CH715771A2 - Verfahren und Vorrichtung zum Speichern von Energie. - Google Patents

Abstract

Das erfindungsgemässe Verfahren betrifft die Speicherung von Energie in Form eines komprimierten Fluids, das für die Speicherung der Energie in einen unter einer Wasseroberfläche angeordneten Behälter (2) gepumpt wird, wobei das in den Behälter (2) gelangende Fluid eine vorbestehende Füllung aus Wasser aus diesem in das umgebende Wasser verdrängt, und für die Entnahme von Energie komprimiertes Fluid dem Behälter (2) entnommen wird, wobei entsprechend dem Volumen des entnommenen, komprimierten Fluids umgebendes Wasser wieder in den Behälter (2) hineinfliesst, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter auf einem Meeresgrund (6) oder einem Seegrund (6) angeordnet und dort von Ballast (15) derart bedeckt wird, dass er auch unter voller Befüllung durch komprimierbares Fluid gegen den Untergrund gedrückt wird.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speichern von Energie nach Anspruch 1 sowie einen pneumatischen Energiespeicher nach Anspruch 6.

[0002] Die Speicherung von Energie durch Pumpspeicherwerke ist breit bekannt und etabliert. Es besteht jedoch ein zunehmendes Bedürfnis, Energie nicht nur in Gegenden mit entsprechender Topografie speichern zu können, sondern auch dort wo sie anfällt, beispielsweise in der Nähe von Windkraftwerken oder anderen alternativen Energieerzeugern. Windkraftwerke sind oft in Küstennahen Meeresgebieten vorhanden oder projektiert, Solaranlagen oft in küstennahen Gebieten.

[0003] Entsprechend sind Lösungen zur Speicherung von komprimierter Luft bekannt geworden, wobei die Luft unter der Meeresoberfläche gespeichert wird, also unter dem Druck des umgebenden Wassers gespeichert werden kann.

[0004] Eine dieser Lösungen sieht vor, Ballons aus flexiblem Material am Meeresgrund zu verankern, wobei dann diese Ballons von unten her mit komprimierter Luft gefüllt werden, sich dabei aufblasen und komprimierte Luft aufnehmen können, bis sie vollständig gefüllt sind. Diese Ballons generieren natürlich einen erheblichen Auftrieb und müssen entsprechend verankert werden. Die Verankerung ist dabei so gelöst, dass ein Raster von mit Schüttgut gefüllten Ballastbehältern am Meeresgrund angeordnet wird, wobei die Ballons zwischen den Ballastbehältern durch Ankerseile an diesen festgelegt werden. Dieser Anordnung ist nachteilig, dass für eine industrielle Anwendung die Ballons gross sein müssen und damit im gefüllten Zustand einen sehr grossen Auftrieb aufweisen, der wiederum nach einer entsprechend belastungsfähigen Struktur der Ballastbehälter und ihrer Verbindungen verlangt. Zudem sind solche Ballons der Meeresströmung ausgesetzt, was nicht nur die auf die Ballastbehälter wirkenden Kräfte erhöht, sondern auch eine bewegliche Anordnung der Ballone an ihrer Verankerung und an den Zufuhrleitungen für die komprimierte Luft notwendig macht. Soll die Luft für eine grössere Speicherkapazität hinreichend komprimiert werden, muss die ganze Anordnung in grösserer Tiefe vorgesehen werden. Im Ganzen erscheint der dann notwendige Aufwand für eine konkurrenzfähige Speicherung von Energie zu hoch.

[0005] Entsprechend ist eine weitere Lösung zur Speicherung von Energie in Form von Strom durch das Projekt StEnSEA - „Stored Energy in the Sea“ des Frauenhofer Instituts bekannt geworden. Betonbehälter mit einem Durchmesser von 30 m und einer Wandstärke von 3 m sollen auf einer Tiefe von 600 m bis 800 m positioniert und mit einem Kraftwerk an Land über eine Stromleitung verbunden werden, wobei eine Speicherkapazität von 20 MWh pro Behälter vorgesehen ist. Jeder Betonbehälter weist eine Ausgleichsleitung auf, die sein Inneres mit dem umgebenden Meer verbindet. Wenn der Speicher zu speichernde Energie in Form von Strom aufnimmt, wird über eine Elektropumpe Wasser aus der Kugel herausgepumpt. Soll der gespeicherte Strom abgerufen werden, strömt Wasser durch eine Turbine in die leere Kugel hinein und erzeugt über einen Generator Strom, der über die Stromleitung zurück an Land fliesst.

