DE102015222983A1

DE102015222983A1 - Energiespeichersystem

Info

Publication number: DE102015222983A1
Application number: DE102015222983.1A
Authority: DE
Inventors: Dirk Vahle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2017-05-24
Also published as: WO2017084792A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem (1) zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie mit einer elektrischen Maschine (4), die antriebsmäßig mit einer hydraulischen Maschine (5) verbunden ist, und mit einer pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung (10), die unter Zwischenschaltung von Ventileinrichtungen zwischen der hydraulischen Maschine (5) und eine Gasspeichereinrichtung (8) angeordnet ist. Um das Speichern von elektrischer Energie mit einer elektrischen Maschine zu optimieren, umfasst die pneumatisch-hydraulische Kolbenzylinderanordnung (10) mindestens eine Gaskolbenpumpe (12), die zwei Pneumatikanschlüsse (33, 34) und zwei Hydraulikanschlüssse (23, 24) aufweist, die unter Zwischenschaltung einer Hydraulikventileinrichtung (26) mit der hydraulischen Maschine (5) verbindbar beziehungsweise verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie mit einer elektrischen Maschine, die antriebsmäßig mit einer hydraulischen Maschine verbunden ist, und mit einer pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung, die unter Zwischenschaltung von Ventileinrichtungen zwischen der hydraulischen Maschine und einer Gasspeichereinrichtung angeordnet ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Energiespeichersystems. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Anlage zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie mit einem derartigen Energiespeichersystem.
Stand der Technik
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2013 105 186 A1 ist ein Druckluft-Energiespeichersystem mit einem Druckluftspeicher, einer Verdichteranordnung zum Zuführen von komprimierter Luft zum Druckluftspeicher, und mit einer pneumatisch-hydraulischen Vorrichtung mit zumindest einer pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung zum Erzeugen eines hydraulischen Drucks bekannt, der einer hydraulischen Maschine zum Antrieb einer Last zuführbar ist, wobei die zumindest eine pneumatisch-hydraulische Kolbenzylinderanordnung zumindest zwei Zylinder mit jeweils einer pneumatischen Kammer zum Entspannen von Druckluft aufweist, wobei die pneumatischen Kammern in Reihe mit einem Auslass des Druckluftspeichers verbunden sind. Aus dem US-Patent US 7,832,207 B2 sind ein Verfahren und ein System zum Speichern und Zurückgewinnen von Energie bekannt, wobei hydraulisch-pneumatische Akkumulatoren für offene Luft zusammen mit Verstärkeranordnungen verwendet werden, in denen mindestens ein Akkumulator und mindestens ein Verstärker mit einem Hochdruck-Gasspeicherreservoir in Verbindung steht, wobei eine fluidische Maschine auf einer Fluidseite mit einer elektrischen Maschine gekoppelt ist.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, das Speichern von elektrischer Energie mit einer elektrischen Maschine, die antriebsmäßig mit einer hydraulischen Maschine verbunden ist, und mit einer pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung, die unter Zwischenschaltung von Ventileinrichtungen zwischen der hydraulischen Maschine und einer Gasspeichereinrichtung angeordnet ist, insbesondere im Hinblick auf den Platzbedarf, den Wirkungsgrad und/oder im Hinblick auf thermodynamische Verluste, zu optimieren.
