AT13733U1 - Druckspeicher - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Speicherung von Energie, umfassend einen Druckspeicher (1) mitkonstantem Volumen, eine mittels elektrischer Energie betreibbare Arbeitsmaschine (4) undeine Strömungsmaschine (7), wobei an die Strömungsmaschine (7) ein elektrischer Generator(9) koppelbar ist, wobei der Druckspeicher (1) mit einem Gasvordruck beaufschlagt ist, wobeizur Speicherung von Energie, mit der Arbeitsmaschine (4) eine Flüssigkeit in denDruckspeicher (1) einbringbar ist, während das Volumen des Druckspeichers (1) konstantbleibt, wobei die Strömungsmaschine (7) mit dem Druckspeicher (1) gekoppelt ist und zurErzeugung von elektrischer Energie die Flüssigkeit aus dem Druckspeicher (1) ablassbar ist,sodass die Strömungsmaschine (7) angetrieben wird.

Description

österreichisches Patentamt AT13 733U1 2014-07-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Vorrichtung zur Speicherung von Energie, umfassend einen Druckspeicher mit konstantem Volumen. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Speicherung von Energie, welche einen Druckspeicher umfasst, sowie ein Verfahren zum Regeln eines Stromnetzes. Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung einer Vorrichtung zur Speicherung von Energie zum Bereitstellen von Regelleistung.

[0002] Druckluftspeicherkraftwerke sind Speicherkraftwerke, bei denen komprimierte Luft als Energiespeicher dient. Derzeit werden Druckluftspeicherkraftwerke primär zur Netzregelung wie beispielsweise für die Bereitstellung von Regelleistung eingesetzt. Bei Stromüberschuss wird nicht benötigte elektrische Energie dazu verwendet, Luft unter Druck zu setzen und in einen Speicher zu pumpen. Bei Strombedarf wird zur kurzfristigen Bereitstellung von elektrischer Energie diese Druckluft umgewandelt, indem die Druckluft eine Turbine antreibt, die mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist.

[0003] Beim Verdichten der Luft zu Druckluft, wird eine erhebliche Wärmemenge freigesetzt, die bei Druckluftspeicherkraftwerken in der Regel ungenutzt bleibt. Während die Erwärmung im Druckluftspeicher durch Kühlung steuerbar ist und somit primär ein Problem des verschlechterten Wirkungsgrads in der Energiespeicherung darstellt, tritt bei der Dekompression der Druckluft, bei der meist eine Turbine angetrieben wird, der umgekehrte Effekt der Abkühlung aufgrund des bekannten Joule-Thomson-Effekts auf. Mit dieser Abkühlung geht meist eine Vereisung der Düse und der Turbinenschaufeln einher. Außerdem besitzt die - durch die Expansion stark abgekühlte - Luft ein verringertes Volumen, sodass der Volumenstrom reduziert wird. Insgesamt ist die Energieausbeute damit bei solchen Druckluftspeicherkraftwerken gering. So entstehen bei herkömmlichen Druckluftspeichern bei Kompression von Luft auf 100 bar Abwärme von rund 500 bis 600 °C, womit die Energieausbeute auf rund 16 % gemindert wird.

[0004] Ein Ansatz, um den Wirkungsgrad von Druckluftspeicherkraftwerken zu verbessern, sind adiabatisch arbeitende Druckluftspeicherkraftwerke, die während der Kompression die entstehende heiße Luft, die auf bis zu 1000 °C erwärmt werden kann, über einen massereichen porösen Festkörperspeicher abkühlen und diese Energie Zwischenspeichern. Bei der Abarbeitung in der Expansionsphase der kalten expandierten Luft kann diese Energie vor Eintritt in die Turbine wieder zugeführt werden. Nachteilig für diese Anwendung ist, dass solche Speicherkraftwerke nur sehr kurzzeitig mit gutem Wirkungsgrad diese Energie Zwischenspeichern können, solange der Festkörperspeicher, der eine sehr große Masse besitzen muss, diesen Vorteil nicht durch Wärmeabstrahlung wieder einbüßt.