[0006] Nachteilig ist diesem Konzept aber wiederum, dass es für die industrielle Speicherung von Energie hohe Kosten verursacht. Die Herstellung einer genügenden Anzahl von Betonbehältern mit den oben genannten Dimensionen und Beanspruchbarkeit teuer, ebenso deren Verankerung in einer Tiefe von 600 m bis 800 m. Im Ganzen erscheint der dann notwendige Aufwand eine konkurrenzfähige Speicherung von Energie zu vereiteln.

[0007] Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Speicherung von Energie zu schaffen, das eine vergleichsweise günstige Speicherung erlaubt.

[0008] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder durch einen pneumatischen Unterwasser-Energiespeicher mit den Merkmalen von Anspruch 7 gelöst.

[0009] Dadurch, dass entsprechend dem Volumen des dem Behälter des Energiespeicher zugeführten oder entnommenen komprimierbaren Fluids Wasser aus dem Behälter abgegeben oder wieder in diesen aufgenommen wird, reduziert sich dessen Druckbelastung auf ein nur von seiner Bauhöhe abhängiges, aber von seinem Standort in der Tiefe unabhängiges Minimum, was eine einfache und kostengünstige Herstellung des Energiespeichers erlaubt. Dadurch, dass über das abgegebene Wasser eine Turbine angetrieben wird, steht Energie zur Verfügung, mit der umgebendes Wasser wieder in den Behälter zurück gepumpt werden kann, so dass insofern der Betrieb des Energiespeichers bis auf den Wirkungsgrad der Pumpen-Turbinenanordnung energieneutral erfolgen kann.

[0010] Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besitzen Merkmale gemäss den abhängigen Ansprüchen.

[0011] Wird der Behälter teilweise oder vollständig aus flexiblen Wänden gebildet, kann er besonders einfach und günstig ausgebildet werden. Dadurch, dass der flexible Behälter auf den Meeresgrund gelegt und durch Ballast bedeckt wird, kann die Verankerung ebenfalls einfach und günstig ausgeführt werden, z.B. durch einfaches Bedecken des Behälters mit in dessen Nachbarschaft ausgebaggertem Meeresgrund, was selbst in Tiefen von 800 m keine grösseren Probleme bietet. Der flexible Behälter kann lokale Verformungen am Grund oder durch den Ballast aufnehmen, was die Errichtung eines erfindungsgemässen Energiespeichers auf dem Grund eines Gewässers erheblich vereinfacht und zu den geringen Gesamtkosten der Energiespeicherung beiträgt.

[0012] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren noch etwas näher beschrieben. Es zeigt: <tb><SEP>Figur 1 schematisch einen erfindungsgemässen pneumatischen Energiespeicher, <tb><SEP>Figur 2a die Druckverhältnisse im Energiespeicher gemäss Fig 1, wenn dieser mit komprimiertem Fluid gefüllt ist, <tb><SEP>Figur 2b die Druckverhältnisse im Energiespeicher gemäss Fig 1, wenn aus diesem das komprimiertem Fluid entnommen worden ist, <tb><SEP>Figur 3 schematisch den Behälter des pneumatischen Energiespeichers, mit an die Umgebung angepassten flexiblen Wänden, <tb><SEP>Figur 4 schematisch noch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen pneumatischen Energiespeichers, <tb><SEP>Figur 5 ein Diagramm betreffend die Kosten der Energiespeicherung, und <tb><SEP>Figur 6 ein Diagramm betreffend die Speicherkapazität.

[0013] Figur 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen pneumatischen Energiespeicher 1, der einen Behälter 2 aufweist, wobei alle seine Aussenwände 3 aus einem flexiblen Material bestehen. Der Energiespeicher 1 befindet sich unterhalb einer Wasseroberfläche 4 und ruht mit einem Wandabschnitt 5 auf dem Grund 6 eines Gewässers wie eines Meeres, eines Sees oder eines Stausees. Bevorzugt sind die flexiblen Wände 3 aus einer Kunststoff-Membran gebildet, die Polyester/PVC, Gummi oder beschichtete Polyestergewebe aufweist. Auch andere Gewebe, beispielsweise mit Glasfaser, Kevlar oder andere synthetische Gewebe können zur Anwendung kommen. Die flexiblen Wände 3 können im konkreten Fall auch teilweise starr ausgebildet sein, beispielswiese im Bereich des auf dem Boden ruhenden Wandabschnitts 5 oder am Ort einer Druckleitung 7 für zu speicherndes, komprimierbares Fluid oder am Ort einer Ausgleichsleitung 8, welche den Behälter 2 mit dem umgebenden Wasser verbindet. Bevorzugt wird jedoch der gesamte Behälter 2 durch ein flexibles Material gebildet.

