SYSTEM ZUR ENERGIESPEICHERUNG UND -RÜCKGEWINNUNG

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung umfassend mindestens einen Druckluftbehälter (1), mindestens einen mit dem Druckluftbehälter (1) in Verbindung stehenden Druckwasserbehälter (2), mindestens eine mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter (2) in Wirkverbindung stehende Turbine (3a), wobei die Turbine (3a) eine Peltonturbine ist, einen Generator (4) zur Erzeugung elektrischer Energie, welcher eingerichtet ist zur Erzeugung von elektrischer Spannung und welcher an einen Frequenzumrichter (4a) angeschlossen ist, zur Erzeugung einer gleichbleibenden Spannung und Frequenz, wobei der Frequenzumrichter (4a) eine Schnittstelle aufweist zur Verbindung mit einem öffentlichen Stromnetz (S) und eine Hochdruckpumpe (11) zur Förderung von Wasser aus einem Wasserspeicher (9) in den Druckwasserbehälter (2), wobei der mindestens eine Druckluftbehälter (1) permanent im Druckgleichgewicht mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter (2) steht, derart, dass während der Energiespeicherung und -rückgewinnung der Druck im mindestens einen Druckluftbehälter (1) gleich dem Druck im mindestens einen Druckwasserbehälter (2) ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

[0002] Neue Entwicklungen im Bereich der alternativen Energien, insbesondere die der diskontinuierlichen Prozesse, wie Solarenergie oder Windenergie, haben zu der Situation geführt, dass einerseits Betriebszeiten gegeben sind, in denen die erzeugte Energie den vorliegenden Bedarf zum Teil erheblich übersteigt, andererseits solche, in denen es an der erforderlichen und abgefragten Energie völlig oder mindestens teilweise fehlt. Diese Schwankungen haben den Bedarf an geeigneten Speichermöglichkeiten für Überschussenergie akut werden lassen.

[0003] Damit richten sich die Entwicklungsbemühungen gezielt auf Vorgänge, in denen die elektrische Energie zunächst in einen anderen Energieträger umgewandelt und aus diesem wieder zurückgewonnen werden kann.

[0004] Eine dieser Vorgänge ist die Hydrolyse, bei der aus Wasser dessen Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff gewonnen werden. Wegen des schwierigen Umgangs mit chemisch aktivem Wasserstoff bieten sich diese Verfahren, die im Allgemeinen auch einen großen verfahrenstechnischen Aufwand erfordern, für die breite Verwendung zur elektrischen Energiespeicherung und Rückgewinnung nicht an.

[0005] Die Speicherung elektrischer Energie in elektrischer Form ist bisher nur in Akkumulatoren möglich, in denen ein Übergang von elektrischen zu chemischen Prozessen herbeigeführt wird. Es ist aber noch nicht gelungen, Geräte zu schaffen, in denen das Speichervolumen hoch und das Bauvolumen gering ist. Für die Speicherung großer Energiemengen oder dezentrale zahlreiche Anordnungen von Speichereinheiten bilden derartige Geräte daher noch keine geeignete Lösung.

[0006] Weitere Verfahren sind darauf gerichtet, die anfallende elektrische Energie zunächst zur Verrichtung von Arbeit einzusetzen, mit welcher Speicher gefüllt werden, und die Rückgewinnung ebenfalls über den Zwischenvorgang der Arbeitsverrichtung auszuführen. Solche Verfahren werden z.B. in Pumpspeicherkraftwerke, Talsperren, hydropneumatische Speicherkraftwerke, die in stillgelegten Kavernen oder Bergwerken untergebracht sind, eingesetzt. Die Speicherung erfolgt zum Teil mit Druckluft oder Erdgas oder in Kombination mit Wasser, das zur Kühlung in die Gase eingespritzt wird.

[0007] Die derzeit verfügbaren Energiespeicher reichen zur Speicherung der durch erneuerbare Energieerzeuger verursachten Schwankungen bei weitem nicht aus. Gleichzeitig reichen die klassischen Energiespeicher wie Pumpspeicherkraftwerk oder Talsperren nicht aus und sind aus umwelttechnischen Gründen nur schwer realisierbar.

[0008] Ein Verfahren, in dem Luft komprimiert und zur Rückgewinnung der Energie wieder in verdichteter oder Druckluftmotoren eingesetzt wird, beschreibt die DE 27 17 679 A. Nachteilig für ein solches Verfahren ist die Tatsache, dass Luft als Energieträger für Arbeitsmaschinen einen verhältnismäßig niedrigen Wirkungsgrad hat und nur effektiv wirkt, wenn sie in hohen Mengen durchgesetzt werden kann, welche sich aber in den bei der Energiespeicherung gegebenen Bedingungen kaum erzeugen lassen.

[0009] Ein weiteres Verfahren zeigt die WO 2006/084748 A1. Dabei werden verformbare oder komprimierbare Teile in Wasserbehältern unter Druck gesetzt und verformt. Wird Energie benötigt, wird das Wasser entnommen, welches unter Druck steht und dadurch Geräte antreiben kann. Nachteilig bei dieser Gestaltung ist, dass der Druck an den verbrauchenden Geräten mit dem Wasserdruck im Speicher nicht linear sinkt und dass sich mit der Gestaltung ein sehr hoher Aufwand verbindet.