Die Aufgabe ist bei einem Energiespeichersystem zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie mit einer elektrischen Maschine, die antriebsmäßig mit einer hydraulischen Maschine verbunden ist, und mit einer pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung, die unter Zwischenschaltung von Ventileinrichtungen zwischen der hydraulischen Maschine und einer Gasspeichereinrichtung angeordnet ist, dadurch gelöst, dass die pneumatisch-hydraulische Kolbenzylinderanordnung mindestens eine Gaskolbenpumpe umfasst, die zwei Pneumatikanschlüsse und zwei Hydraulikanschlüsse aufweist, die unter Zwischenschaltung einer Hydraulikventileinrichtung mit der hydraulischen Maschine verbindbar beziehungsweise verbunden sind. Die elektrische Maschine kann als Elektromotor oder als Generator betrieben werden. Die hydraulische Maschine kann als Hydraulikpumpe oder als Hydraulikmotor betrieben werden. Mit Hilfe der mindestens einen Gaskolbenpumpe kann auf einfache Art und Weise eine sehr effiziente Druckluft-Speicheranlage für elektrische Energie bereitgestellt werden. Mit dem Energiespeichersystem kann durch Verdichtung von Gas, insbesondere von Umgebungsluft, pneumatische Energie in einer Größenordnung von hundert bis siebenhundert bar in der Gasspeichereinrichtung gespeichert werden. Zur Energieerzeugung wird die gespeicherte pneumatische Energie, insbesondere die gespeicherte Luft beziehungsweise Druckluft, in die Umgebung entspannt und treibt die als Hydraulikmotor betriebene Hydraulikmaschine sowie die daran angeschlossene als Generator arbeitende elektrische Maschine an. Der Generator gibt die dabei erzeugte Elektroenergie an einen Verbraucher zurück. Die mindestens eine Gaskolbenpumpe stellt einen Luftverdichter dar, der durch hydraulischen Druck, insbesondere hydraulischen Öldruck, angetrieben wird, der wiederum von der als Hydraulikpumpe arbeitenden hydraulischen Maschine bereitgestellt wird. Während dabei auf einer Seite der Gaskolbenpumpe das Gas, insbesondere die Luft, verdichtet und in die Gasspeichereinrichtung gefördert wird, wird auf der anderen, insbesondere entgegengesetzten oder gegenüberliegenden, Seite der Gaskolbenpumpe Gas, insbesondere Luft, aus der Umgebung angesaugt. Durch eine geeignete Umsteuerung von Ventileinrichtungen, die den Pneumatikanschlüssen beziehungsweise den Hydraulikanschlüssen zugeordnet sind, können Förder- und Saugbereiche der Gaskolbenpumpe im Wechsel von einer zur anderen Seite der Gaskolbenpumpe betrieben werden. Zur Rückgewinnung der gespeicherten pneumatischen Energie wird das unter Druck stehende Gas, insbesondere die unter Druck stehende Luft, aus der Gasspeichereinrichtung über die Gaskolbenpumpe abgelassen. Bei einer Verdichtung des Hydraulikmediums, insbesondere einer Hydraulikflüssigkeit, in einem Doppelkolben der Gaskolbenpumpe kann dann auf einfache Art und Weise die als Hydraulikmotor arbeitende Hydraulikmaschine angetrieben werden. Durch die Kopplung mit der Elektromaschine kann die gespeicherte Pneumatikenergie über die als Elektrogenerator arbeitende elektrische Maschine in Form von elektrischer Energie zurück an den Verbraucher gegeben werden. Das Steuern beziehungsweise Umsteuern erfolgt durch geeignete hydraulische und pneumatische Schaltventile.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Energiespeichersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskolbenpumpe zwei durch ein Trennelement voneinander getrennte innere Hydraulikzylinderräume umfasst, die durch zwei Kolben von äußeren Pneumatikzylinderräumen getrennt sind, die unter Zwischenschaltung von Pneumatikventileinrichtungen mit der Gasspeichereinrichtung oder einer Umgebung verbindbar beziehungsweise verbunden sind. Dadurch wird auf einfache Art und Weise eine gekoppelte Zwangsrückstellung der Kolben der Gaskolbenpumpe ermöglicht. Das Energiespeichersystem mit der hydraulischen Maschine und der Gaskolbenpumpe ist hydraulisch in sich abgedichtet. Durch die Anordnung der Hydraulikzylinderräume und der Pneumatikzylinderräume in Kombination mit den beiden Kolben und dem Trennelement in der Gaskolbenpumpe wird ein einfacher Systemaufbau ermöglicht. Darüber hinaus wird eine besonders kompakte Bauweise mit relativ wenig Ansteuerventilen ermöglicht. Durch eine gezielte Ansteuerung der Steuerventile können unerwünschte Energieverluste im thermodynamischen Gasprozess gering gehalten werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Energiespeichersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolben durch eine Kolbenstange, die sich durch das Trennelement hindurch erstreckt, so miteinander gekoppelt sind, dass sich im Betrieb der Gaskolbenpumpe eine Zwangsrückstellung der Kolben ergibt. Das Trennelement ist zum Beispiel als Trennwand in einem Zylinder ausgeführt, in welchem die durch die Kolbenstange miteinander gekoppelten Kolben hin und her bewegbar geführt sind. Die Kolben begrenzen mit einander zugewandten Kolbenflächen die Hydraulikzylinderräume, die durch das Trennelement voneinander getrennt sind. Mit ihren voneinander abgewandten Kolbenflächen begrenzen die Kolben die Pneumatikzylinderräume. Der Zylinder der Gaskolbenpumpe hat zum Beispiel im Wesentlichen die Gestalt eines geraden, geschlossenen Hohlzylinders.