DE102011106040A1 - pumped storage power plant - Google Patents

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Abstract

Speicherkraftwerke für elektrische Energie benötigen heutzutage entweder einen sehr großen Raum bei geringem Wirkungsgrad (bei gasbasierten Speichern) oder einen Höhenunterschied, der landschaftlich nur selten realisiert werden kann (bei wasserbasierten Speichern). Die Erfindung ist eine Kombination aus flüssigkeitsbasierter Energieerzeugung und einem Gasvolumen, welches auch bei fehlendem Höhenunterschied effizient Energie speichert. Hierbei entstehen die zwei Vorteile, dass der Höhenunterschied nicht mehr benötigt wird und die Verluste im Verhältnis zu reinen gasbasierten Speichern durch die relativ geringe Gasexpansion und durch die Pufferung der thermischen Energie in der Flüssigkeit im Betrieb gering sind. Zusätzlich bietet sich diese Konstruktion als Wärmespeicher an, um z. B. im Sommer gespeicherte Wärme zur Gebäudeheizung im Winter zu nutzen oder ganzjährig Prozesswärme zwischenzuspeichern. Auch ist die Konstruktion geeignet, um eine Trennung von Stromnetz und Verbraucher zu realisieren, kombiniert mit einer kurzfristigen Pufferung bei Angebotsschwankungen.Storage power plants for electrical energy nowadays either require a very large space with a low level of efficiency (with gas-based storage systems) or a height difference that can only rarely be realized in the landscape (with water-based storage systems). The invention is a combination of liquid-based energy generation and a volume of gas which efficiently stores energy even when there is no difference in height. This has the two advantages that the height difference is no longer required and the losses in relation to pure gas-based storage systems are low due to the relatively low gas expansion and the buffering of thermal energy in the liquid during operation. In addition, this construction can be used as a heat store to B. to use stored heat in summer for building heating in winter or to temporarily store process heat all year round. The design is also suitable for separating the power grid and consumers, combined with short-term buffering in the event of fluctuations in supply.

Description

Pumpspeicherkraftwerke dienen meist der Zwischenspeicherung elektrischer Energie und nehmen angesichts der steigenden Bedeutung regenerativer Energieträger, wie Wind und Sonne, welche unstetig Energie produzieren, eine wachsende Bedeutung ein, um eine kontinuierliche Stromversorgung sicherzustellen.Pumped storage power plants are usually used for intermediate storage of electrical energy and take in view of the increasing importance of renewable energy sources, such as wind and sun, which produce discontinuous energy, an increasing importance to ensure a continuous power supply.

Bisherige Konzepte basieren häufig auf Wasser, welches meist von einem hochgelegenen Speicherbecken in ein tiefer gelegenes Reservoir unter Erzeugung von Strom geleitet wird und in Zeiten des Energieüberflusses Wasser in das höher gelegene Reservoir pumpt. Da geeignete geologische Formationen in vielen Regionen nur begrenzt zur Verfügung stehen, ist ein weiterer Ausbau solcher Speicher nicht einfach möglich. Alternativ dazu nimmt man druckluftgefüllte unterirdische Speicher in die engere Wahl zur Energiespeicherung. Auch gibt es die Idee, ein Gewicht mittels Wasser anzuheben und die gespeicherte Energie wieder mittels Wasserturbinen zurückzugewinnen. Hier sind es vor allen Dingen Dichtungs- und Reibungsprobleme, die einen solchen Aufbau in großem Maßstab verhindern. Auch sind die erzielbaren Drücke durch Gewichte eher gering. Vorteil einer solchen Ausführung ist der konstante Druck, der bei druckluftbasierten Systemen nicht möglich ist.Previous concepts are often based on water, which is usually passed from a high-altitude reservoir in a lower reservoir to generate electricity and pumping in times of energy abundance water in the higher reservoir. Since suitable geological formations are limited in many regions available, further development of such storage is not easily possible. Alternatively, compressed-air underground reservoirs are shortlisted for energy storage. There is also the idea to raise a weight with water and recover the stored energy again using water turbines. Here are above all sealing and friction problems that prevent such a large scale construction. The achievable pressures by weights are also rather low. Advantage of such a design is the constant pressure, which is not possible with compressed air-based systems.

Bei Gasspeichern gibt es mehrere Probleme z. B. mögliche Verluste durch Undichtigkeiten des meist natürlichen Speichers, große Verluste bei der Kompression und Entspannung des Gases und aufgrund des relativ geringen Energiegehalts von komprimierter Luft ein großer Volumenbedarf oder sehr hohe Drücke. Hinzu kommen bei unterirdischer Lagerung mögliche Auswirkungen durch die im Betrieb auftretenden Druckwechsel auf das Gestein, welche im schlimmsten Fall eine Zerstörung des Speichers zur Folge haben.For gas storage there are several problems z. As possible losses due to leaks of the most natural memory, large losses in the compression and relaxation of the gas and due to the relatively low energy content of compressed air, a large volume or very high pressures. In addition, under underground storage possible effects of the occurring during operation pressure changes on the rock, which in the worst case have a destruction of the memory result.

Es gilt nun, einen Energiespeicher zu realisieren, der nicht zwingend auf große Höhenunterschiede angewiesen ist und der eine hohe Speicherfähigkeit bei relativ geringem Platzbedarf und gutem Wirkungsgrad hat.It is now important to realize an energy storage, which is not necessarily dependent on large differences in height and has a high storage capacity with relatively little space and good efficiency.