[0010] Ein weiteres Speicherverfahren zeigt die DE601 18 987 T2. Diese Methode ist für kleine Speicher wie z.B. an Fahrzeugen geeignet. Für Speicherkraftwerke die ein großes Speichervolumen benötigen ist das Verfahren nicht anwendbar.

[0011] Aus DE 102011082726 A1 sind Konstruktionen für Speicher bekannt. Für den Bau von Speicherkraftwerken sind diese Druckspeicher auf Grund der aufwändigen Konstruktion und dem geringen Speichervolumen nicht einsetzbar.

[0012] Aus DE 10 2013 112 196 A1 ist ein Druckluftspeicherkraftwerk bekannt. Druckluftspeicherkraftwerke haben auf Grund der physikalischen Gegebenheiten schlechte Wirkungsgrade. Die Komprimierung eines Gases wie z.B. Luft ist immer mit großen Wärmeentwicklungen verbunden. Bei der Entspannung entsteht dann wiederum Kälte die gespeichert oder zurückgewonnen werden muss. Die beschriebene Kombination zwischen Druckluftspeicher und Druckwasserspeicher zeigt einen praktikablen Weg auf. Bei dem beschriebenen Verfahren wird allerdings die Druckluft vor der erneuten Füllung des Wasserspeichers entspannt und erneut mit frischer Druckluft unter Druck gesetzt. Damit wird viel Energie zur Komprimierung der Druckluft bei einem schlechten Wirkungsgrad benötigt.

[0013] US 2012/0279209 A1 beschreibt eine unter Atmosphärenbedingungen arbeitenden Vorrichtung, ein Gas in einen druckfesten Behälter unter hohem Druck zu fördern und es daraus anschließend stufenweise auf Flüssigkeiten in geschlossenen hydraulischen Apparaten wirken zu lassen, bis es auf Atmosphärendruck entspannt ist. Nachteil ist in diesem Vorgang, dass zu einer nötigen steten Wiederholung wieder erheblicher Energieaufwand für die Komprimierung des Gases und den Betrieb der hydraulischen Geräte erforderlich ist.

[0014] Aus DE 102013018741 A1 ist ein System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung bekannt, bei welchem überschüssige Energie in einem Stromnetz mittels Druckluft in einem Druckluftbehälter gespeichert wird. Die Energierückgewinnung erfolgt dadurch, dass die Druckluft in einen Wasserbehälter geleitet wird, wodurch das Wasser durch eine Turbine geleitet wird und entspannt wird. Der von der Turbine angetriebene Generator erzeugt Strom, der einem Stromnetz zugeführt wird.

[0015] Aus WO 2011/101647 A2 ist ein System bekannt zur Energiespeicherung und - rückgewinnung mit Druckluft- und Druckwasserbehältern sowie einer Peltonturbine und einem mit dieser verbundenen Generator zur Stromerzeugung.

[0016] Aus FR 3 012 537 A1 und EP 0 230 636 A1 ist die Verwendung einer Peltonturbine mit einem Frequenzumrichter bekannt.

[0017] Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zur Energiespeicherung- und rückgewinnung anzugeben, mit welchem trotz variabler Drehgeschwindigkeit einer Peltonturbine eine Stromeinspeisung mit konstanter, vorgegebener Frequenz in ein öffentliches oder nichtöffentliches Stromnetz möglich ist.

[0018] Diese Aufgabe wird mit dem System gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

[0019] Die Erfindung geht aus von einem System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung. Das System umfasst hierbei mindestens einen Druckluftbehälter, mindestens einen mit dem Druckluftbehälter in Verbindung stehenden Druckwasserbehälter, mindestens eine mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter in Wirkverbindung stehende Turbine. Die Turbine ist hierbei eine Peltonturbine. Ferner umfasst das System einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, welcher eingerichtet ist zur Erzeugung von elektrischer Spannung Der Generator ist hierbei an einen Frequenzumrichter angeschlossen, zur Erzeugung einer gleichbleibenden Spannung und Frequenz. Der Frequenzumrichter weist eine Schnittstelle auf zur Verbindung mit einem öffentlichen Stromnetz. Das System umfasst schließlich eine Hochdruckpumpe zur Förderung von Wasser aus einem Wasserspeicher in den Druckwasserbehälter.

[0020] Gemäß der Erfindung steht der mindestens ein Druckluftbehälter permanent im Druckgleichgewicht mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter derart, dass während der Energiespeicherung und -rückgewinnung der Druck im mindestens einen Druckluftbehälter gleich dem Druck im mindestens einen Druckwasserbehälter ist.

[0021] Unter dem Begriff Wirkverbindung wird im Weiteren verstanden, dass der Druckwasserbehälter direkt mit der Turbine verbunden ist. Das bedeutet, dass das aus dem Druckwasserbehälter ausströmende Wasser direkt an die Turbine geführt wird und diese antreibt. Die in Wirkverbindung mit dem Druckwasserbehälter stehende Turbine wird somit eben nicht durch eine andere Turbine angetrieben. Mit anderen Worten, die Gleichdruckturbine steht in Wirkverbindung mit dem Druckwasserbehälter und wird von dem ausströmenden Wasser angetrieben.

[0022] Mit dem erfindungsgemäßen System wird ein Wirkungsgrad von mehr als 75%, insbesondere mehr als 85% erzielt. Diese Wirkungsgrade können insbesondere bei Leistungen von mehr als 80MW erreicht werden.