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Energiespeichersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass Drosselrückschlagventile zwischen die pneumatisch-hydraulische Kolbenzylinderanordnung und die der Umgebung zugeordneten Pneumatikventileinrichtungen geschaltet sind. Die Drosselrückschlagventile dienen vorteilhaft dazu, die unerwünschten Energieverluste im Speicherprozess weiter zu reduzieren. Die Drosselrückschlagventile können geregelt oder ungeregelt ausgeführt sein. Durch die Verwendung der Drosselrückschlagventile kann besonders vorteilhaft auf eine wechselseitige Ansteuerung der Pneumatikventileinrichtungen verzichtet werden. Die Drosselrückschlagventile liefern den Vorteil, dass die Pneumatikventileinrichtungen während eines Entspannungsprozesses geöffnet bleiben können.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Energiespeichersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gasspeichereinrichtung einen Gasspeicher umfasst, der von einem Temperaturspeichersystem umgeben ist. Der Gasspeicher, insbesondere Luftspeicher, befindet sich vorteilhaft in einem Temperaturspeichersystem aus einem flüssigen oder festen Werkstoff. Das Temperaturspeichersystem dient vorteilhaft dazu, Verdichtungswärme zwischenzuspeichern. Das Temperaturspeichersystem gibt die gespeicherte Wärme bedarfsabhängig gesteuert oder ungesteuert wieder an den Gasspeicher, insbesondere Luftspeicher, zurück, um das gespeicherte Gas, insbesondere die gespeicherte Luft, vor ihrer Entspannung zu erwärmen. Dadurch können die Energieverluste im Betrieb des Energiespeichersystems weiter reduziert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Energiespeichersystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gasspeichereinrichtung mindestens ein Wärmetauscher zugeordnet ist. Durch den mindestens einen Wärmetauscher können die unerwünschten Energieverluste im Betrieb des Energiespeichersystems weiter reduziert werden. Der mindestens eine Wärmetauscher ist zum Beispiel in oder an der Gasspeichereinrichtung installiert. In einem Verdichtungsprozess übernimmt der mindestens eine Wärmetauscher vorteilhaft die entstehende Kompressionswärme und transportiert diese zum Beispiel zu einem weiteren Wärmetauscher in der Umgebung. Dort kühlt sich ein Transportmedium des Wärmetauschers ab und wird zurück zu der Gasspeichereinrichtung geführt. Im Entspannungsprozess der Gasspeichereinrichtung wird dann vorteilhaft Wärme aus der Umgebung in Richtung der Gasspeichereinrichtung transportiert. Dadurch kann das sich entspannende Gas, insbesondere die sich entspannende Luft, auf einfache Art und Weise erwärmt werden. Der vorab beschriebene Prozess kann vorteilhaft durch einen aktiven Lüfter am Wärmetauscher der Umgebung unterstützt werden.
Bei einem Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Energiespeichersystems ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass in einem der Pneumatikzylinderräume der pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung Gas, insbesondere Luft, verdichtet wird, während in den anderen Pneumatikzylinderraum der pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung Gas, insbesondere Luft, aus der Umgebung angesaugt wird. Das verdichtete Gas wird in die Gasspeichereinrichtung gefördert. Durch die Zwischenspeicherung können die unerwünschten Energieverluste im Betrieb des Energiespeichersystems vorteilhaft reduziert werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die den Pneumatikzylinderräumen der pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung zugeordneten Pneumatikventileinrichtungen wechselseitig so zu-/abgeschaltet werden, dass Gas aus der Gasspeichereinrichtung langsam entspannt wird. Dadurch wird verhindert, dass das Gas, insbesondere die Luft, im Entspannungsprozess zu stark abkühlt. Dadurch können die unerwünschten Energieverluste im Betrieb des Energiespeichersystems weiter reduziert werden.
