuleitung 58 zugeführt, welches in einem schematisch mit 59 angedeuteten Wassertank bzw. -behälter 59 angeordnet ist.
Ähnlich wie bei den vorangehenden Ausführungsformen ist auch bei dem wiederum mehrteiligen rohrförmigen Element 57 zumindest im Bereich der nicht näher dargestellten Wasseroberfläche ein rotierendes Element und insbesondere über dem Umfang verteilt eine Mehrzahl derselben angeordnet, wobei wiederum die durch die aufsteigenden Luftblasen in dem rohrförmigen Element 57 erzeugte Bewegungs energie in eine Rotationsenergie in den nicht im Detail dargestellten rotierenden Elementen und in weiterer Folge durch eine Kopplung derselben mit ebenfalls nicht näher dargestellten Generatoren in elektrische Energie umgewandelt wird, welche über eine Zuleitung 60 dem Stromnetz des Gebäudes 52 zur Verfügung gestellt wird.
Es kann somit mit konstruktiv einfachen Elementen, welche insgesamt einen hohen gesamten Wirkungsgrad bereitstellen, auch beispielsweise bei derartigen privaten Stromerzeugungseinrichtungen bzw. -anlagen eine einfache und zuverlässige Speicherung von zum Zeitpunkt einer Erzeugung beispielsweise durch eine Photo voltaikanlage 51 oder durch ein Klein-Windkraftwerk erzeugter Energie vorgesehen werden, ohne aufwendige Speichereinrichtungen, wie beispielsweise Akkumulatoren zu erfordern.
In Fig. 7a und 7b ist eine weitere abgewandelte Ausführungsform eines rohrförmigen Elements 70 gezeigt, wobei an einem oberen, d.h. zu einer nicht näher dargestellten Wasseroberfläche gerichteten Ende eine Mehrzahl von Plattformen 71 verteilt über den Umfang des rohrförmigen Elements und auf unterschiedlichen Höhenpositionen vor gesehen ist. Auf jeder dieser Plattformen ist ähnlich wie bei den vorangehenden Ausführungsformen jeweils ein mit einem Generator 72 gekoppeltes rotierendes Element 73 angeordnet, wie bei den vorangehenden Ausführungsformen durch eine Rotation des jeweiligen rotierenden Elements 73 und ein Koppeln mit dem Generator
72 elektrische Energie durch die im rohrförmigen Element 70 aufsteigende Druckluft zu erzeugen.
Zur Vereinfachung der Darstellung ist sowohl in Fig. 7a als auch in Fig. 7b nur auf jeweils einer Plattform 71 ein mit einem Generator 72 gekoppeltes rotierendes Element
73 angedeutet. Den Darstellungen ist entnehmbar, dass die Plattformen 71 und derart die rotierenden Elemente 73 auf unterschiedlichen Höhen bzw. Niveaus des rohrförmigen Elements 70 angeordnet sind. Derart lassen sich beispielsweise unterschiedliche Strömungsverhältnisse insbesondere in rohrförmigen Elementen 70 mit großem Durchmesser bzw. Querschnitt durch eine verteilte Anordnung von rotierenden Elementen 73 auf unterschiedlichen Höhen bzw. Niveaus ähnlich einer Spiralform bzw. Wendeltreppe über den Umfang des rohrförmigen Elements 70 besser nutzen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Speichern und Abgeben von elektrischer Energie, insbesondere zum Ausgleichen von unterschiedlichen Belastungen eines Stromnetzes, umfassend die folgenden Schritte:
Speichern von elektrischer Energie durch ein Komprimieren von Luft,
Speichern der komprimierten Luft in wenigstens einem Druckluftspeicher (6,
55), und
Rückgewinnen der elektrischen Energie über wenigstens ein durch die Druckluft aus dem Druckluftspeicher (6, 55) antreibbares bzw. beaufschlagbares und mit einem Generator (9, 24, 35, 43, 72) zur Erzeugung von elektrischer Energie gekoppeltes Element, gekennzeichnet durch die folgenden zusätzlichen Schritte:
Einbringen der Druckluft in wenigstens ein in einem Fluid, insbesondere Wasser, im Wesentlichen vertikal angeordnetes rohrförmiges Element (3, 3a, 3b, 3c, 21 , 31a, 31b, 44, 57, 70) an einem von der Fluid- bzw. Wasseroberfläche (7, 22) abgewandten Ende desselben,
Antreiben wenigstens eines rotierenden Elements (8, 23, 34, 42, 73) am zur Wasseroberfläche (7, 22) gewandten Ende des rohrförmigen Elements (3, 3a, 3b, 3c, 21, 31a, 31b, 44, 57, 70) durch die im rohrförmigen Element (3, 3a, 3b, 3c, 21 , 31a, 31b, 44, 57, 70) aufsteigende Luft, und
Umwandeln der von der im rohrförmigen Element (3, 3a, 3b, 3c, 21, 31a, 31b, 44, 57, 70) aufsteigenden Luft erzeugten Bewegungsenergie in elektrische Energie durch ein Koppeln des rotierenden Elements (8, 23, 34, 42, 73) mit dem Generator (9, 24, 35, 43, 72) zur Bereitstellung von elektrischer Energie.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die komprimierte Luft vor einem Einbringen in den Druckluftspeicher (6, 55) über einen Wärmetauscher (14,
56) zur Abgabe von Wärmeenergie geführt wird.