Dies wird nach Anspruch 1 gelöst durch

  • i) einen teilweise flüssigkeitsgefüllten ersten Hohlraum H1 mit einem darin vorhandenen Gas unter einem Druck P1 oder
  • ii) einen zeitweise teilweise bis vollständig flüssigkeitsgefüllten ersten Hohlraum H1 und einen damit verbundenem Hohlraum H2 mit einem Gas unter einem Druck P1 oder
  • iii) eine Entnahmestelle unter einem Druck P1 in einem Flüssigkeitsreservoir R1.
This is achieved by claim 1
  • i) a partially liquid-filled first cavity H 1 with a gas present therein under a pressure P 1 or
  • ii) a temporarily partially completely filled liquid first cavity H 1 and a cavity associated with H 2 with a gas under a pressure P 1 or
  • iii) an extraction point under a pressure P 1 in a liquid reservoir R 1 .

Dabei ist der erste Hohlraum H1 bzw. H1 und H2 bzw. das Reservoir R1 verbunden mit einem weiterem Hohlraum H3 oder im Fall eines Hohlraums H1 bzw. H1 und H2 auch mit einem Reservoir R2, welches unter einem niedrigeren Druck P2 steht. Zwischen dem ersten Hohlraum H1 bzw. H1 und H2 oder Reservoir R1 unter Druck P1 und dem Hohlraum H3 oder Reservoir R2 unter dem Druck P2 liegt ein durch die Flüssigkeit und den Druckunterschied P1 > P2 mechanisch angetriebener Erzeuger für elektrische Energie, sowie ein als Druckerzeuger dienendes Bauteil, das identisch mit dem elektrische Energie erzeugenden Bauteil sein kann.Here, the first cavity H 1 or H 1 and H 2 or the reservoir R 1 is connected to a further cavity H 3 or in the case of a cavity H 1 or H 1 and H 2 with a reservoir R 2 , which under a lower pressure P 2 is. Between the first cavity H 1 or H 1 and H 2 or reservoir R 1 under pressure P 1 and the cavity H 3 or reservoir R 2 under the pressure P 2 is a mechanically driven by the liquid and the pressure difference P 1 > P 2 Generator for electrical energy, as well as serving as a pressure generator component that may be identical to the electrical energy-generating component.

Das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Speicherkraftwerks mit einer Flüssigkeit als Arbeitsmedium ist die Ausnutzung eines Druckunterschieds bei fehlendem oder nur geringem Höhenunterschied eines Systems aus zwei Behältnissen bzw. einem Behältnis und einem Reservoir. Dieser Druckunterschied ist weit höher, d. h. mindestens 50% höher, als durch den eventuell vorhandenen Höhenunterschied des Systems erzielbar. Dies wird mittels eines Gasdrucks auf eine Flüssigkeit erzielt oder mit einem Behältnis, dass im gasgefüllten Zustand unter einem niedrigeren Druck als der Umgebungsdruck steht, welcher dann durch die Flüssigkeit auf gleichem oder nahezu gleichen Höhenniveau gegeben ist. Speziell mit letzterer Methode kann in tiefen Gewässern ohne nennenswerte Eingriffe in die Landschaft effizient Energie gespeichert werden, bei offenen Gewässern auch ohne eine Beeinflussung des Wasserstands im Gewässer.The basic principle of the storage power plant according to the invention with a liquid as a working medium is the utilization of a pressure difference in the absence or only slight difference in height of a system of two containers or a container and a reservoir. This pressure difference is much higher, d. H. at least 50% higher than achievable by any height difference of the system. This is achieved by means of a gas pressure on a liquid or with a container that is in the gas-filled state under a lower pressure than the ambient pressure, which is then given by the liquid at the same or almost the same height level. Especially with the latter method can be efficiently stored in deep waters without significant intervention in the landscape energy, in open waters without affecting the water level in the water.

In den ersten beiden Ausführungsmöglichkeiten steht in einem geschlossenen Behältnis eine Flüssigkeit unter hohem Druck, welcher durch ein komprimiertes Gas erzeugt wird. Dies kompensiert einen fehlenden oder zu geringen Höhenunterschied und ermöglichst so auch den ebenerdigen Aufbau eines Energiespeichers. Es kann aber auch die Kombination aus einem Reservoir, in dem in der Tiefe ein hoher Druck herrscht, und einem auf gleicher oder nahezu gleicher Höhe liegenden Hohlraum genutzt werden. Dies lässt sich z. B. realisieren in Kombination von unterirdischen Hohlräumen neben Seen oder dem Meer, aber auch auf bzw. nahe dem Grund von Seen oder gefluteten Tagebaustätten. In letzterem Fall wird bei Fehlen eines natürlichen bzw. einfach realisierbaren Hohlraums im Gestein ein Hohlraum im Reservoir versenkt und verankert.In the first two embodiments is in a closed container, a liquid under high pressure, which is generated by a compressed gas. This compensates for a missing or too small height difference and thus also enables the ground-level construction of an energy store. But it can also be the combination of a reservoir, in which there is a high pressure in the depth, and a lying at the same or almost the same level cavity can be used. This can be z. B. realize in combination of underground cavities next to lakes or the sea, but also on or near the bottom of lakes or flooded opencast mines. In the latter case, a cavity in the reservoir is sunk and anchored in the absence of a natural or easily realizable cavity in the rock.