[0005] Zur Kompensation der Abkühlung an der Turbine bei der Expansion der Druckluft ist ein bekannter Ansatz der, dass man mit der Druckluft eine Turbine nicht direkt antreiben lässt, sondern dass der Druckluft ein Brenngas wie z.B. Erdgas beigemengt wird. Dieses verdichtete Brenngas/Luftgemisch wird gezielt verbrennt, um eine Gasturbine anzutreiben. Diese Gasturbine treibt in weiterer Folge einen Generator an, der Strom erzeugt. Durch die Verbrennung des Brenngas/Luftgemischs wird der Energieausstoß erhöht und die Vereisung verhindert. Nachteilig an diesem Konzept ist der Umstand, dass durch den Einsatz eines fossilen Brennstoffs C02 in die Atmosphäre frei gesetzt wird. Außerdem ist ein solches Kraftwerk abhängig von der Versorgung mit dem fossilen Brennstoff.

[0006] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Speicherung von Energie sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung bereit zu stellen, bei dem Verluste bei der Energiespeicherung stark vermindert sind und der Wirkungsgrad entsprechend wirtschaftlichen Anforderungen erhöht wird. Gleichzeitig soll das Speicherkraftwerk klimaneutral sein und auch als Energielangzeitspeicher dienen können.

[0007] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Speicherung von Energie gelöst, umfassend einen Druckspeicher mit konstantem Volumen, eine mittels elektrischer Energie betreibbare Arbeitsmaschine und eine Strömungsmaschine, wobei an die Strömungsmaschine ein elektrischer Generator koppelbar ist, wobei der Druckspeicher mit einem 1 /7 österreichisches Patentamt AT 13 733 Ul 2014-07-15

Vordruck beaufschlagt ist, wobei zur Speicherung von Energie, mit der Arbeitsmaschine eine Flüssigkeit in den Druckspeicher einbringbar ist, während das Volumen des Druckspeichers konstant bleibt, wobei die Strömungsmaschine mit dem Druckspeicher gekoppelt ist und zur Erzeugung von elektrischer Energie die Flüssigkeit aus dem Druckspeicher ablassbar ist, so-dass die Strömungsmaschine angetrieben wird.

[0008] Ein Druckspeicher, dessen Volumen im Wesentlichen konstant bleibt, wird also mit einem Vordruck, der über dem Normaldruck (1 bar) liegt, beaufschlagt. Zur Speicherung von Energie wird in diesen vorgeladenen Druckspeicher zusätzlich eine Flüssigkeit eingebracht, indem der Druckspeicher über eine Leitung mit einer Arbeitsmaschine verbunden ist und die Arbeitsmaschine aus einem Flüssigkeitsreservoir, beispielsweise einem Wasserreservoir, Flüssigkeit in den Druckspeicher befördert. Der Druckspeicher ist ein gasdichter und flüssigkeitsdichter Behälter. Durch das zusätzliche Einbringen der Flüssigkeit steigt der vorhandene Druck im Druckspeicher an, sodass die gespeicherte potentielle Energie zunimmt. Bei einem Überschuss an elektrischer Energie kann so über die Arbeitsmaschine diese in potentielle Energie umgewandelt und gespeichert werden.

[0009] Falls elektrische Energie benötigt wird, kann aus dem Druckspeicher unter Druck stehende Flüssigkeit abgelassen werden und eine Strömungsmaschine antreiben. Diese ist an einen elektrischen Generator gekoppelt und erzeugt so elektrischen Strom, der in ein öffentliches Netz gespeist werden kann.

[0010] Im einfachsten Fall ist vorgesehen, dass die Arbeitsmaschine eine Pumpe aufweist.

[0011] Weiters kann vorgesehen sein, dass die Strömungsmaschine eine Turbine aufweist. Typische Turbinen, wie beispielsweise Peltonturbine, Francisturbine etc. kommen in Frage.

[0012] In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Arbeitsmaschine und die Strömungsmaschine eine Einheit bilden bzw. dass die Strömungsmaschine die Funktion der Arbeitsmaschine übernimmt. Ein Beispiel hiefür wäre ein Francisturbine, die sowohl als Pumpe als auch als Turbine betrieben werden kann.

[0013] Die Vorrichtung kann einen an die Strömungsmaschine gekoppelten elektrischen Generator aufweisen. In einer weiteren Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Arbeitsmaschine sowohl die Funktion eines Generators als auch die eines Motors übernimmt. Die angekoppelte Strömungsmaschine kann in ihrer Bauart so ausgeführt sein, dass sie, je nach Flussrichtung der Flüssigkeit sowohl als Pumpe als auch, als Druck abbauende Turbine, funktioniert. Eine Umschaltung der Funktion erfolgt dabei durch einfaches Umschalten von Ventilen.