Bei einer Anlage zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie mit einem vorab beschriebenen Energiespeichersystem ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die Anlage mindestens zwei Gaskolbenpumpen und als Gasspeichereinrichtung Gasflaschen in einem Anlagenschrank umfasst, in welchem auch die elektrische Maschine und die hydraulische Maschine untergebracht sind. Bei den Gasflaschen handelt es sich besonders vorteilhaft um herkömmliche Gasflaschen. Die elektrische Maschine und die hydraulische Maschine sind vorteilhaft in einem unteren Bereich des Anlagenschranks untergebracht.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Gaskolbenpumpe, eine hydraulische Maschine und/oder eine elektrische Maschine für ein vorab beschriebenes Energiespeichersystem, insbesondere für eine vorab beschriebene Anlage zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
1 eine Darstellung des Energiespeichersystems mit einer Gaskolbenpumpe und einer Gasspeichereinrichtung in Form eines Hydraulikschaltplans;
2 ein pV-Diagramm zu dem Energiespeichersystem aus 1;
3 einen Ausschnitt aus 1 mit einer zusätzlichen Drosselregelung;
4 ein pV-Diagramm zu dem Energiespeichersystem aus 3;
5 einen Ausschnitt des Energiespeichersystems aus 1 mit einem Temperaturspeichersystem, das der Gasspeichereinrichtung zugeordnet ist;
6 ein pV-Diagramm zu dem Energiespeichersystem aus 5;
7 einen Ausschni8tt des Energiespeichersystems aus 1 mit einem zusätzlichen Wärmetauscher, welcher der Gasspeichereinrichtung zugeordnet ist;
8 ein pV-Diagramm zu dem Energiespeichersystem aus 7;
9 einen Anlagenschrank mit einem Energiespeichersystem, wie es in 1 dargestellt ist, und
10 eine Sicht in den Anlagenschrank aus 9 zur Darstellung einer Anordnung von Gasflaschen und Gaskolbenpumpen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Energiespeichersystem 1 mit einer elektrischen Maschine 4 und einer hydraulischen Maschine 5 in Form eines Hydraulikschaltplans dargestellt. Durch ein Plussymbol und ein Minussymbol ist in 1 angedeutet, dass die elektrische Maschine 4 an eine elektrische Versorgungseinrichtung angeschlossen ist. Die elektrische Maschine 4 kann sowohl als Elektromotor als auch als Generator betrieben werden.
Die hydraulische Maschine 5 ist antriebsmäßig mit der elektrischen Maschine 4 verbunden und kann als Hydraulikmotor oder als Hydraulikpumpe betrieben werden, wie symbolisch durch Pfeilspitzen in 1 angedeutet ist. Wenn die elektrische Maschine 4 als Elektromotor arbeitet, dann kann die als Hydraulikpumpe arbeitende hydraulische Maschine 5 mit der elektrischen Maschine 4 angetrieben werden. Wenn die hydraulische Maschine 5 als Hydraulikmotor arbeitet, dann kann mit ihr die als Generator arbeitende elektrische Maschine 4 angetrieben werden.
Das Energiespeichersystem 1 umfasst des Weiteren eine Gasspeichereinrichtung 8, mit der Gas, insbesondere Luft, unter Druck gespeichert werden kann. Eine pneumatisch-hydraulische Kolbenzylinderanordnung 10 ist zwischen die hydraulische Maschine 5 und die Gasspeichereinrichtung 8 geschaltet.