Dadurch ergeben sich, sofern ein hoher Druck von mehreren Atmosphären eingestellt wird bzw. vorherrscht, zwei wesentliche Vorteile, nämlich ein relativ geringer Platzbedarf bei großer Speichermenge und die Vermeidung von großen Energieverlusten. Letzteres ergibt sich durch das Komprimieren des Gases, da die entstehende Wärme in die Flüssigkeit eingetragen und bei der Entspannung wieder an das Gas abgegeben werden kann, und darüber hinaus die Expansion bzw. Kompression des Gases relativ gering ist. Zudem kann man auch mit anderen Gasen arbeiten als mit der in Anspruch 3 genannten Luft. Vorteilhaft sind hier Gase, die sich durch Kompression nicht oder nur wenig erwärmen und bei Expansion nur wenig abkühlen. So tritt z. B. nach Anspruch 4 bei Verwendung von Wasserstoff oder Helium aufgrund der sehr niedrigen Inversionstemperatur dieser Gase der gegenteilige Effekt auf, da sich das Gas bei Expansion erwärmt. So kann in einem geschlossenen Behältnis der keine nennenswerten Gasverluste aufweist auch ein anders Gas bzw. Gasgemisch als Luft verwendet und Energieverluste durch die Kompression des Gases minimiert werden. Vorteilhaft ist es dabei, in dem zweiten Volumen Vorkehrungen zu treffen, um z. B. im Wasser gelöstes und dort freigesetztes Gas aufzufangen. Dies kann bei Verwendung von Wasser nach Anspruch 2 ein Zusatz sein, der die Gaslöslichkeit reduziert. Dies ist schon bei Salzwasser gegeben, und entsprechend kann ein Salzzusatz oder die Verwendung von Meerwasser als Arbeitsmedium vorteilhaft sein.As a result, if a high pressure of several atmospheres is set or prevails, two significant advantages, namely a relatively small footprint with a large amount of storage and the avoidance of large energy losses. The latter is due to the compression of the gas, since the resulting heat entered into the liquid and during the relaxation can be returned to the gas, and in addition, the expansion or compression of the gas is relatively low. In addition, one can also work with other gases than with the air mentioned in claim 3. Here are gases that are not or only slightly warm by compression and cool only slightly during expansion. So occurs z. B. according to claim 4 when using hydrogen or helium due to the very low inversion temperature of these gases, the opposite effect, since the gas is heated during expansion. Thus, in a closed container which has no appreciable gas losses and a different gas or gas mixture used as air and energy losses are minimized by the compression of the gas. It is advantageous to take precautions in the second volume to z. B. dissolved in the water and released there released gas. This may be an additive when using water according to claim 2, which reduces the gas solubility. This is already the case with salt water, and accordingly a salt addition or the use of seawater as a working medium can be advantageous.

Für die technische Realisierung gibt es mehrere Möglichkeiten. So kann ein System von zwei miteinander verbundenen Behältern genutzt werden, zwischen denen z. B. Wasser hin- und hergepumpt bzw. zur Energieerzeugung und Speicherung genutzt wird. Der unter geringerem Druck stehende Teil kann aber auch ein See, Meer bzw. Ozean, Wasserlauf oder ein offenes Becken sein. Auch kann in einen nicht vollständig mit Wasser gefüllten Behälter Druckluft eingeleitet werden, die Kompression also nicht durch das Einpumpen von Wasser geschehen, sondern durch das Einleiten von Druckluft. So ist dies mindestens bei Inbetriebnahme notwendig, wenn man auf nennenswerte Betriebsdrücke kommen will, da z. B. bei einer Konfiguration mit 50% Wasser und 50% Gasfüllung nur ein Überdruck von 1 bar erreicht würde, wenn man das Wasser einfach hineinpumpt. Setzt man jedoch das halb gefüllte System unter einen Anfangsdruck von 100 bar, so entspricht dies einem anfänglichen Höhenunterschied von 1000 m. Der Druck würde sich dann bei vollständiger Entleerung des Wassers auf ca. 50 bar reduzieren. Dabei kann der Gasvorratsbehälter auch neben dem Wasserbehälter liegen und mit diesem über ein Rohr verbunden sein. Dies würde Wartungsarbeiten und die Verwendung von Spezialgasen erleichtern, da in solch einem Fall das Wasser, sofern ein Trennschieber zwischen den Behältnissen vorhanden ist, ohne Druckverlust abgelassen werden kann. Nach Beendigung der Wartung wird das Wasser einfach wieder hineingefüllt. Anschließend wird es dann wieder mit dem Druck des Gases beaufschlagt. Wichtig ist hier für den Betrieb ein großer Leitungsquerschnitt, um Reibungsverluste zwischen den Behältnissen gering zu halten.There are several possibilities for the technical realization. Thus, a system of two interconnected containers can be used, between which z. B. water pumped back and forth or used for energy production and storage. The lower pressure part can also be a lake, sea or ocean, watercourse or an open basin. Also, in a not completely filled with water tank compressed air can be introduced, so the compression does not happen by pumping in water, but by the introduction of compressed air. So this is necessary at least during commissioning, if you want to come to significant operating pressures because z. B. in a configuration with 50% water and 50% gas filling only an overpressure of 1 bar would be achieved if you simply pumped the water. However, putting the half-filled system under an initial pressure of 100 bar, this corresponds to an initial height difference of 1000 m. The pressure would then reduce to about 50 bar when the water was completely drained. In this case, the gas reservoir can also be located next to the water tank and connected to this via a pipe. This would facilitate maintenance and the use of special gases, since in such a case, the water, if a separating slide between the containers is present, can be drained without pressure loss. After the maintenance, the water is simply refilled. Then it is then charged again with the pressure of the gas. It is important for the operation of a large line cross-section to keep friction between the containers low.