[0014] Im einfachsten Fall ist vorgesehen, dass der Druckspeicher mit Luft beaufschlagt ist. In einer Ausführungsvariante kann allerdings vorgesehen sein, dass der Druckspeicher nicht mit reiner Luft beschlagt ist, sondern mit einem Gas oder Gasgemisch, das bei einem bestimmten Überdruck und bei 23 °C vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand übergeht. Damit verringert es, bei gleich bleibendem Systemdruck sein Volumen und macht kontinuierlich Platz für weiter eingeleitetes flüssiges Arbeitsmedium. Im Idealfall sind solche Gase/Gasgemische vorgesehen, die bei 23 ‘C und Drücken von unter 30 bar, vorzugsweise unter 20 bar flüssig sind. Bevorzugt kommen dabei solche Gase/Gasgemische in Frage, die im flüssigen Zustand mit Wasser nicht mischbar oder nur wenig mischbar sind. In Frage kommen Gase, beispielsweise Propan, Butan oder Mischungen daraus.

[0015] In einer weiteren Ausführung des kann die Druckbeaufschlagung mit einem Gas/Gas-gemisch erfolgen, welches mit einer flüssigen Phase im mischbar ist. Beispielsweise mit kann C02 in einem Mix von flüssigem und gasförmigen Aggregatzustand für die Aufrechterhaltung des Systemdruckes - in diesem Fall von 5,73MPa - verwendet werden. Die Volumensänderung zwischen beiden Aggregatzuständen des C02 beträgt 1:945. Durch die hohe Löslichkeit von C02 im Arbeitsmedium Wasser ist eine Trennung der beiden Medien beispielsweise durch eine gasdichte Folie in Form eines verformbaren Ballons, welches dicht abgeschlossen mit C02 gefüllt ist vorgesehen. Vorteilhaft in beiden zuletzt genannten Ausführungen ist der nahezu konstante Systemdruck in einem weiten Bereich des Füllzustandes des Speichers. 2/7 österreichisches Patentamt AT13 733U1 2014-07-15 [0016] Die oben gestellte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Speicherung von Energie gelöst, welche einen Druckspeicher umfasst, wobei zur Speicherung von Energie, eine Arbeitsmaschine, welche mit elektrischer Energie betrieben wird, eine Flüssigkeit in den Druckspeicher einbringt, während das Volumen des Druckspeichers konstant bleibt, sodass der Druck im Druckspeicher erhöht wird, wobei der Druckspeicher vor dem Einbringen der Flüssigkeit mit einem Gasdruck beaufschlagt ist, wobei zur Erzeugung von elektrischer Energie die Flüssigkeit aus dem Druckspeicher ausgelassen wird und dabei eine Strömungsmaschine antreibt, die mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist.

[0017] Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Gasdruck zumindest 10 bar, vorzugsweise zumindest 30 bar, besonders bevorzugt zumindest 50 bar bei 20 °C beträgt.

[0018] Die Erfindung betrifft weiters die Verwendung einer Vorrichtung der zuvor genannten Art zum Bereitstellen von Regelleistung.

[0019] Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Regeln eines Stromnetzes, wobei bei einem Stromüberschuss potentielle Energie in einer Vorrichtung zur Speicherung von Energie der zuvor genannten Art gespeichert wird und wobei zum Bereitstellen von Regelleistung potentielle Energie aus der Vorrichtung in elektrischen Strom umgewandelt wird.

[0020] Die Regelleistung, auch als Reserveleistung oder unpräzise als Regelenergie bezeichnet, gewährleistet die Versorgung der Stromkunden mit genau der benötigten elektrischen Leistung bei unvorhergesehenen Ereignissen im Stromnetz. Dazu können kurzfristig Leistungsanpassungen bei regelfähigen Kraftwerken durchgeführt werden, schnell anlaufende Kraftwerke (z. B. Gasturbinenkraftwerke) gestartet oder Pumpspeicherkraftwerke eingesetzt werden. Alternativ können bestimmte Stromkunden mit Laststeuerung kurzfristig vom Netz getrennt werden.

[0021] In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Druckspeicher nicht durch eine Pumpe aufgeladen wird. Es könnte beispielsweise der Druck von Wasser aus einem Wasserkraftwerk verwendet werden. Beispielsweise könnte der Druckspeicher über das Druckwasser aufgeladen werden und bei Bedarf dann Regelleistung abgeben.