Die pneumatisch-hydraulische Kolbenzylinderanordnung 10 umfasst eine Gaskolbenpumpe 12 mit einem Zylinder 14. In dem Zylinder 14 der Gaskolbenpumpe 12 sind zwei Kolben 15, 16 hin und her bewegbar, das heißt in 1 nach oben und nach unten bewegbar, angeordnet. Die beiden Kolben 15, 16 sind durch eine Kolbenstange 18 miteinander gekoppelt, das heißt im Fall der Gaskolbenpumpe 12 starr miteinander verbunden.
Die Kolbenstange 18 ist durch ein Trennelement 19 hindurch geführt. Durch das Trennelement 19 ist der Zylinder 14 im Inneren in zwei Hälften unterteilt. Durch das Trennelement 19 ist ein erster innerer Hydraulikzylinderraum 21 von einem zweiten inneren Hydraulikzylinderraum 22 getrennt. Der erste innere Hydraulikzylinderraum 21 wird in 1 nach oben von dem Kolben 15 begrenzt. Der zweite innere Hydraulikzylinderraum 22 wird in 1 nach unten von dem Kolben 16 begrenzt.
Der erste innere Hydraulikzylinderraum 21 der Glaskolbenpumpe 12 ist über einen Hydraulikanschluss 23 an eine Hydraulikventileinrichtung 26 angeschlossen. Der zweite innere Hydraulikzylinderraum 22 ist über einen Hydraulikanschluss 24 an die Hydraulikventileinrichtung 26 angeschlossen.
Die Hydraulikventileinrichtung 26 ist als 4/3-Wegeventil mit vier Anschlüssen und drei Schaltstellungen ausgeführt. Durch symbolisch angedeutete Federn ist die Hydraulikventileinrichtung 26 in ihre dargestellte Mittelstellung vorgespannt. Die Hydraulikventileinrichtung 26 ist elektromagnetisch betätigbar.
An die in 1 rechte Seite der Hydraulikventileinrichtung 26 sind die beiden Hydraulikanschlüsse 23, 24 der Gaskolbenpumpe 12 angeschlossen. An die in 1 linke Seite der Hydraulikventileinrichtung 26 sind die hydraulische Maschine 5 und ein Hydraulikmediumreservoir 28 angeschlossen.
Die Gaskolbenpumpe 12 umfasst in dem Zylinder 14 einen ersten äußeren Pneumatikzylinderraum 31 und einen zweiten äußeren Pneumatikzylinderraum 32. Der erste äußere Pneumatikzylinderraum 31 wird von der dem Trennelement 19 abgewandten Kolbenfläche des Kolbens 15 begrenzt. Der zweite äußere Pneumatikzylinderraum 32 wird von der dem Trennelement 19 abgewandten Kolbenfläche des Kolbens 16 begrenzt.
Dem ersten Pneumatikzylinderraum 31 ist ein Pneumatikanschluss 33 zugeordnet. Dem zweiten Pneumatikzylinderraum 32 ist ein Pneumatikanschluss 34 zugeordnet. Der Pneumatikanschluss 33 steht mit einer pneumatischen Verzweigung 35 in Verbindung. Der Pneumatikanschluss 34 steht mit einer pneumatischen Verzweigung 36 in Verbindung.
An die pneumatische Verzweigung 35 sind zwei Pneumatikventileinrichtungen 41, 42 angeschlossen. An die pneumatische Verzweigung 36 sind zwei Pneumatikventileinrichtungen 43, 44 angeschlossen. Die Pneumatikventileinrichtungen 41 bis 44 sind als 2/2-Wegeventile mit einer Rückschlagventilstellung und einer Öffnungsventilstellung ausgeführt. Durch symbolisch angedeutete Federn sind die Pneumatikventileinrichtungen 41 bis 44 alle in ihre Rückschlagventilstellung vorgespannt.
Die Pneumatikventileinrichtungen 41 und 43 sind zwischen die jeweils zugehörige pneumatische Verzweigung 35, 36 und eine Umgebung der Gaskolbenpumpe 12 geschaltet. In der Rückschlagventilstellung der Pneumatikventileinrichtungen 41 und 43 ist eine Verbindung zur Umgebung unterbrochen.