[0014] Die Druckleitung 7 ist an einem oberen Bereich des Behälters 2 angeordnet und bevorzugt mit einer in der Figur nur symbolisch dargestellten Kompressor-Turbinenanordnung 10 verbunden, die sich weiter bevorzugt an Land befindet und durch die Energie eines Kraftwerks (z.B. ein Solarkraftwerk oder ein Windkraftwerk oder ein Kraftwerk anderer Art) angetrieben wird. Dadurch kann für die Beladung des Energiespeichers (1) ein Kompressor der Kompresor-Turbinenanordnung 10 beispielsweise Umgebungsluft (oder ein anderes, komprimierbares Fluid) ansaugen, verdichten und durch die Druckleitung 7 in den Behälter 2 pumpen. Zudem kann für die Entladung des Energiespeichers (1) eine Turbine der Kompressor-Turbinenanordnung 10 durch aus dem Behälter 2 stammendem komprimiertem Fluid (z.B. Luft) angetrieben werden und so beispielsweise Strom erzeugen. Zur Entlastung der Figur ist ein in der Druckleitung 7 vorhandenes Ventil für deren Schliessung bzw. Öffnung weggelassen. Gezeigt sind jedoch durch den Doppelpfeil 13 die beiden Strömungsrichtungen des komprimierbaren Fluids durch die Druckleitung 7 und durch die Kompressor-Turbinenanordnung 10. Es ergibt sich, dass bevorzugt das Innere des Behälters (2) in einem oberen Bereich mit einer zur Wasseroberfläche führenden Druckleitung (7) für komprimiertes Fluid versehen und bevorzugt weiter eine Turbine (10) vorgesehen wird, die durch aus dem Behälter (2) ausströmendes komprimiertes Fluid angetrieben wird.

[0015] Die Ausgleichsleitung 8 ist an einem unteren Bereich des Behälters 2 angeordnet und weist eine Mündung 11 auf, die bevorzugt im Bereich der Höhe des Wandabschnitts 5, d.h. im Bereich des Grunds 6 des Gewässers liegt. Mit der Ausgleichsleitung 8 ist weiter eine hier nur symbolisch dargestellte Pumpen-Turbinenanordnung 12 verbunden. Der Doppelpfeil 14 zeigt die beiden Strömungsrichtungen durch die Ausgleichsleitung 8 und die Pumpen-Turbinenanordnung 12. Ein Ventil für die Schliessung bzw. Öffnung der Ausgleichsleitung 8 ist ebenfalls zur Entlastung der Figur in dieser nicht dargestellt. Bevorzugt befindet sich die Pumpen-Trubinenanordnung 12 auf dem Grund 6 des Gewässers, kann aber auch an Land vorgesehen werden, beispielsweise am Ort der Kompressor-Turbinenanordnung 10.

[0016] Der Behälter 2 ist mit Ballast 15 bedeckt, derart, dass dieser auch bei vollständiger Beladung des Energiespeichers 1 noch betriebssicher auf dem Grund 2 ruht. Bevorzugt überdeckt der Ballast 15 den Behälter 2 vollständig, wie dies in der Figur gezeigt ist. Weiter bevorzugt besteht der Ballast 15 aus Schüttgut wie Kies oder Sand, wobei ganz bevorzugt für den Ballast 15 auch oder ausschliesslich Material aus dem Grund 6 beispielsweise am Ort des Energiespeichers 1 verwendet wird (es ist heute mit geringen Kosten möglich, auch in beträchtlicher Tiefe den Meeresgrund auszubaggern und das Material gezielt abzulagern).

[0017] Bevorzugt ist der Behälter 2 mit einer flachen Kontur versehen, derart, dass dessen horizontale Abmessung b ein mehrfaches seiner Höhe h beträgt, bevorzugt das zweifache oder mehr, besonders bevorzugt das dreifache oder mehr, ganz besonders bevorzugt das fünffache oder zehnfache oder mehr. Solch eine Kontur erlaubt, beispielsweise die in der Figur angedeutete Linsenform vorzusehen, welche im Hinblick auf die Verwendung von Schüttgut als Ballast 15 besonders vorteilhaft ist. Weiter bevorzugt wird deshalb die Neigung eines oberen Wandabschnitts 17 des Behälters 2 unter 30 Grad gehalten. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Ballast 15 an jedem Ort des Behälters 2 dessen Auftrieb wenigstens kompensieren muss, so dass bei der in der Figur gezeigten Linsenform an den Rändern des Behälters 2 weniger Ballast 15 notwendig ist als in seinem zentralen Bereich, was durch die unterschiedliche Dicke des dargestellten Ballasts 15 gezeigt ist.