[0023] Die erfindungsgemäße Kombination eines Generators und eines Frequenzumrichters stellt sicher, dass trotz der Drehzahlschwankungen der Peltonturbine, hervorgerufen durch schwankende Einlaufdrücke, eine gleichbleibende Spannung und Frequenz erzeugt und an das öffentliche Stromnetz abgegeben werden kann. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Peltonturbine nicht als Gleichdruckturbine mit gleichbleibenden Einlaufdrucken sondern mit schwankenden Einlaufdrücken betrieben ist. Dies hat Drehzahlschwankungen zur Folge, welche wiederum Spannungsschwankungen und Frequenzschwankungen im Generator verursachen. Diese Spannungs- und Frequenzschwankungen werden erfindungsgemäß mittels eines Frequenzumrichters der auf den Generator abgestimmt ist, ausgeglichen. Somit steht trotz der Druckschwankungen eine gleichbleibende Spannung und Frequenz zur Verfügung.

[0024] Wie bereits oben erläutert, sind die schwankenden Drucke am Eingang der Peltonturbine dem sinkenden Druck in dem Druckwasserbehälter geschuldet, wenn zur Energieerzeugung Wasser aus dem Druckwasserbehälter entnommen wird.

[0025] Mit dem erfindungsgemäßen System können Investitionskosten reduziert und ein Wirkungsgrad von bis zu 95 % erreicht werden.

[0026] Bei mehreren Druckwasserbehältern kann eine Verbindungsleitung vorhanden sein, welche die Auslasse der Druckwasserbehälter miteinander verbindet, wobei die Druckwasserbehälter derart zueinander angeordnet sind, dass die Verbindungsleitung ein Gefälle aufweist und an ihrem tiefsten Punkt (z.B. Sammler, Wasserschloss) mit dem Einlass der Turbine verbunden ist (z.B. Tauchrohr).

[0027] Zwischen einem Auslass eines Druckluftbehälters und einem Einlass eines Druckwasserbehälters kann genau eine Druckleitung vorhanden sein, welche ausgebildet ist, bei Energiespeicherung Druckluft vom Druckwasserbehälter zum Druckluftbehälter und bei Energierückgewinnung Druckluft vom Druckluftbehälter zum Druckwasserbehälter zu leiten. Die Leitung ist derart dimensioniert, dass bei Bersten eines Druckluftbehälters nur ein geringes Volumen ausströmen kann und somit nur ein geringer Nachschub an Druckluft nötig ist. In der Verbindungsleitung zwischen dem Druckluftbehälter und dem Druckwasserbehälter kann eine Absperrvorrichtung angeordnet sein, welche eingerichtet ist bei einem plötzlichen Druckabfall die Verbindungsleitung zu schließen. Damit wird sichergestellt, dass beim Bersten eines Druckluftbehälters oder eines Druckwasserbehälters nicht die gesamte gespeicherte Druckluft entweichen kann.

[0028] Bei mehreren Druckluftbehältern kann eine Verbindungsleitung vorhanden sein, welche die Auslasse mehrerer Druckluftbehälter miteinander verbindet, wobei die mehreren Druckluftbehälter derart zueinander angeordnet sind, dass die Verbindungsleitung ein Gefälle aufweist und an ihrem tiefsten Punkt mit einem Einlass eines Druckwasserbehälters verbunden ist. Damit ist sichergestellt, dass in den Druckluftbehältern entstandenes Kondensat durch die Verbindungsleitung in den Druckwasserbehälter fließt. Hierbei ist es somit möglich, dass mehrere Druckluftbehälter einem einzelnen Druckwasserbehälter zugeordnet sind. Umfasst das System auch mehrere Druckwasserbehälter so ist hierbei sichergestellt, dass beim Bersten eines Druckluft- und/oder Druckwasserbehälters nicht das gesamte im System gespeicherte Druckvolumen entweichen kann. Mit anderen Worten, in dieser Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße System mehrere Gruppen von Druckbehältern, wobei jede Gruppe aus mehreren Druckluftbehältern und einem Druckwasserbehälter besteht. Bei der Fehlfunktion einer Gruppe kann das System durch Trennung der betroffenen Gruppen mittels Absperrschieber, weiterhin auf die anderen Gruppen zugreifen.

[0029] Der Druckluftbehälter und der Druckwasserbehälter sind derart miteinander verbunden, dass ein ständiger Druckausgleich zwischen den beiden Behältern stattfindet, so dass während der Energiespeicherung als auch während der Energiegewinnung der Druck in den beiden Behältern immer ausgeglichen ist, d.h. zwischen dem Druckwasserbehälter und dem Druckluftbehälter besteht ein Druckgleichgewicht. Dies bedeutet also, dass bei Energiespeicherung, d.h. Wasser wird in den Druckwasserbehälter eingeleitet, der Druck im Gesamtvolumen des Druckwasserbehälters einerseits stets ansteigt, andererseits der Druck im Gesamtvolumen des Druckwasserbehälters stets identisch ist zum Druck im Druckluftbehälter. Bei der Energierückgewinnung, d.h. Wasser wird aus dem Druckwasserbehälter hinausgeleitet, sinkt der Druck im Gesamtvolumen des Druckwasserbehälters einerseits stets ab, andererseits ist der Druck im Gesamtvolumen des Druckwasserbehälters stets identisch zu dem Druck im Druckluftbehälter. Insbesondere ist ein Druckluftbehälter und ein Druckwasserbehälter über genau eine Druckleitung verbunden, welche ausgebildet ist, bei Energiespeicherung Druckluft vom Druckwasserbehälter zum Bei der Energierückgewinnung wird Wasser aus dem Druckwasserbehälter der Peltonturbine zugeführt. Ein Generator, der an der Antriebswelle der Peltonturbine angeschlossen ist erzeugt Energie, welcher einem angeschlossenen öffentlichen oder nichtöffentlichen Stromnetz zugeführt wird. Durch die abnehmende Wassermenge bei konstantem Volumen der Behälter sinkt der Druck in dem Druckwasserbehälter. Aufgrund des Druckausgleichs zwischen Druckwasserbehälter und Druckluftbehälter herrscht in beiden Behältern zu jedem Zeitpunkt identischer Druck. Dieser Druck sinkt bei abnehmender Wassermenge im Druckwasserbehälter und im Druckluftbehälter kontinuierlich bis zu einem vorgebbaren Minimalwert ab.