Durch die relativ geringe Expansion des Gases um einen Faktor zwei ist die Erwärmung und Abkühlung des Gases im Betrieb relativ gering. Man kann für einen besseren Wärmeübertrag an die Flüssigkeit diese beim Einleiten zum Beispiel nach Anspruch 8 versprühen, bzw. so einleiten, dass sie im freien Fall und fein verteilt durch das Gas in das Reservoir gelangt. Beim Ausleiten kann die Flüssigkeit bzw. geringe Teile davon am einfachsten im Gasraum versprüht werden, um die Wärme effizient abzugeben. Hier kommt auch der Vorteil einer Flüssigkeit zum tragen, da diese pro Volumen eine relativ hohe Wärmekapazität aufweist und so eine starke Erwärmung oder Abkühlung des Gases bei Kompression und Expansion verhindern kann.Due to the relatively small expansion of the gas by a factor of two, the heating and cooling of the gas during operation is relatively low. For a better transfer of heat to the liquid, it can be sprayed on introduction, for example according to claim 8, or initiated in such a way that it passes into the reservoir in free fall and finely distributed by the gas. When discharging the liquid or small parts thereof can be sprayed most easily in the gas space to dissipate the heat efficiently. Here, the advantage of a liquid also comes to bear, as it has a relatively high heat capacity per volume and can thus prevent a strong heating or cooling of the gas during compression and expansion.

Eine weitere Möglichkeit ist nach Anspruch 9 die Kombination vom anspruchsgemäßen Energiespeicher mit einem Wärmespeicher. Hier kann die Flüssigkeit bei Verwendung von gut wärmeisolierten Reservoirs dazu verwendet werden, Wärmeenergie zu speichern, was zur Kühlung im Sommer und zur Heizung im Winter genutzt werden kann. Dies ist vor allen Dingen in der Nähe zu Häusern oder Industrieanlagen interessant, weniger wenn der Speicher nahe am Ort der Energieerzeugung, z. B. mit Windkraft aufgestellt ist, da diese meist in einiger Entfernung zu möglichen Wärmeabnehmern stehen.Another possibility is according to claim 9, the combination of the claimed energy storage with a heat storage. Here, when using well-insulated reservoirs, the liquid can be used to store heat energy, which can be used for summer cooling and winter heating. This is especially interesting in the vicinity of houses or industrial plants, less if the memory near the place of power generation, eg. B. is erected with wind power, since they are usually at a distance to possible heat consumers.

Prinzipiell ist die Methode an sehr vielen Standorten und Konfigurationen realisierbar. So kann der Druckbehälter sowohl über- als auch nach Anspruch 5 unterirdisch verlegt sein, das druckärmere Reservoir ebenfalls und die Anordnung zueinander, neben-, über- oder untereinander erfolgen. Der Druckbehälter ist ideal als Kugel oder Zylinder mit halbkugelförmigen Enden realisiert. Jedoch kann er auch andere beliebige Formen haben. Speziell wenn er unterirdisch in natürliche Hohlräume oder künstliche Stollen eingebaut wird, muss das tragende Gestein nur durch eine dünnere Außenwand abgedichtet sein.In principle, the method can be implemented in many locations and configurations. Thus, the pressure vessel may be installed above as well as above according to claim 5 underground, the pressure-poorer reservoir also and the arrangement to each other, next to, above or below each other. The pressure vessel is ideally realized as a ball or cylinder with hemispherical ends. However, it can also have any other shapes. Especially if it is installed underground in natural cavities or artificial tunnels, the supporting rock must be sealed only by a thinner outer wall.

Neben einer Lösung unter Tage ist nach Anspruch 6 auch ein Speichersystem unter Wasser sinnvoll. Hier muss das Expansionsvolumen druckfest aufgebaut sein und unter niedrigerem Druck als das umgebende Wasser stehen. Liegt solch ein Gasbehälter, idealerweise über ein Rohr in Verbindung mit der Atmosphäre, in einer ausreichenden Tiefe, z. B. 500 m tief, so kann er mit Tiefenwasser, das dann unter einem Druck von ca. 50 bar liegt, gefüllt werden, wobei Generatoren Strom gewinnen können. Das Auspumpen des Speichers bewirkt eine Füllung mit Gas bzw. Außenluft, die in letzterem Fall über die Leitung zur Atmosphäre bewerkstelligt wird. Dabei kann der Speicher auch im benachbarten Grund liegen, was Probleme mit dem Auftrieb und eine aufwendige Sicherung verhindert.In addition to a solution underground, a storage system under water makes sense according to claim 6. Here, the expansion volume must be built pressure-resistant and under lower pressure than the surrounding water. Is such a gas container, ideally via a pipe in connection with the atmosphere, in a sufficient depth, z. B. 500 m deep, it can be filled with deep water, which is then under a pressure of about 50 bar, with generators can gain power. The pumping of the memory causes a filling with gas or outside air, which is accomplished in the latter case via the line to the atmosphere. In this case, the memory can also lie in the neighboring reason, which prevents problems with the buoyancy and a complex backup.