[0018] Bei der in der Figur 1 gezeigten Ausführungsform ist der Behälter 2 mit Stegen 9 versehen, welche dazu dienen, dem Behälter 2 eine gewünschte Form zu verleihen, bzw. dessen Kontur zu definieren. Die Stege 9 sind bevorzugt zugbelastbar und können aus demselben flexiblen Material bestehen, wie die flexiblen Wände des Behälters 2. Die Stege 9 werden im konkreten Fall in Verbindung mit dem vorgesehenen Ballast 15 derart angeordnet, dass der Behälter 2 im Betrieb die vorgesehene Kontur behält und mit dem vorgesehen Betriebsvolumen betrieben werden kann.

[0019] In Figur 1 ist weiter durch die gestrichelten Linien ein gedachter Bereich 16 des Behälters 2 ersichtlich, der sich über dessen gesamte Höhe h erstreckt. Die Höhe der Wassersäule des Gewässers vom Grund 6 bis zur Wasseroberfläche ist H. Mit Hilfe dieses gedachten Bereichs 16 werden in der Beschreibung zu den Figuren 2a und 2b unten die Druckverhältnisse im erfindungsgemässen Unterwasser-Energiespeicher erläutert.

[0020] In einer nicht in den Figuren dargestellten Ausführungsform ist der Behälter 2 des Unterwasser-Energiespeichers nur teilweise mit flexiblen Aussenwänden 3 versehen. Starre Aussenwände 3 können im konkreten Fall beispielsweise am Ort der Druckluftleitung 7 bzw. der Ausgleichsleitung 8 vorgesehen werden, oder auch im Boden oder Deckenbereich des Behälters 2.

[0021] Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Behälter nur für eine Druckbelastung im Betrag des Drucks einer Wassersäule von der Höhe h des Behälters ausgebildet sein muss - die Tiefe des Meeres- oder Seegrunds 6 bzw. die Höhe H bis zur Wasseroberfläche 4 spielt dabei keine Rolle, s. dazu wie erwähnt die Beschreibung unten zu den Figuren 2a und 2b.

[0022] Damit ist es grundsätzlich auch erfindungsgemäss, den ganzen Behälter mit nicht flexiblen Wänden zu versehen, beispielsweise aus Beton, da nur vergleichsweise geringe Wandstärken benötigt werden (Druckbelastung), auch in grosser Tiefe, was deren Herstellung gegenüber Behältern des Stands der Technik erheblich vereinfacht und verbilligt.

[0023] Es ergibt sich ein Verfahren zum Speichern von Energie in Form eines komprimierten Fluids, das für die Speicherung von Energie in einen unter einer Wasseroberfläche angeordneten Behälter (2) gepumpt wird, wobei der Behälter (2) auf einem Meeresgrund (6) oder einem Seegrund (6) angeordnet und dort von Ballast (15) derart beschwert wird, dass er auch unter voller Befüllung durch das komprimierbare Fluid gegen den Meeres- oder Seegrund in Betriebsposition (6) gedrückt wird, und wobei entsprechend dem Volumen des in den Behälter (2) gelangenden komprimierten Fluids eine in diesem vorbestehende Füllung aus Wasser aus ihm hinaus in das umgebende Wasser abgegeben, und entsprechend dem Volumen des aus dem Behälter (2) entnommenen, komprimierten Fluids umgebendes Wasser wieder in den Behälter (2) hineinfliesst, dabei aus dem Behälter (2) abgegebenes Wasser für den Antrieb einer Turbine verwendet und in den Behälter (2) hineinfliessendes Wasser in diesen hinein gepumpt wird.

[0024] Ein entsprechender pneumatischer Unterwasser-Energiespeicher besitzt einem Behälter (2) für komprimierbares Fluid, wobei der Behälter (2) auf einem Meeresgrund oder Seegrund (6) ruht und durch Ballast (15) bedeckt ist, derart, dass er bei vollständiger Beladung durch das komprimierbare Fluid gegen den Meeresgrund oder Seegrund (6) gedrückt verharrt, wobei weiter eine Druckleitung (7) für komprimierbares Fluid in einem oberen Bereich des Behälters (2) mündet, und eine in einem unteren Bereich des Behälters (2) vorgesehene Ausgleichsleitung (8) das Innere des Behälters (2) mit dem umgebenden Wasser verbindet, und wobei weiter eine mit der Ausgleichsleitung (8) verbundene Pumpen-Turbinenanordnung (12) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, im Betrieb des Unterwasser-Energiespeichers (1) über die Ausgleichsleitung (8) entsprechend dem Volumen des einströmenden komprimierbaren Fluids Wasser aus dem Behälter (2) durch eine Turbine in das umgebende Wasser abzugeben und entsprechend dem Volumen von aus dem Behälter (2) abgegebenem komprimierbarem Fluid umgebendes Wasser durch eine Pumpe in diesen hinein zu fördern.