[0030] Das vorgeschlagene System arbeitet mit Betriebsdrucken bis 500 bar. Bei entsprechender Auslegung der Druckbehälter (Druckwasserbehälter, Druckluftbehälter) sind sogar Drücke bis 1000 bar möglich. Dadurch wird eine hohe Energiedichte erzielt, die auf kleinstem Raum gespeichert werden kann. Auf diese Weise sind z.B. Leistungen zwischen 2 und 450 MW möglich. Durch Erweiterung, d.h. Vergrößerung der Druckluftbehälter und Druckwasserbehälter können beliebige Energiemengen wesentlich kostengünstiger als bei bisher bekannten Speichersystemen gespeichert werden. So ist es z.B. möglich, dass das Volumenverhältnis zwischen Druckwasserbehälter und Druckluftbehälter 1:1, 1:2, 1:3 oder 1:4 und mehr beträgt.

[0031] Das vorgeschlagene System arbeitet im Wesentlichen mit umlaufendem Wasser, das durch die Peltonturbine entspannt und mit Hilfe von Hochdruckpumpen in den Druckwasserbehälter zurückgepumpt wird. Das System arbeitet mit einer geringen Menge an Ergänzungsluft. Ergänzungsluft kann aufgrund von Leckagen im Drucksystem nötig werden und bei Bedarf in die jeweiligen Behälter nachgefüllt werden. Die benötigte Menge wird während des Betriebes des vorgeschlagenen Systems über die Steuereinheit ermittelt und über einen Druckluftspeicher zugeführt.

[0032] Es kann eine Vergleichseinrichtung vorgesehen sein zum Vergleichen des momentanen Drucks im Druckwasserbehälter und/oder des momentanen Drucks im Druckluftbehälter und der momentanen Wassermenge im Druckwasserbehälter mit einem Solldruckwert. Die Vergleichseinrichtung ist derart ausgebildet, dass in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs dem Druckluftbehälter Druckluft aus einem Druckluftspeicher (Windkessel) zugeführt wird. Die durch Leckage entwichene Luft wird somit durch Ergänzungsluft ausgeglichen. Insbesondere ist der Druckluftspeicher mit einem Kompressor verbunden zur Förderung von Außenluft in den Druckluftspeicher. Mit anderen Worten, der Druckluftbehälter wird ausschließlich über einen vorgelagerten Druckluftspeicher, welcher durch einen Kompressor befüllbar ist, mit Druckluft befüllt.

[0033] Mit Hilfe des Kompressors wird der Druck einmalig im Druckluftbehälter und Druckwasserbehälter vor Inbetriebnahme des Speicherkraftwerks je nach Auslegung auf einen Druck von 50, 100, 200 oder bis zu 1000 bar komprimiert. Nach Inbetriebnahme des Systems, d.h. während der Betriebsphase, in welcher das System als Kraftwerk zur Energiespeicherung und Energierückgewinnung genutzt wird, dient der Kompressor ausschließlich der Zuleitung von Druckluft in einen Druckluftspeicher, welcher dem Druckluftbehälter vorgeschaltet ist und nur dem Ersatz von Leckluft dient. Das Speicherkraftwerk kann somit bei Drucken von 50, 100, 200 oder bis zu 1000 bar betrieben werden.

[0034] Es kann eine Steuereinheit vorhanden sein, welche ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Auslastung eines mit dem System verbundenen oder verbindbaren öffentlichen oder nicht öffentlichen Stromnetzes, die Hochdruckpumpe mittels Strom aus dem öffentlichen Stromnetz anzusteuern, um Wasser aus einem Wasserspeicher in den Druckwasserbehälter zu pumpen, wenn im öffentlichen Stromnetz ein Energieüberschuss vorhanden ist. Druckwasser wird aus dem Druckwasserbehälter zur Turbine geleitet und der in dem an die Turbine angeschlossenen Generator erzeugte Strom dem öffentlichen Stromnetz zugeführt, wenn im öffentlichen Stromnetz ein Energiebedarf besteht. Mit dem vorgeschlagenen System kann so mit kurzen Reaktionszeiten entweder überschüssige Energie gespeichert oder gespeicherte Energie zur Verfügung gestellt werden.