Ideal für eine lange Nutzung ist eine möglichst gas- und wasserdichte Abdichtung des Druckbehälters. Dies kann mit vielen Werkstoffen geschehen, so z. B. mit einem Folienmaterial auf einem tragenden Untergrund oder mittels Kunstharzen. Letztere können z. B. mit Kohlefasermatten einen druckfesten Behälter realisieren, der ggf. außen mit einem weiteren tragenden und schützenden Material umgeben ist. Erstgenannte Lösung erfordert einen Träger, dies kann z. B. ein Stollen sein und/oder ein Stahlbetonmantel und/oder eine Metall- oder Verbundstofflösung wie faserverstärkte Werkstoffe. Aber auch Metallbehälter können eingesetzt werden. Bei einer weiteren Lösungsmöglichkeit wird ein nach unten abgedichtetes Wasserreservoir mit einem Zugkräfte abfangenden Dach versehen, welches entweder die Fläche überdeckt oder mittels dazwischenliegender Stützen das Gewicht des Daches oder die durch einen Überdruck entstehenden Zugkräfte aufnimmt. Unter Sicherheitsaspekten sind jedoch bei hohen Drücken kugel- oder zylinderförmige oder aus solchen Elementen bestehende Behältnisse, sofern die Drücke nicht z. B. im Gestein oder einem anderen Träger abgefangen werden, vorzuziehen. Ideal for long-term use is a gas-tight and watertight seal of the pressure vessel. This can be done with many materials, such. B. with a film material on a supporting surface or by means of synthetic resins. The latter can z. B. with carbon fiber mats realize a pressure-resistant container, which is possibly outside surrounded with another supporting and protective material. The former solution requires a carrier, this can, for. B. a stud and / or a reinforced concrete shell and / or a metal or composite solution such as fiber-reinforced materials. But also metal containers can be used. In another possible solution, a water reservoir sealed at the bottom is provided with a traction-absorbing roof, which either covers the surface or, by means of intermediate supports, absorbs the weight of the roof or the tensile forces resulting from overpressure. From a safety point of view, however, at high pressures spherical or cylindrical or consisting of such elements containers, unless the pressures are not z. B. be caught in the rock or other carrier, preferable.

Auch ist es aus Sicherheitsgründen bei Druckbehältern sinnvoll, an geeigneter Stelle ein Sicherheitsventil anzubringen, welches das Ausströmen des Gases in eine für Mensch und Umwelt ungefährliche Richtung ermöglicht. Dies ist meist ein Ausströmen vertikal in die Atmosphäre.It is also useful for safety reasons in pressure vessels to install a safety valve at a suitable location, which allows the outflow of the gas in a safe for humans and the environment direction. This is usually an outflow vertically into the atmosphere.

Die Erfindung ist prinzipiell als Luft-Wassersystem bis zu einem Druck von ca. 830 bar sinnvoll einsetzbar. Darüber erreicht die Dichte der Luft denselben oder einen höheren Wert als Wasser und der Energiegehalt des Speichers wird dann vergleichbar hoch, d. h. der Einsatz von Wasser ist abgesehen von der Nutzung als Wärmereservoir für den Expansions- und Kompressionsvorgang überflüssig. Dennoch sind selbst bei solch hohen Drücken die Expansionsverluste des Gases erheblich und Wasser als Träger im Vorteil. Da derzeit solch großen Drücke nicht sicher umsetzbar sind, ist die Kombination Flüssigkeit-Gasdruck bzw. Flüssigkeitsdruck-Gas durch den höheren Wirkungsgrad vorteilhaft gegenüber rein gasbetriebenen Speicherlösungen.The invention is useful in principle as an air-water system up to a pressure of about 830 bar. In addition, the density of air reaches the same or higher value than water, and the energy content of the storage becomes comparably high, i. H. the use of water is redundant apart from the use as a heat reservoir for the expansion and compression process. Nevertheless, even at such high pressures, the expansion losses of the gas are significant and water as the carrier at an advantage. Since currently such large pressures can not be safely implemented, the combination of liquid-gas pressure and liquid-pressure gas by the higher efficiency is advantageous over purely gas-powered storage solutions.

Zeichnung 1a stellt mögliche Ausführungsformen vor. So sind hier zwei nebeneinander liegende Speicher H1 mit Druck P1 101 und H3 mit Druck P2 102 zu sehen, welche mittels eines Rohres 103 und einer Einheit zur Stromgewinnung bzw. zum Pumpen 104 miteinander verbunden sind. In dieser Einheit kann zudem ein Regelventil eingebaut sein, dies ist aber auch an anderer Stelle der Leitung 103 möglich. Der Behälter 101 ist dabei geschlossen, der Behälter 102 mit einer Öffnung 105 ausgelegt.Drawing 1a presents possible embodiments. So here are two adjacent memory H 1 with pressure P 1 101 and H 3 with pressure P 2 102 to see which by means of a pipe 103 and a unit for power generation or pumping 104 connected to each other. In addition, a control valve can be installed in this unit, but this is also elsewhere on the line 103 possible. The container 101 is closed, the container 102 with an opening 105 designed.