3. System zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie, insbesondere zum Ausgleichen von unterschiedlichen Belastungen eines Stromnetzes, umfassend die folgenden Komponenten: wenigstens einen Kompressor (11, 53) zum Umwandeln von elektrischer Energie in Druckluft, wenigstens einen Druckluftspeicher (6, 55) zum Speichern der Druckluft, und wenigstens ein durch die Druckluft aus dem Druckluftspeicher (6, 55) antreibbares bzw. beaufschlagbares und mit einem Generator (9, 24, 35, 43, 72) zur Erzeugung von elektrischer Energie gekoppeltes Element zum Rückgewinnen der elektrischen Energie, gekennzeichnet durch die folgenden zusätzlichen Komponenten: wenigstens ein in einem Fluid, insbesondere Wasser, im Wesentlichen vertikal angeordnetes rohrförmiges Element (3, 3a, 3b, 3c, 21 , 31a, 31b, 44, 57, 70), in welches am von der Fluid- bzw. Wasseroberfläche (7, 22) abgewandten Ende die Druckluft einbringbar ist, wenigstens ein rotierendes Element (8, 23, 34, 42, 73), welches an dem zur Wasseroberfläche (7, 22) gewandten Ende des rohrförmigen Elements (3, 3a, 3b, 3c, 21, 31a, 31b, 44, 57, 70) angeordnet und zu einer rotierenden Bewegung durch die im rohrförmigen Element (3, 3a, 3b, 3c, 21, 31a, 31b, 44, 57, 70) aufsteigende Druckluft antreibbar ist, und den mit dem rotierenden Element (8, 23, 34, 42, 73) gekoppelten Generator (9, 24, 35, 43, 72) zur Umwandlung der Rotationsbewegung des rotierenden Elements (8, 23, 34, 42, 73) in elektrische Energie.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Druckluftspeicher (6, 55) ein Wärmetauscher (14, 56) zur Abgabe von Wärmeenergie der Druckluft vor geschaltet ist.
5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in das rohrförmige Element (3, 3a, 3b, 3c, 21 , 31a, 31b, 44, 57, 70) an dem von der Wasseroberfläche (7, 22) abgewandten Ende wenigstens eine Leitung (5, 58) zur Einbringung der Druckluft mündet.
6. System nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am zur Wasseroberfläche gewandten Ende des rohrförmigen Elements (3, 3a, 3b, 3c, 21, 31a, 31b, 44, 57, 70) eine Mehrzahl von rotierenden Elementen (8, 23, 34, 42, 73) insbesondere gleichmäßig über den Umfang des rohrförmigen Elements (3, 3a, 3b, 3c, 21, 31a, 31b, 44, 57, 70) verteilt angeordnet ist.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes rotierende Element (8, 23, 34, 42, 73) mit einem Generator (9, 24, 35, 43, 72) gekoppelt ist.
8. System nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von rotierenden Elementen (73) an unterschiedlichen Niveaus entlang der Längserstreckung eines rohrförmigen Elements (70), insbesondere nach Art einer sich über den Umfang des rohrförmigen Elements erstreckenden Spiral- bzw. Wendel treppenform angeordnet ist.
9. System nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine rohrförmige Element (3, 3a, 3b, 3c, 31a, 31b) ausgehend von dem von der Wasseroberfläche abgewandten Ende mit einem sich erweiternden Querschnitt ausgebildet ist.
10. System nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Element (3, 3a, 3b, 3c, 31a, 31b) von einer Mehrzahl von in Längsrichtung des rohrförmigen Elements aneinander anschließenden einzelnen rohrförmigen Elementen (3, 3a, 3b, 3c, 31a, 31b) gebildet ist.
11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass aneinander in vertikaler Richtung anschließende rohrförmige Elemente (3a, 3b, 3c) einen jeweils zur Wasseroberfläche (7) sich vergrößernden Querschnitt aufweisen.
12. System nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinander anschließenden einzelnen rohrförmigen Elemente (31a, 31b) gelenkig bzw. relativ zueinander bewegbar miteinander gekoppelt sind.
13. System nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zuleitungen (5, 36) für ein Einbringen der Druckluft in das wenigstens eine rohrförmige Element (3, 3a, 3b, 3c, 31a, 31b) auf unterschiedlichen Höhenniveaus entlang der Längserstreckung des rohrförmigen Elements (3, 3a, 3b, 3c, 31a, 31b) in dieses münden.
14. System nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des wenigstens einen rotierenden Elements (42) und insbesondere oberhalb der Wasseroberfläche wenigstens ein Umlenkelement (41) zum Umlenken des durch die aufsteigende Luft bewegten Wassers vorgesehen ist.
15. System nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Element (42) mit einer Mehrzahl von Schaufeln (47) oder dgl. zum Umwandeln der durch die aufsteigende Druckluft erzeugten Bewegungsenergie in eine Rotationsenergie ausgebildet ist.
16. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 sowie eines Systems nach einem der Ansprüche 3 bis 15 zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie zur Integration in ein bzw. Kopplung mit einem Wasserkraftwerk, insbesondere einem Speicherkraftwerk oder Laufkraftwerk (Fig. 1, Fig. 3a).
17. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 sowie eines Systems nach einem der Ansprüche 3 bis 15 zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie zur Integration in ein(e) bzw. Kopplung mit einer Photovoltaikanlage (51) und/oder einem Windkraftwerk, insbesondere einer nicht-kommerziellen, privaten Stromer- Zeugungseinrichtung (Fig. 6)
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