[0035] Die Energiespeicherung erfolgt ausnahmslos durch Rückführung des Kreislaufwassers mit Hochdruckpumpen in die Druckwasserbehälter. Dieser Vorgang erfolgt nur mit überschüssiger Energie aus dem öffentlichen Stromnetz. Die erforderliche Druckluft wird ebenfalls nur mit überschüssiger Energie aus dem öffentlichen Stromnetz erzeugt. Das erfindungsgemäße System kann in ca. 65 sec. von 0 auf 100 % hochgefahren werden. Lastwechsel erfolgen im Sekundenbereich. Die Hochdruckpumpen können so ausgelegt sein, dass sie ca. 25 sec. aus dem Stillsand auf 100 % Leistung gefahren werden können. Das Volumen der Druckluftbehälter und der Druckwasserbehälter kann so ausgelegt sein, dass das erfindungsgemäße System über eine Dauer von bis zu 4 h die volle Auslegungsleistung liefern kann.

[0036] Diesbezüglich ist vorgeschlagen, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, für den Fall der Energierückgewinnung die von der Gleichdruckturbine erzeugte Leistung durch Öffnung oder Schließen von mit der Gleichdruckturbine verbundenen Leitwerke (Wassereinlaufdüsen) zu regeln.

[0037] Vorteil der vorgeschlagenen Systeme ist, dass es nur einen geringen Flächenbedarf in Anspruch nimmt und an jeder beliebigen Stelle in der Nähe von Hochspannungsleitungen, Windparks, Solaranlagen oder Großverbrauchern aufstellbar ist. Ferner benötigt das vorgeschlagene System keine zusätzlichen Ressourcen. Aus Gründen der Sicherheit sei hier angemerkt, dass das erfindungsgemäße Speichersystem, insbesondere die Druckbehälter, zweckmäßig unterirdisch verbaut ist. Insbesondere kann das erfindungsgemäße System auf flachem oder abfallendem Gelände, auf kleinstem Raum aufgebaut werden. Nach Einlassen der Druckluft- und Druckwasserbehälter in die Erde werden diese abgedeckt und als Grünfläche oder Ackerland wieder genutzt. Somit wird die Umwelt minimal belastet und Ressourcen gegenüber üblichen Systemen erheblich geschont. Durch Unterbringung des Wasserspeichers zur Aufnahme des aus dem Turbinensystem entspannten Wassers unter dem Gebäude zur Aufnahme der Turbinen wird auch dafür keine zusätzliche Fläche benötigt. Gleichzeitig wird das System vor Verunreinigungen geschützt.

[0038] Die Erfindung sowie weitere Vorteile der Erfindung werden im Weiteren anhand von einer Figur näher erläutert. Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes System zur Energiespeicherung- und rückgewinnung mit Peltonturbine und Frequenzumrichter.

[0039] Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes System zur Energiespeicherung- und rückgewinnung mit einer Gleichdruckturbine und beispielhaft vier Druckluftbehältern 1 und zwei Druckwasserbehältern 2. Jeder Druckbehälter 1, 2 ist zweckmäßig als einwandiger Behälter ausgeführt. Jeder Behälter 1, 2 kann ein Volumen von bis zu 300000 m³ aufweisen und für einen Druck von bis zu 1000 bar ausgelegt sein.

[0040] Jeder Druckluftbehälter 1 weist einen Einlass 1e für Druckluft und einen Auslass 1a für Druckluft auf. Der Einlass 1e eines Druckluftbehälters 1 steht in Verbindung mit einem Druckluftspeicher 18, welcher auch die Funktion eines Druckluftausgleichsbehälters übernimmt. Dieser Druckluftspeicher 18 ist mit einem Kompressor 17 verbunden, welcher komprimierte Außenluft dem Druckluftspeicher 18 zuführen kann. Die Stromversorgung des Kompressors 17 erfolgt durch ein an das System angeschlossenes oder anschließbares Stromnetz S. Das Nachfüllen von Druckluft aus dem Druckluftspeicher 18 in einen Druckluftbehälter 1 erfolgt, wie weiter unten erläutert, nach Bedarfsermittlung durch eine Steuer- und Vergleichseinheit 13.

[0041] Die Steuer- und Vergleichseinheit 13 ist über eine Datenleitung 16 mit einem Regelventil 19 verbunden. Dieses Regelventil 19 ist zwischen dem Druckluftspeicher 18 und dem Druckluftbehälter 1, insbesondere zwischen dem Ausgang des Druckluftspeicher 18 und dem Eingang 1e eines Druckluftbehälters 1, angeordnet. Die Figur zeigt ein einzelnes Regelventil 19, welches vor den Eingängen 1e der vier Druckluftbehälter 1 angeordnet ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass zur individuellen Ansteuerung eines jeden Druckluftbehälters 1 jeweils ein Regelventil 19 am Eingang 1e eines Druckluftbehälters 1 angeordnet ist. Damit ist sichergestellt, dass während des Betriebs des Systems der Druck in dem System konstant gehalten werden kann, z.B. bei 500bar. Mittels der Steuer- und Vergleichseinheit 13 kann, wie weiter unten erläutert, ausgehend von der im Druckwasserbehälter 2 mittels der Sensoren SN ermittelten Wassermenge und dem zur Verfügung stehenden Volumen im Druckluftbehälter 1 und im Druckwasserbehälter 2 die für einen vorgegebenen Druck, z.B. 500bar, benötigte Menge an Druckluft ermittelt werden, welche gegebenenfalls aus dem Druckluftspeicher 18 über das Regelventil 19 in den Druckluftbehälter 1 nachgefüllt werden muss. Mittels des Sensors SD wird der Druck in einem Druckluftbehälter 1 gemessen. Die Sensoren SD, SN sind somit entsprechend über Datenleitungen 16 mit dem Regelventil 19 und der Steuer- und Vergleichseinheit 13 verbunden.