[0025] Figur 2a zeigt den gedachten Bereich 16 im Behälter 2 (s. auch Figur 1), wenn dieser vollständig mit komprimiertem Fluid, bevorzugt Luft, beladen ist. Diese Luft erzeugt einen durch den Vektor A symbolisierten Auftrieb entsprechend dem von ihr verdrängten Wasser, hier entsprechend dem Volumen des gedachten Bereichs 16. Soll der Behälter 2 durch den Ballast 15 an den Boden gedrückt verharren, muss das durch den Vektor B symbolisierte Gewicht des Ballasts 15 wenigstens dem Auftrieb A entsprechen, so dass sein Gewicht wenigstens dem Gewicht des durch die Luft verdrängten Wassers entspricht. Der Vektor W symbolisiert das Gewicht des Wassers über dem gedachten Bereich 16. F bezeichnet die Querschnittsfläche des gedachten Bereichs 16.

[0026] Ist y das spezifische Gewicht des Wassers, ergibt sich: Das Gewicht des Wassers ist W = (H-h)Fγ, das Ballastgewicht ist B = Fhγ und ist gleich der Auftriebskraft A = FHγ (da der Ballast dem Auftrieb entsprechen muss). Da der Innendruck des gedachten Bereichs 16 auf Grund der Luftfüllung überall gleich ist, ist er in seinem obersten Bereich (p1) gleich gross wie unten, am Ort der Mündung 11 (p2), so dass p1 = p2 = Hγ ist (von oben wirkt das Wassergewicht W plus das Ballastgewicht W, also W + B = (H-h)Fγ + Fhγ = FHγ).

[0027] Ist der Energiespeicher 1 mit komprimierbarem Fluid gefüllt, herrscht in ihm also ein Überdruck gegenüber dem umgebenden Wasser, der mit der Höhe h ansteigt und dem Druck in einer Wassersäule mit dieser Höhe entspricht. Dieser Überdruck ist unabhängig von der Tiefe des Grunds 6 bzw. der Höhe H des Gewässers.

[0028] Figur 2b zeigt den gedachten Bereich 16 im Behälter 2, wenn dieser kein komprimiertes Fluid aufweist und deshalb vollständig mit Wasser gefüllt ist. Der Druck p1 ist unverändert gleicht gross, d.h. p1 = Hγ (das Gewicht W des Wassers über dem gedachten Bereich 16 und das Gewicht B des Ballasts 15 sind unverändert - also ist auch der Innendruck p1 oben im gedachten Bereich 16 unverändert). Im Unterschied zur Luftfüllung des gedachten Bereichs 16 gemäss Figur 2a ist dieser nun mit Wasser gefüllt, welches ein Gewicht Fhγ besitzt. Im gedachten Behälter ist damit eine Wassersäule vorhanden, deren Druck gegen unten zunimmt (pro 10 m mit ca. 1 bar, je nach der Zusammensetzung des Wassers). Der Druck p2 ist dann entsprechend höher, nämlich p2 = p1 + hγ = Hγ + hγ. Im mit Wasser gefüllten Zustand besteht im gedachten Bereich 16 am Ort der Mündung 11 ein Überdruck gegenüber dem umgebenden Wasser im Betrag von Δp = hγ, der proportional ist zur Höhe der Wassersäule im gedachten Bereich 16.

[0029] Ist der Energiespeicher 1 mit Wasser gefüllt, herrscht in ihm also ein Überdruck gegenüber dem umgebenden Wasser, der dem Druck in einer Wassersäule mit seiner Höhe h entspricht. Dieser Überdruck ist unabhängig von der Tiefe des Grunds 6 bzw. der Höhe H des Gewässers.