Zeichnung 1b ist analog eine Ausführung mit beiden Behältern 101 und 102 unter Tage. Zeichnung 2a zeigt eine Möglichkeit der übereinanderliegenden Anordnung. Hier ist der Druckbehälter H1 mit Druck P2 201 oberhalb des Behältnisses H3 mit Druck P2 202 angeordnet, wobei über ein oder mehrere Elemente 204 Energie gewonnen bzw. in H1 gespeichert wird.Drawing 1b is analogous to an embodiment with two containers 101 and 102 underground. Drawing 2a shows a possibility of superimposed arrangement. Here is the pressure vessel H 1 with pressure P 2 201 above the container H 3 with pressure P 2 202 arranged, using one or more elements 204 Energy is gained or stored in H 1 .

Eine weitere Ausführungsform ist der Aufbau der Speicher umeinander wie in Zeichnung 2b gezeigt. Hier wird z. B. um den Speicher H1 mit Druck P1 211 eine zweite Hülle 212 als Speicher H3 mit Druck P2 in einem größeren Abstand gelegt und die Flüssigkeit zwischen Innen- und Außenraum über ein oder mehrere Elemente 214 hin- und hergepumpt. So ist hier z. B. bei einer Kugelform die innere Kugel mit einem Radius von ca. 20 m ausgelegt, die äußere mit einem Radius von ca. 25 m, um dasselbe Volumen in beiden Bereichen zu erzielen.Another embodiment is the construction of the memory around each other as shown in drawing 2b. Here is z. B. to the memory H 1 with pressure P. 1 211 a second shell 212 as memory H 3 with pressure P 2 placed at a greater distance and the liquid between the interior and exterior via one or more elements 214 pumped back and forth. So here is z. For example, in a spherical shape, the inner sphere is designed with a radius of about 20 m, the outer with a radius of about 25 m, to achieve the same volume in both areas.

Analog zu Zeichnung 1 kann ein Speicher auch über zwei Behältnisse unter hohem Druck verfügen, welche wie schon ausgeführt Vorteile in Bezug auf Wartungsarbeiten bieten. So ist in Zeichnung 3a der Speicher H1 mit Druck P1 ein reiner Gasspeicher, ergänzt um einen Flüssigkeitsspeicher H2 mit Druck P1 301, der z. B. über eine Leitung 303 und ein oder mehrere Energieerzeuger bzw. -speicherelemente die Flüssigkeit zu einem weiteren Speicher H3 mit Druck P2 strömen lassen bzw. pumpen.Analogous to drawing 1, a store can also have two containers under high pressure, which, as already stated, offer advantages in terms of maintenance work. Thus, in drawing 3a, the reservoir H 1 with pressure P 1 is a pure gas reservoir, supplemented by a liquid reservoir H 2 with pressure P 1 301 , the z. B. via a line 303 and one or more power generators or storage elements allow the liquid to flow or pump to a further reservoir H 3 with pressure P 2 .

Eine analoge Ausführung ist in Zeichnung 3b, hier aber mit einem offenen natürlichen Speicher in Form eines Sees 306, ausgelegt.An analogous version is in drawing 3b, but here with an open natural memory in the form of a lake 306 , designed.

Der Vorteil eines geschlossenen Systems ist die Vermeidung von Verunreinigungen des Wassers, z. B. durch Wasserpflanzen, Äste oder andere in natürlichen Gewässern vorkommende Objekte.The advantage of a closed system is the prevention of contamination of the water, eg. B. by aquatic plants, branches or other occurring in natural waters objects.

Auch können beide Behälter prinzipiell geschlossen oder anders geformt sein wie in Zeichnung 4 gezeigt. So kann Behälter bzw. Speicher H1 401 einen hohen Druck P1 aufweisen (z. B. 100 bar) und Behälter H3 402 einen niedrigen P2 (z. B. 1 bar). Beim Erzeugen von Energie durch die Flüssigkeit über Leitungen 403 und Energietauschereinheit 404 sinkt der Druck in Behälter H1 (z. B. auf ca. 50 bar) und steigt in Behälter H3 an (z. B. auf ca. 2 bar). Dies erleichtert die Verwendung von Spezialgasen, die die mögliche Temperaturänderung bei Expansion bzw. Kompression minimieren. Des weiteren kann das Gas nach Anspruch 7 durch eine elastische Membran bzw. einen Ballon oder ballonähnlichen Behälter von der Flüssigkeit getrennt sein, um z. B. die Eindiffusion von Gas in die Flüssigkeit und damit Druckverluste zu minimieren.Also, both containers can in principle be closed or shaped differently as shown in drawing 4. So can container or memory H 1 401 have a high pressure P 1 (eg 100 bar) and container H 3 402 a low P 2 (eg 1 bar). When generating energy through the liquid via lines 403 and energy exchanger unit 404 the pressure in vessel H 1 drops (eg to about 50 bar) and rises in vessel H 3 (eg to about 2 bar). This facilitates the use of specialty gases that minimize the potential temperature change during expansion or compression. Furthermore, the gas may be separated from the liquid by an elastic membrane or a balloon or balloon-like container according to claim 7, z. B. the diffusion of gas into the liquid and thus to minimize pressure losses.