[0042] Der Auslass 1a des Druckluftbehälters 1 ist über eine Druckleitung 5 mit dem Einlass 2e eines Druckwasserbehälters 2 verbunden. Nicht dargestellt sind Absperrventile welche zwischen dem Druckluftbehälter 1 und dem Druckwasserbehälter 2 angeordnet sind.

[0043] Ferner sind nicht dargestellt Druckluftturbinen, welche zwischen dem Auslass 1a des Druckluftbehälters 1 und dem Einlass des Druckwasserbehälters 2 angeordnet sind.

[0044] Der Ausgang 2a eines Druckwasserbehälters 2 ist über ein Absperrventil 6 und eine Druckleitung 5 mit dem Einlass E3a der Gleichdruckturbine 3a verbunden. Die Ausgänge 2a der Druckwasserbehälter 2 befinden sich jeweils an der tiefsten Stelle der Druckwasserbehälter 2. Ferner sind die Ausgänge 2a der Druckwasserbehälter 2 über eine gemeinsame Druckleitung 5 miteinander verbunden. Diese Druckleitung 5 weist ein Gefälle in Richtung der Turbine 3a auf.

[0045] Die Gleichdruckturbine 3a weist ein regelbares Leitwerk 7a auf, über welches der Auslaufdruck in die Gleichdruckturbine 3a und die Zulaufmenge in Gleichdruckturbine 3a reguliert werden kann. Dadurch kann die Ausgangsleistung der Turbine 3a geregelt werden. Hierzu sind die Einlaufleitwerke 7a über eine Datenleitung 16 mit der Steuer- und Vergleichseinheit 13 verbunden. Die Gleichdruckturbine 3a ist über eine gemeinsame Antriebswelle AW mit einem Generator 4 zur Energieerzeugung verbunden. Dieser Generator 4 ist an ein Stromnetz S angeschlossen oder mit einem Stromnetz S verbindbar.

[0046] Die Anordnung der Gleichdruckturbine 3a ist derart ausgebildet, dass das im Falle der Energierückgewinnung durch Gleichdruckturbine 3a geleitete Wasser aus dem Druckwasserbehälter 1 in einen Wasserspeicher 9 entspannt wird.

[0047] Der Wasserspeicher 9 weist eine Vorkammer 10 auf zur Entnahme des Wassers im Falle der Energiespeicherung. Diese Vorkammer 10 weist eine Öffnung 10a auf, welche derart ausgeführt ist, dass die untere Begrenzung dieser Einlauföffnung 10a oberhalb des Bodens der Vorkammer 10 angeordnet ist. Die obere Begrenzung der Öffnung 10a ist unterhalb des Wasserspiegels (nicht dargestellt) im Wasserspeicher 9 angeordnet. Durch die Begrenzung wird verhindert, dass Schwereteile im Wasser in die Vorkammer 10 gelangen. Durch Eintauchen der oberen Kante unter den minimalen Wasserspiegel wird verhindert, dass lufthaltiges Wasser in die Vorkammer gelangt, was zu Störungen der Hochdruckpumpe 11 und Verunreinigungen im Druckwasserbehälter 2 führen kann. Die Verunreinigungen können zu Störungen in der Gleichdruckturbine 3a führen. Ferner wird verhindert, dass der durch die Wasserentspannung von der Gleichdruckturbine 3a erzeugte Schaum durch Mikrobläschen im Wasser, in die Vorkammer 10 und zur Hochdruckpumpe 11 gelangt.

[0048] An die Vorkammer 10 ist eine Hochdruckpumpe 11 angeschlossen. Die Hochdruckpumpe 12 fördert über eine Verbindungsleitung 12 Wasser aus der Vorkammer 10 in die Druckwasserbehälter 2. Die Stromversorgung der Hochdruckpumpe 11 erfolgt dazu aus dem angeschlossenen oder anschließbaren Stromnetz S. Darüber hinaus ist in der Verbindungsleitung 12 zwischen Hochdruckpumpe 11 und Druckwasserbehälter 2 ein Rückschlagventil 8 vorgesehen. Dieses Rückschlagventil 8 dient dazu, dass der während der Energiespeicherung aufgebaute Druck im Druckwasserbehälter 2 keine Rückkopplung auf die Hochdruckpumpe 11 bewirkt. Selbstverständlich kann der Druckwasserbehälter 2 am Zugang 2a der Verbindungsleitung 12 in den Druckwasserbehälter 2 ein Absperrventil (nicht dargestellt) aufweisen.

[0049] Das System weist eine Steuer- und Vergleichseinheit 13 auf. Diese Steuer- und Vergleichseinheit 13 ist über eine Datenleitung 16 mit Drucksensoren SD im Druckluftbehälter 1 sowie mit Füllstandsensoren SN im Druckwasserbehälter 2 verbunden. Die Steuer- und Vergleichseinheit 13 umfasst eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des momentanen Drucks im Druckwasserbehälter 2 bzw. des momentanen Drucks im Druckluftbehälter 1 und der momentanen Wassermenge im Druckwasserbehälter 2 mit einem Solldruckwert. Die Steuer- und Vergleichseinheit 13 ist derart eingerichtet, dass in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs dem Druckluftbehälter 1 Druckluft aus dem Druckluftspeicher 18 über ein Regelventil 19 zugeführt wird.