[0030] Wird der Behälter 2 des Energiespeichers 1 linsenförmig ausgebildet, s. Figur 1, ist die Höhe h gegenüber seiner Breite b klein, d.h. dessen (Über)Druckbeanspruchung gering. Der Ballast 15 kann bei geeigneter Bemessung diese Druckbeanspruchung auffangen, was erlaubt, den Behälter 2 aus einem flexiblen Material herzustellen, das keine speziellen Eigenschaften zeigen muss, also günstig gefertigt werden kann. Die Stege 9 (Figur 1) halten die Kontur des Behälters 2 in der gewünschten Form.

[0031] Wird aus dem Behälter 2 zur Rückgewinnung von Energie komprimierte Luft entnommen, fliesst durch die Mündung 11 umgebendes Wasser in den Behälter 2, wobei in ihm der Wasserpegel ansteigt, bis der Zustand von Figur 2b erreicht ist. Mit steigendem Wasserpegel steigt der Überdruck im Behälter 2, verursacht durch das Gewicht des sich erhöhenden Wassersäule, so dass das umgebende Wasser mit der Pumpe der Pumpen-Turbinenanordnung 14 in den Behälter 2 hinein gepumpt werden muss. Bei der Energieentnahme E = VHγ (bis die gesamte gespeicherte Luft aus dem Behälter 2 entnommen worden ist) muss somit gleichzeitig die Pumpenergie PP= V(h/2)γ aufgebracht werden.

[0032] Wird nun während der Speicherung von komprimierter Luft mit dem Druck p1 Wasser aus dem Behälter 2 abgegeben, besitzt dieses bei noch vollständig mit Wasser gefülltem Behälter 2 den Überdruck hγ, der bis zur vollständigen Leerung von Wasser auf 0 absinkt. Das unter Überdruck stehende Wasser wird erfindungsgemäss durch die Turbine der Pumpen-Turbinenanordnung 14 geleitet, so dass die Turbinenenergie PT= V(h/2)γ erhalten wird.

[0033] Das bedeutet, dass der Wechsel der Füllung (Wasser - komprimierbares Fluid, hier Luft) des Behälters 2 energieneutral erfolgt, wobei dies in der Realität wegen der Verluste in der der der Pumpen-Turbinenanordnung 14 nicht der Fall ist. Diese Verluste sind im Verhältnis zur speicherbaren Energie gering und stellen einen vernachlässigbaren Kostenfaktor dar.

[0034] Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass das unter Anderem das Gewicht des Ballasts 15 durch den Fachmann im konkreten Fall z.B. im Hinblick auf Toleranzen oder Sicherheitsüberlegungen etc. anders als in der Berechnung zu Figur 2a angesetzt werden kann. Der Fachmann kann im konkreten Fall die Rechnung gemäss Figur 2a oder 2b leicht entsprechend modifizieren.

[0035] Wie oben beschreiben wechselt der Behälter 2 bevorzugt zwischen einem mit komprimierbarem Fluid beladenem Zustand gemäss Figur 2a und einem mit Wasser gefüllten Zustand gemäss Figur 2b hin- und her, indem der Behälter 2 beispielsweise zyklisch über den Kompressor der Kompressor-Turbinenanordnung 10 mit komprimierter Luft befüllt und über deren Turbine wieder entleert wird. Natürlich ist es auch möglich, den Energiespeicher 1 mit einem unregelmässigen Zyklus zu fahren, d.h. den Behälter 2 nur teilweise mit komprimierbarem Fluid zu füllen. Der Austausch von komprimiertem Fluid (Luft) und Wasser in den Behälter 2 und aus diesem hinaus erfolgt aber immer volumenneutral, d.h. das Volumen des aus dem Behälter hinein und hinaus fliessenden Wassers entspricht dem Volumen des in den Behälter 2 gepumpten oder diesem entnommenen komprimierten Fluids.

[0036] Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch den Behälter 2 des Energiespeichers 1 oder 20 im Betriebszustand, wobei der Anschaulichkeit wegen eine reale Verformung des Behälters 2 gegenüber der idealen Kontur etwas überhöht dargestellt ist. Zur Entlastung der Figur sind die Druckleitung 7, die Ausgleichsleitung 8 und die Kompressor-Turbinenanordnung 10 (Fig. 1) weggelassen. Flexible Wandabschnitte 23 des Behälters 2 passen sich ohne Weiteres der Kontur des Meeres- oder Seegrunds an, ebenso obere, flexibler Wandabschnitte 24 im Hinblick auf den Ballast 15 und den durch den Ballast 15 ausgeübten Druck (wobei Verformungen auch während der Beladung des Behälters 2 mit Ballast 15 oder im Betrieb während der Beladung oder der Entladung des Energiespeichers 1,20 erfolgen können). Eine teure, starre und druckresistente Bauweise erübrigt sich, wobei zudem ein durch eine flexible Membran gebildeter Behälter 2 nicht nur günstig herzustellen, sondern auch günstig auf dem Meeresgrund zu positionieren und mit Ballast zu beladen ist.