Auch ist ein Speicher in einem Gewässer, wie beispielhaft in Zeichnung 5 gezeigt, möglich. Hierdurch wird bei Realisierung in oder auf dem Seegrund nur dieser oder, wenn schwebend, nur ein Bereich im Wasser durch den Speicher 502 beeinflusst, der Speicher bleibt im Landschaftsbild jedoch unsichtbar. Der Speicher ist in diesem Beispiel das Tiefenwasser in Reservoir R1 unter Druck P1, welches über einen Energietauscher 504 in den Behälter H3 mit Druck P2 gelangt, der in diesem Beispiel über eine Leitung 507 mit der Atmosphäre verbunden ist, jedoch auch ohne eine solche Leitung betrieben werden kann. Vorteilhaft ist dies z. B. in seenreichen flachen Gebieten oder im offenen Meer, wo häufig viel Windenergie anfällt, die idealerweise für Zeiten geringen Winds zwischengespeichert wird. Eine weitere Möglichkeit, eine Anlage nach Zeichnung 5 zu realisieren, ist die Integration mit einem im Wasser stehenden Windrad. So wird z. B. um den Sockel des Windrads ein entsprechender Behälter konstruiert, der nach Bedarf als Speicher genutzt wird. Die Luft kann dabei entweder vom Behältnis über den Windradmast ein- bzw. ausgeleitet oder über eine separate Zuführung geleitet werden. Je nach Auslegung des Behältnisses kann es auch eine stabilisierende Wirkung auf die Windradkonstruktion ausüben. Zudem ist bei solch einer Konstruktion relativ einfach ein Zugang zu der Turbine des Speichers, die idealerweise über den Mast bzw. das Mastfundament erreicht werden kann, möglich.Also, a reservoir in a body of water, as shown by way of example in drawing 5, is possible. As a result, when realized in or on the lake bottom only this or, if floating, only an area in the water through the memory 502 influenced, the memory remains invisible in the landscape. The memory is in this example the deep water in reservoir R 1 under pressure P 1 , which via an energy exchanger 504 enters the container H 3 with pressure P 2 , which in this example via a line 507 connected to the atmosphere, but can also be operated without such a line. This is advantageous for. B. in lake-rich shallow areas or in the open sea, where often generates a lot of wind energy, which is ideally cached for times of low wind. Another way to realize a system according to drawing 5, is the integration with a standing in the water wind turbine. So z. B. designed around the base of the wind turbine, a corresponding container, which is used as needed as a memory. In this case, the air can either be introduced or removed from the container via the windmill mast or directed via a separate feed. Depending on the design of the container, it can also exert a stabilizing effect on the wind turbine construction. In addition, with such a construction relatively easy access to the turbine of the memory, which can be achieved ideally via the mast or the mast foundation, possible.

Die Speicher können unterirdisch, oberirdisch, in oder zum Teil in einem Gewässer oder auch nur teilweise unter Grund realisiert werden.The reservoirs can be realized underground, above ground, in or partly in a body of water or even partly under ground.

Auch eignet sich nach Anspruch 10 ein kompakter Speicher, der kontinuierlich von einer Pumpe, die vom Stromnetz gespeist wird, befüllt wird und kontinuierlich Strom über einen Generator erzeugt als Puffer bei Spannungsschwankungen und unsauberem Strom, wie auch bei kurzen Angebotsschwankungen als Energiepuffer, sowie bei Stromausfall als Puffer bis zum Betrieb eines Notstromaggregats. Da bei normaler Versorgung aus dem Stromnetz der Druck im Behälter nahezu konstant bleiben kann, ist eine energieeffiziente Entkopplung der Stromnetze und eine kurzfristige Pufferung somit einfach möglich. Durch die kurzen Rohrleitungen sind hier geringe Reibungsverluste des Systems möglich. Nur die jeweiligen Wirkungsgrade der Pumpen und Turbineneinheit sind für die Gesamteffizienz des Systems wesentlich, andere Faktoren sind nahezu vernachlässigbar.Also according to claim 10 is a compact memory that is continuously filled by a pump that is powered by the mains, and continuously generates electricity through a generator as a buffer for voltage fluctuations and dirty power, as well as short supply fluctuations as an energy buffer, as well as power failure as a buffer until the operation of an emergency generator. Since the pressure in the tank can remain virtually constant during normal supply from the power grid, an energy-efficient decoupling of the power grids and short-term buffering is thus easily possible. Due to the short pipelines low friction losses of the system are possible here. Only the respective efficiencies of the pumps and turbine unit are essential to the overall efficiency of the system, other factors are almost negligible.

Prinzipiell ist der erfindungsgemäße Energiespeicher mit allen Flüssigkeiten und Gasen, die keine unerwünschten Reaktionen miteinander oder dem Behältnis und Generator aufweisen, realisierbar. So kann man prinzipiell bei Verwendung von schweren flüssigen Metallen wie Gallium, Quecksilber oder Legierungen wie Galinstan eine höhere Speicherdichte bei gleichem Volumen erzielen. Jedoch sind diese Metalle teuer, teilweise giftig und in großen Mengen derzeit nur schwer ökonomisch einsetzbar.In principle, the energy store according to the invention can be realized with all liquids and gases which have no undesired reactions with one another or with the container and generator. So you can in principle achieve a higher storage density at the same volume when using heavy liquid metals such as gallium, mercury or alloys such as Galinstan. However, these metals are expensive, sometimes toxic and currently difficult to use economically in large quantities.