[0050] Die Steuer- und Vergleichseinheit 13 ist mit einer Datenleitung 16 mit einem Netzrechner 15 eines angeschlossenen oder anschließbaren öffentlichen oder nicht öffentlichen Stromnetzes S verbunden. Über den Netzrechner 15 wird eine Anforderung an die Steuer- und Vergleichseinheit 13 gestellt, ob das System zur Energiegewinnung oder zur Energiespeicherung genutzt werden soll oder kann.

[0051] Hierzu ist die Steuer- und Vergleichseinheit 13 über eine Datenleitung 16 mit den regelbaren Einlaufleitwerken 7a der Gleichdruckturbine 3a verbunden. Damit ist es möglich, die vom Netzrechner 15 des öffentlichen Stromnetzes angeforderte Leistung an die Turbine 3a einzustellen. Ferner ist die Steuer- und Vergleichseinheit 13 über eine Datenleitung 16 mit dem Absperrventil 6 verbunden. Damit wird sichergestellt, dass nur im Falle der Energierückgewinnung das Absperrventil 6 geöffnet wird und eine Verbindung zwischen Druckwasserbehälter 2 und der Gleichdruckturbine 3a hergestellt ist.

[0052] Ferner ist die Steuer- und Vergleichseinheit 13 über eine Datenleitung 16 mit einem Steuergerät (nicht dargestellt) der Hochdruckpumpe 11 verbunden. Damit ist es möglich, die aus dem Stromnetz S dem System zur Verfügung gestellte überschüssige Energie bei Bedarf in Förderung von Wasser in den Druckwasserbehälter 2 umzusetzen.

[0053] Die Ausgänge 1a der beiden Druckluftbehälter 1 sind über eine Druckleitung 5 mit dem Eingang 2e eines Druckwasserbehälters 2 verbunden. Somit bilden zwei Druckluftbehälter 1 und ein Druckwasserbehälter 2 eine Gruppe (Speichergruppe). Selbstverständlich können auch mehrere Druckluftbehälter bzw. mehrere Druckwasserbehälter in einer Gruppe miteinander verbunden sein. Nicht dargestellt sind Absperrventile welche zwischen dem Eingang 2e eines Druckwasserbehälters 2 und einem Ausgang 1a eines Druckluftbehälters 1 innerhalb einer Gruppe vorhanden sind.

[0054] Die Druckwasserbehälter 2 der Gruppen sind an den Ausgängen 2a mit der Gleichdruckturbine 3a verbunden. Hierbei sind die Ausgänge 2a der Druckwasserbehälter über eine Druckleitung 5 miteinander verbunden, wobei die Druckleitung 5 in Richtung des Sammlers ein Gefälle aufweist.

[0055] Bei dem dargestellten System wird das erforderliche Wasser vor Inbetriebnahme des Systems in die Druckwasserbehälter 2 gefüllt. Zweckmäßig erfolgt die erstmalige Befüllung des Druckwasserbehälters 2 nachdem der bzw. die Druckluftbehälter 1 mit Druckluft gefüllt sind. Der erforderliche Druck im Druckluftbehälter 1 bzw. Druckwasserbehälter 2 wird mit Hilfe des Kompressors 17 erzeugt und durch den Druckluftspeicher 18 in den bzw. die Druckluftbehälter 1 gefüllt. Je nach gefordertem Betriebsdruck wird der Druck in dem Druckluftbehälter 1 und damit in dem Druckwasserbehälter 2 auf 10, 50, 100, 200 oder 1000 bar erhöht.

[0056] Durch Anforderung von Energie durch den Netzrechner des Stromnetzes S wird über die Steuer- und Vergleichseinheit 13 das Absperrventil 6 zwischen Druckwasserbehälter 2 und der Gleichdruckturbine 3a geöffnet und somit das unter Druck stehende Wasser im Druckwasserbehälter 2 der Gleichdruckturbine 3a zugeführt. Die Menge des in die Gleichdruckturbine 3a strömenden Wassers wird über die Steuer- und Vergleichseinheit 13 geregelt. Dadurch wird die von der Gleichdruckturbine 3a erzeugte Leistung geregelt. Der an die Gleichdruckturbine 3a gekoppelte Generator 4 erzeugt die vom Netzrechner 15 des Stromnetzes S angeforderte Energiemenge und speist diese in das Stromnetz S ein.

[0057] Es ist somit möglich, dass die Steuer- und Vergleichseinheit 13 die Energierückgewinnung und die Energiespeicherung im System regelt. Die Steuer- und Vergleichseinheit 13 erhält über entsprechende Datenleitungen 16 vom Netzrechner 15 des Stromnetzes S Vorgaben bezüglich der jeweiligen Betriebsphase, d.h. ob sich das System in der Betriebsphase der Energierückgewinnung oder der Energiespeicherung befindet.

[0058] Mit der Antriebswelle AW der Gleichdruckturbine 3a ist ein Generator 4 und ein Frequenzumrichter 4a verbunden. Der Generator 4 ist hierbei zwischen Gleichdruckturbine 3a und Frequenzumrichter 4a geschaltet. Der Frequenzumrichter 4a ist mit dem öffentlichen Stromnetz S verbunden.