[0022] Beispielsweise erfolgt bei einer 10 Stunden lang Aufladung (z.B 100kWh/Stunde) über das Druckwasser bei Bedarf dann eine Energieabgabe als Regelleistung von 1000 kWh innerhalb einer Stunde.

[0023] Weitere Vorteile und Details der Erfindung werden nachfolgend näher erläutert.

[0024] Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

[0025] Fig. 2 und 3 zeigen Ausführungsvarianten für den Druckspeicher.

[0026] Fig 1 zeigt schematisiert ein erfindungsgemäßes Speicherkraftwerk. Dieses umfasst einen Druckspeicher 1 mit konstantem Volumen, der beispielsweise ein Stollen in einem Berg sein kann. Der Druckspeicher 1 in Form eines Druckstollens ist gasdicht und flüssigkeitsdicht ausgebildet und wird vor Inbetriebnahme unter Druck gesetzt. Der Gasdruck ist abhängig von der statischen und dynamischen Belastbarkeit des Speicherraumes, beträgt aber bei 20°C bevorzugt zumindest 10 bar, idealerweise zumindest 50 bar.

[0027] Weiters ist eine mittels elektrischer Energie betreibbare Arbeitsmaschine 4 vorgesehen, die über eine Leitung 3 den Druckspeicher 1 mit dem Flüssigkeitsreservoir 8 verbindet. Die Arbeitsmaschine 4 ist als Pumpe ausgebildet. Ist ein Überschuss an elektrischer Energie vorhanden, so pumpt zur Speicherung von Energie die Pumpe 4 Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir 8 in den Druckspeicher. Die Flüssigkeit ist im einfachsten Fall Wasser. Durch das Einbringen von Flüssigkeit 2 in den Druckspeicher steigt der Druck an und damit auch die potentielle Energie, während das Volumen des Druckspeichers konstant bleibt.

[0028] Ebenfalls über die Leitung 3 ist der Druckspeicher 1 mit der Strömungsmaschine 7 gekoppelt, die wiederum an einen elektrischen Generator 9 gekoppelt ist. wobei die Strömungsmaschine 7 mit dem Druckspeicher 1 gekoppelt ist und zur Erzeugung von elektrischer Energie die Flüssigkeit aus dem Druckspeicher 1 abgelassen wird, sodass die Strömungsma- 3/7 österreichisches Patentamt AT13 733U1 2014-07-15 schine 7 angetrieben wird. Die Strömungsmaschine 7 kann eine Turbine, wie zum Beispiel eine Francis- oder Peltonturbine, sein. Über die Ventile 4, 6 wird der Zustrom und Abstrom aus dem Druckspeicher 1 geregelt.

[0029] Fig. 2 zeigt einen Druckspeicher 1 mit einem vom Flüssigkeitsraum 2’ abgetrennten Gasraum. Eine solche Ausgestaltung bietet sich zum Beispiel bei ausgedehnten Druckspeichern 1 wie einem Hochdruck-Gasübertragungsnetz an. Ansonsten kann der Aufbau zum Beispiel dem von Fig. 1 entsprechen.

[0030] Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass anstelle einer Kompression von Luft von Normaldruck auf Speicherdruck beispielsweise 1:50 bis 1:100, bei der große Mengen Abwärme entstehen, der Druck nur beispielsweise 1:2 erhöht wird, und zwar in der Form, dass der Speicher erstmalig mit einem Vordruck von beispielsweise 50 bar ausgestattet wird und die Energiespeicherung über das Medium Wasser, das in diesen Vordruckspeicher eingepumpt wird, erfolgt. Die Abarbeitung der gespeicherten Energie erfolgt in umgekehrter Weise wieder über das flüssige Medium, vorzugsweise Wasser, in einer Turbine, beispielsweise Pelton-Turbine. Da bei der Abarbeitung anstelle eines expansionsfähigen und dadurch abkühlungsfähigem, gasförmigen Mediums eine inkompressible Flüssigkeit verwendet wird, kann auch keine Vereisung der Turbine erfolgen. Durch die, um den Faktor 770 höhere Dichte von Wasser, gegenüber Luft, ist auch die Turbinengröße, bei gleicher Ausgangsleistung deutlich kleiner, als bei einer Gasturbine mit gleichem Gewichstmenge Luft.