Die genannten Beispiele sind nur einige einer Vielzahl von Ausführungsmöglichkeiten und können meist auch miteinander kombiniert werden. So sind die Anzahl und Art der Energieerzeuger und Pumpen vielfältig, genauso wie die Anzahl der Behältnisse und Reservoirs und deren Platzierung. Auch können Flüssigkeits- und Gasgemische anstatt reiner Flüssigkeiten und Gase eingesetzt werden.The examples mentioned are only a few of a variety of design options and can usually be combined with each other. Thus, the number and type of power generators and pumps are diverse, as well as the number of containers and reservoirs and their placement. Also, liquid and gas mixtures can be used instead of pure liquids and gases.

Claims (10)

Pumpspeicherkraftwerk gekennzeichnet durch i) einen teilweise flüssigkeitsgefüllten ersten Hohlraum H1 mit einem darin vorhandenen Gas unter einem Druck P1 oder ii) einen zeitweise teilweise bis vollständig flüssigkeitsgefüllten ersten Hohlraum H1 und einen damit verbundenem Hohlraum H2 mit einem Gas unter einem Druck P1 oder iii) eine Entnahmestelle unter einem Druck P1 in einem Flüssigkeitsreservoir R1. Dabei ist der erste Hohlraum H1 bzw. H1 und H2 bzw. das Reservoir R1 verbunden mit einem weiterem Hohlraum H3 oder im Fall eines Hohlraums H1 bzw. H1 und H2 auch mit einem Reservoir R2, welches unter einem niedrigeren Druck P2 steht. Zwischen dem ersten Hohlraum H1 bzw. H1 und H2 oder Reservoir R1 unter Druck P1 und dem Hohlraum H3 oder Reservoir R2 unter dem Druck P2 liegt ein durch die Flüssigkeit und den Druckunterschied P1 > P2 mechanisch angetriebener Erzeuger für elektrische Energie, sowie ein als Druckerzeuger dienendes Bauteil, das identisch mit dem elektrische Energie erzeugenden Bauteil sein kann.Pumped storage power plant characterized by i) a partially liquid-filled first cavity H 1 with a therein gas at a pressure P 1 or ii) H 2 with a gas under a pressure P 1 is a partly partially to completely liquid-filled first cavity H 1 and a related materiel cavity or iii) an extraction point under a pressure P 1 in a liquid reservoir R 1 . Here, the first cavity H 1 or H 1 and H 2 or the reservoir R 1 is connected to a further cavity H 3 or in the case of a cavity H 1 or H 1 and H 2 with a reservoir R 2 , which under a lower pressure P 2 is. Between the first cavity H 1 or H 1 and H 2 or reservoir R 1 under pressure P 1 and the cavity H 3 or reservoir R 2 under the pressure P 2 is a mechanically driven by the liquid and the pressure difference P 1 > P 2 Generator for electrical energy, as well as serving as a pressure generator component that may be identical to the electrical energy-generating component. Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch den Einsatz von Wasser als flüssiges Medium.Pumped storage power plant according to claim 1 characterized by the use of water as the liquid medium. Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch den Einsatz von Luft als gasförmiges Medium.Pumped storage power plant according to claim 1 characterized by the use of air as a gaseous medium. Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch den Einsatz von Wasserstoff, Helium oder von einem anderen Gas mit einer Inversionstemperatur < 500°C als gasförmiges Medium.Pumped storage power plant according to claim 1 characterized by the use of hydrogen, helium or other gas with an inversion temperature <500 ° C as a gaseous medium. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die teilweise oder vollständige Realisierung unter Tage. Pumped storage power plant according to at least one of the preceding claims characterized by the partial or complete realization underground. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die teilweise oder vollständige Realisierung unter Wasser.Pumped storage power plant according to at least one of the preceding claims characterized by the partial or complete realization under water. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die räumliche Trennung des Gases von der Flüssigkeit durch eine Membran oder durch einballonartiges Behältnis für das Gas.Pumped storage power plant according to at least one of the preceding claims characterized by the spatial separation of the gas from the liquid through a membrane or by a balloon-like container for the gas. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch den schnellen Temperaturausgleich zwischen Flüssigkeit und Gas durch Versprühen der Flüssigkeit im Gasraum, das Einblasen des Gases in die Flüssigkeit und/oder durch Wärmetauscherleitungen an den Behältniswänden und/oder im Gasraum.Pumped storage power plant according to at least one of the preceding claims characterized by the rapid temperature compensation between liquid and gas by spraying the liquid in the gas space, the blowing of the gas into the liquid and / or by heat exchanger lines to the container walls and / or in the gas space. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die zusätzliche Nutzung als Wärmespeicher, um Überschusswärme zur späteren Nutzung zu speichern.Pumped storage power plant according to at least one of the preceding claims characterized by the additional use as a heat storage to store excess heat for later use. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch den Einsatz als Trennglied, Puffer und/oder unterbrechungsfreie Stromversorgung zwischen einem Stromnetz und einem Verbraucher.Pumped storage power plant according to at least one of the preceding claims characterized by the use as a separator, buffer and / or uninterruptible power supply between a power grid and a consumer.
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