Bezugszeichenliste

[0059] 

1

Druckluftbehälter

1e

Eingang

1a

Ausgang

2

Druckwasserbehälter

2e

Eingang

2a

Ausgang

3a

Gleichdruckturbine

E3a

Eingang Gleichlaufturbine

A3a

Ausgang Gleichlaufturbine

AW

Antriebswelle

4

Generator

4a

Frequenzumrichter

5

Druckleitung/Verbindungsleitung

6

Absperrventil

7

Wassereinlaufleitwerk

7a

Wassereinlaufleitwerk

8

Rückschlagventil

9

Wasserspeicher

10

Vorkammer

10a

Öffnung

11

Hochdruckwasserpumpe

12

Verbindungsleitung

13

Steuer- und Vergleichseinheit

15

Netzrechner

16

Datenleitung

17

Kompressor

18

Druckluftspeicher

19

Absperrventil

S

Stromnetz

SN

Sensor Niveau

SD

Drucksensor

Ansprüche

1. System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung umfassend mindestens einen Druckluftbehälter (1),
mindestens einen mit dem Druckluftbehälter (1) in Verbindung stehenden Druckwasserbehälter (2),
mindestens eine mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter (2) in Wirkverbindung stehende Turbine (3a), wobei die Turbine (3a) eine Peltonturbine ist, einen Generator (4) zur Erzeugung elektrischer Energie, welcher eingerichtet ist zur Erzeugung von elektrischer Spannung und welcher an einen Frequenzumrichter (4a) angeschlossen ist, zur Erzeugung einer gleichbleibenden Spannung und Frequenz, wobei der Frequenzumrichter (4a) eine Schnittstelle aufweist zur Verbindung mit einem öffentlichen Stromnetz (S) und
eine Hochdruckpumpe (11) zur Förderung von Wasser aus einem Wasserspeicher (9) in den Druckwasserbehälter (2),
dadurch gekennzeichnet, dass
der mindestens eine Druckluftbehälter (1) permanent im Druckgleichgewicht mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter (2) steht, derart, dass während der Energiespeicherung und -rückgewinnung der Druck im mindestens einen Druckluftbehälter (1) gleich dem Druck im mindestens einen Druckwasserbehälter (2) ist.

2. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Druckwasserbehältern (2) eine Verbindungsleitung vorhanden ist, welche die Auslasse der Druckwasserbehälter (2) miteinander verbindet, wobei die Druckwasserbehälter (2) derart zueinander angeordnet sind, dass die Verbindungsleitung ein Gefälle aufweist und an ihrem tiefsten Punkt einen Sammler aufweist, welcher mit dem Einlass der Turbine (3, 3a) verbunden ist.

3. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Einlass der Turbine (3, 3a) ein Absperrventil (6) vorhanden ist.

4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche,

5. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Druckluftbehälter (1) und einem Druckwasserbehälter (2) eine Druckluftturbine vorhanden ist.

6. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Auslass eines Druckluftbehälters (1) und einem Einlass eines Druckwasserbehälters (2) genau eine Druckleitung (5) vorhanden ist, welche ausgebildet ist, bei Energiespeicherung Druckluft vom Druckwasserbehälter (2) zum Druckluftbehälter (1) und bei Energierückgewinnung Druckluft vom Druckluftbehälter (1) zum Druckwasserbehälter (2) zu leiten.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckleitung (5) eine Absperrvorrichtung angeordnet ist, welche eingerichtet ist, bei plötzlichem Druckabfall die Druckleitung (5) zu schließen.

8. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Volumens eines Druckwasserbehälters (2) zu dem Volumen eines Druckluftbehälters (1) 1:1, 1:2, 1:3 oder 1:4 beträgt.

9. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- und Vergleichseinheit (13) vorhanden ist, welche ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Auslastung eines öffentlichen Stromnetzes (S),
die Hochdruckpumpe (11) mittels Energie aus dem öffentlichen Stromnetz (S) anzusteuern, um Wasser aus dem Wasserspeicher (9) in den Druckwasserbehälter (2) zu pumpen, wenn im öffentlichen Stromnetz (S) ein Energieüberschuss vorhanden ist
oder Druckwasser aus dem Druckwasserbehälter (2) zur mindestens einen Turbine (3, 3a) zu leiten und die in dem Generator (4, 4a) erzeugte Energie dem öffentlichen Stromnetz (S) zuzuführen, wenn im öffentlichen Stromnetz (S) ein Energiebedarf besteht.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (S) ausgebildet ist, für den Fall der Energierückgewinnung die von mindestens einer Turbine (3, 3a) erzeugten Leistung durch Öffnung oder Schließen von mit der Turbine (3, 3a) verbundenen Wassereinlaufdüsen (7) zu regeln.

11. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- und Vergleichseinheit (13) vorhanden ist zum Vergleichen des momentanen Drucks im Druckwasserbehälter (2) und des momentanen Drucks im Druckluftbehälter (1) und der momentanen Wassermenge im Druckwasserbehälter (2) mit einem Solldruckwert, wobei die Steuer- und Vergleichseinheit (14) ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs dem Druckluftbehälter (1) Druckluft aus einem Druckluftspeicher (18) zugeführt wird.

Zeichnung