[0037] Figur 4 zeigt eine alternative Anordnung einer Mehrzahl von Behältern 24 eines pneumatischen Energiespeichers 30. Diese Behälter können kugelförmig oder rohrförmig ausgebildet und in eine vorbereitete Aufschüttung 25 am Meeresgrund oder Seegrund eingebettet sein. Generell kann solch eine Aufschüttung im konkreten Fall vorgesehen werden z.B. bei teilweise felsigem oder stark unebenem Grund, z.B. dann, wenn davon ausgegangen werden muss, dass die flexible Membran des Behälters im Betrieb lokal überbeansprucht werden könnte. Wiederum ist es aber so, dass eine eventuelle lokale Aufschüttung im Vergleich zu anderen Konstruktionen mit starren Behältern wenig kostenintensiv ist. Bei den meisten sandigen Formationen des Meere-s oder Seegrunds kann im konkreten Fall auf eine Aufschüttung verzichtet werden.

[0038] Die Figuren 5 und 6 zeigen eine Abschätzung für die Kosten der gespeicherten Energie im Diagramm 35 und für die speicherbare Energiemenge in Abhängigkeit von der Wassertiefe im Diagramm 36. Der Überschlagsrechnung ist ein Energispeicher gemäss der vorliegenden Erfindung zu Grunde gelegt, der einen vollständig durch eine flexible Membran gebildeten Behälter für komprimierte Luft aufweist, wobei der Behälter auf dem Meeresgrund in 40m Tiefe liegt und durch Meeressand bedeckt ist, der durch einen Saugbagger angesaugt und auf den Behälter verlegt worden ist. Die Neigung der flexiblen Membran beträgt am Rand des Behälters 30 Grad, wobei dieser linsenförmig ausgebildet ist und einen Durchmesser von 50m sowie eine maximale Höhe (in der Mitte) von 6,7m aufweist. Damit ergibt sich eine totale Membranfläche von 4068 m<2>und ein maximales Speichervolumen von 6734 m<3>.

[0039] Durchschnittliche Polyester/PVC Membrankosten betragen zum Zeitpunkt der vorliegenden Anmeldung 12 USD/m<2>, was zu Kosten für den Behälter von 48820 USD führt. Als Ballastmaterial wurde, wie erwähnt, Meeressand angenommen, dessen Verlegung kann mit 2 USD/m<3>, angesetzt werden - insgesamt 7678 USD. Erfahrungswerte für die Turbinen-Kompressoranordnung führen zu Kosten von 20 USD/kWh gespeicherter Energie. Es ergeben sich 76 USD/kWh, wobei die gespeicherte Energie bei vollständiger Beladung des Energiespeichers bei 0.75 MWh liegt.

[0040] Das Diagramm 35 (Fig.5) zeigt graphisch die Energiekosten [USD/kWh] in Abhängigkeit der Wassertiefe H [m] für drei Luftreservoirdurchmesser, D = 25, 50 und 100 m. Das Diagramm 36 (Fig.7) zeigt graphisch die gespeicherte Energiemenge [MWh] in Abhängigkeit der Wassertiefe H [m] für drei Luftreservoirdurchmesser, D = 25, 50 und 100 m.

[0041] Es ergibt sich, dass die Wirtschaftlichkeit bzw. ein konkurrenzfähiger industrieller Einsatz bereits bei Wassertiefen von 50m angenommen werden kann - im Gegensatz etwa zum Projekt StEnSEA (s. die Beschreibung oben), dessen Betonspeicherbehälter nach Angaben der Projektbeschreibung erst ab ca. 700m Tiefe wirtschaftlich einsetzbar sind.