[0031] Als Speicher für die Druckspeicherung (Aufrechterhaltung und Konstanthaltung des Systemdruckes) kann auch ein öffentliches Netz, wie z.B. das Hochdruck- Gasübertragungsnetz, das in Deutschland 144 000 km lang ist und flächendeckend verfügbar ist, verwendet werden und für ein erfindungsgemäßes Speicherkraftwerk eingesetzt werden. In diesem Fall ist nur mehr ein druckfester Raum für den Wasserbehälter zu installieren. Der Energieaustausch erfolgt dabei für das Gasnetz energieneutral, da das Einbringen des Speichermediums Wasser gleichzusetzen ist mit „Aufladen“ und das Abarbeiten der Wassermenge mit „Entladen“. Der Vorteil ist, dass im Vergleich des Volumens des Gasnetzes zu den Wasserspeichern ein um viele Potenzen höheres Volumen-Verhältnis besteht, daher der Druck konstant bleibt und kein zusätzliches Raumvolumen für die Druckreserven bereit gestellt werden muss.

[0032] Fig. 3 zeigt einen Druckspeicher 1 mit einem Flüssigkeitsraum 2 und einem ballonförmigen Folienbehältnis 11 in dem beispielsweise C02 in gasförmigem 13 und flüssigem 12 Aggregatzustand die Aufrechterhaltung eines konstanten Systemdruckes, beispielsweise 5,73Mp ermöglicht. Ansonsten kann der Aufbau zum Beispiel dem von Fig. 1 entsprechen. 4/7

Claims (10)

1. österreichisches Patentamt AT13 733U1 2014-07-15 Ansprüche 1. Vorrichtung zur Speicherung von Energie, umfassend einen Druckspeicher (1) mit konstantem Volumen, eine mittels elektrischer Energie betreibbare Arbeitsmaschine (4) und eine Strömungsmaschine (7), wobei an die Strömungsmaschine (7) ein elektrischer Generator (9) koppelbar ist, wobei der Druckspeicher (1) ein ballonförmiges Folienbehältnis (11) aufweist und mit einem Gasvordruck beaufschlagt ist, wobei zur Speicherung von Energie, mit der Arbeitsmaschine (4) eine Flüssigkeit in den Druckspeicher (1) einbringbar ist, während das Volumen des Druckspeichers (1) konstant bleibt, wobei die Strömungsmaschine (7) mit dem Druckspeicher (1) gekoppelt ist und zur Erzeugung von elektrischer Energie die Flüssigkeit aus dem Druckspeicher (1) ablassbar ist, sodass die Strömungsmaschine (7) an-treibbar ist.
2. 2. Speicherkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (4) eine Pumpe aufweist.
3. 3. Speicherkraftwerk nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine (7) eine Turbine aufweist
4. 4. Speicherkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (4) und die Strömungsmaschine (7) eine Einheit bilden bzw. dass die Strömungsmaschine (7) die Funktion der Arbeitsmaschine (4) übernimmt.
5. 5. Speicherkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (1) mit einem bei überkritischen Druck verflüssigbarem Gas beaufschlagt ist.
6. 6. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Speicherung von Energie, welches einen Druckspeicher (1) umfasst, wobei zur Speicherung von Energie, eine Arbeitsmaschine (4), welche mit elektrischer Energie betrieben wird, eine Flüssigkeit in den Druckspeicher (1) einbringt, während das Volumen des Druckspeichers (1) konstant bleibt, sodass der Druck im Druckspeicher (1) erhöht wird, wobei der Druckspeicher (1) vor dem Einbringen der Flüssigkeit mit einem Gasvordruck beaufschlagt ist, wobei zur Erzeugung von elektrischer Energie die Flüssigkeit aus dem Druckspeicher (1) ausgelassen wird und dabei eine Strömungsmaschine (7) antreibt, die mit einem elektrischen Generator (9) gekoppelt ist.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasvordruck zumindest 10 bar, vorzugsweise zumindest 30 bar, besonders bevorzugt zumindest 50 bar beträgt.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (1) mit einem, bei überkritischen Druck verflüssigbarem Gas beaufschlagt ist.
9. 9. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Bereitstellen von Regelleistung.
10. 10. Verfahren zum Regeln eines Stromnetzes, wobei bei einem Stromüberschuss potentielle Energie in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gespeichert wird und wobei zum Bereitstellen von Regelleistung potentielle Energie aus einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in elektrischen Strom umgewandelt wird. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 5/7