Claims (16)

1. Verfahren zum Speichern von Energie in Form eines komprimierten Fluids, das für die Speicherung von Energie in einen unter einer Wasseroberfläche angeordneten Behälter (2) gepumpt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der dass der Behälter (2) auf einem Meeresgrund (6) oder einem Seegrund (6) angeordnet und dort von Ballast (15) derart beschwert wird, dass er auch unter voller Befüllung durch das komprimierbare Fluid gegen den Meeres- oder Seegrund in Betriebsposition (6) gedrückt wird, wobei entsprechend dem Volumen des in den Behälter (2) gelangenden komprimierten Fluids eine in diesem vorbestehende Füllung aus Wasser aus ihm hinaus in das umgebende Wasser abgegeben, und entsprechend dem Volumen des aus dem Behälter (2) entnommenen, komprimierten Fluids umgebendes Wasser wieder in den Behälter (2) hineinfliesst, dabei aus dem Behälter (2) abgegebenes Wasser für den Antrieb einer Turbine verwendet und in den Behälter (2) hineinfliessendes Wasser in diesen hinein gepumpt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aussenwände des Behälters (2) teilweise durch ein flexibles Material gebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei alle Aussenwände des Behälters (2) durch ein flexibles Material gebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Behälter (2) mit einer flachen Kontur versehen wird, derart, dass dessen horizontale Abmessung ein mehrfaches seiner Höhe beträgt, bevorzugt das zweifache oder mehr, besonders bevorzugt das dreifache oder mehr, ganz besonders bevorzugt das fünffache oder mehr.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Behälter (2) durch den Ballast (15) vollständig zugedeckt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ballast aus Schüttgut besteht, das bevorzugt dem Meeres- oder Seegrund am Ort des Unterwasser-Energiespeichers entnommen worden ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Innere des Behälters (2) in einem oberen Bereich mit einer zur Wasseroberfläche führenden Druckeitung (7) für komprimiertes Fluid versehen und bevorzugt weiter eine Turbine (10) vorgesehen wird, die durch aus dem Behälter (2) ausströmendes komprimiertes Fluid angetrieben wird.

8. Pneumatischer Unterwasser-Energiespeicher mit einem Behälter (2) für komprimierbares Fluid, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2) auf einem Meeresgrund oder Seegrund (6) ruht und durch Ballast (15) bedeckt ist, derart, dass er bei vollständiger Beladung durch das komprimierbare Fluid gegen den Meeresgrund oder Seegrund (6) gedrückt verharrt, dass weiter eine Druckleitung (7) für komprimierbares Fluid in einem oberen Bereich des Behälters (2) mündet, und eine in einem unteren Bereich des Behälters (2) vorgesehene Ausgleichsleitung (8) das Innere des Behälters (2) mit dem umgebenden Wasser verbindet, wobei weiter eine mit der Ausgleichsleitung (8) verbundene Pumpen-Turbinenanordnung (12) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, im Betrieb des Unterwasser-Energiespeichers (1) über die Ausgleichsleitung (8) entsprechend dem Volumen des einströmenden komprimierbaren Fluids Wasser aus dem Behälter (2) durch eine Turbine in das umgebende Wasser abzugeben und entsprechend dem Volumen von aus dem Behälter (2) abgegebenem komprimierbarem Fluid umgebendes Wasser durch eine Pumpe in diesen hinein zu fördern.

9. Pneumatischer Unterwasser-Energiespeicher nach Anspruch 8, wobei der Behälter (2) wenigstens teilweise flexible Aussenwände (3) aufweist.

10. Pneumatischer Unterwasser-Energiespeicher nach Anspruch 8, wobei der Behälter (2) vollständig aus flexiblen Wänden (3) gebildet ist.

11. Pneumatischer Energiespeicher nach Anspruch 8, wobei der Ballast den (15) Behälter (2) vollständig überdeckt.

12. Pneumatischer Energiespeicher nach Anspruch 8, wobei der Ballast (15) aus Schüttgut besteht, bevorzugt aus dem Material des umgebenden Meeres- oder Seegrunds (6).

13. Pneumatischer Energiespeicher nach Anspruch 8, wobei der Behälter (2) in seinem Inneren zugbelastbare Stege (22) aufweist.

14. Pneumatischer Energiespeicher nach Anspruch 8, wobei ein oberer Bereich des Behälters (2) mit einer zur Oberfläche des Meeres oder Sees führenden Druckleitung (7) für das komprimierbare Fluid versehen ist, und wobei diese Leitung (7) bevorzugt mit einer durch aus dem Behälter (2) ausströmendes komprimierbares Fluid antreibbaren Turbine (10) versehen ist.

15. Pneumatischer Energiespeicher nach Anspruch 8, der Behälter (2) einer flache Kontur aufweist, deren horizontale Abmessung ein mehrfaches ihrer Höhe beträgt, bevorzugt das zweifache oder mehr, besonders bevorzugt das dreifache oder mehr, ganz besonders bevorzugt das fünffache oder mehr.

16. Pneumatischer Energiespeicher nach Anspruch 8, wobei dieser mehrere Behälter (2) aufweist, die von einer gemeinsamen Ballastschicht (15) überdeckt sind.