Die Pneumatikventileinrichtungen 42, 44 sind zwischen die jeweils zugehörige Verzweigung 35, 36 und eine pneumatische Verzweigung 48 geschaltet. Die Gasspeichereinrichtung 8 ist an die pneumatische Verzweigung 48 angeschlossen. In der dargestellten Rückschlagventilstellung der Pneumatikventileinrichtungen 42, 44 wird ein Entweichen von Gas aus der Gasspeichereinrichtung 8 unterbrochen beziehungsweise verhindert.
In 2 ist ein pV-Diagramm zu dem Energiespeichersystem 1 aus 1 dargestellt. Auf einer x-Achse ist ein Verdichtungsvolumen V in einer geeigneten Volumeneinheit aufgetragen. Mit V_s ist ein Startvolumen bezeichnet. Mit V_E ist ein Endvolumen bezeichnet. Mit p_S/E sind ein Startdruck und ein Enddruck angedeutet, die gleich sind und dem Startvolumen V_s und dem Endvolumen V_E zugeordnet sind. Mit p_S ist ein Speicherdruck bezeichnet. Mit p_V ist ein Verdichtungsdruck bezeichnet.
Durch einen gestrichelten gekrümmten Pfeil 51 ist ein Entspannungsprozess angedeutet. Durch einen gestrichelten gekrümmten Pfeil 52 ist ein Verdichtungsprozess angedeutet. Durch eine Kurve 53 ist ein isothermer Verdichtungsprozess angedeutet. Bedingt durch eine Temperaturerhöhung bei der Verdichtung und eine Abkühlung nach der Verdichtung bei der Entspannung ergeben sich Energieverluste 54 im realen Speicherprozess. Die Speicherverluste ergeben sich aus der Differenz zwischen p_V minus p_S sowie aus der Differenz V_S minus V_e.
Bei dem in 1 dargestellten Energiespeichersystem 1 erfolgt durch ein wechselseitiges Zu- und Abschalten der Pneumatikventileinrichtungen 41 bis 44 eine langsame Entspannung der Luft aus dem Gasspeicher 8, der auch als Luftspeicher bezeichnet wird. Durch die langsame Entspannung wird verhindert, dass die Luft im Entspannungsprozess zu stark abkühlt und der damit verbundene Energieverlust den Wirkungsgrad des Energiespeicherdsystems 1 unerwünscht reduziert.
Im Verdichtungsprozess wird durch einen langsamen hydraulischen Druckaufbau im entsprechenden Hydraulikzylinderraum 21, 22 der Gaskolbenpumpe 12 verhindert, dass die Temperatur im Luftspeicher 8 zu stark ansteigt.
Um einen hocheffizienten thermodynamischen Gasprozess zu bekommen, ist bei der Auslegung des Energiespeichersystems 1 darauf zu achten, dass die pneumatischen Komponenten des Energiespeichersystems 1 einen schnellen Temperaturausgleich in die Umgebung zulassen. Dabei können die Gaskolbenpumpe 12, die zugehörigen Rohrleitungen, die Pneumatikeinrichtungen 41 bis 44 und die Gasspeichereinrichtung 8 mit speziellen Konstruktionselementen, wie zum Beispiel Kühlrippen, zur Vergrößerung der Oberfläche ausgestattet werden.
In 3 ist ein Ausschnitt aus 1 mit der Gaskolbenpumpe 12 und der Gasspeichereinrichtung 8 sowie den Pneumatikventileinrichtungen 41 bis 44 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Energiespeichersystems dargestellt. In 3 ist zwischen die Verzweigungen 35, 36 und die Pneumatikventileinrichtungen 41, 43 jeweils eine Drosselrückschlagventileinrichtung 61, 62 geschaltet.
Die Drosselrückschlagventile 61, 62 sind in ihrer dargestellten Ausführungsform geregelt, können aber auch ungeregelt ausgeführt sein. Mit den Drosselrückschlagventilen 61, 62 ist eine wechselseitige Ansteuerung der Pneumatikventileinrichtungen 41, 43 nicht mehr erforderlich. Beide Pneumatikventileinrichtungen 41, 43 können während des Entspannungsprozesses geöffnet bleiben. Abhängig von der eingestellten Drosselung wird der Entspannungsprozess automatisch verlangsamt.
In 4 ist das zugehörige pV-Diagramm dargestellt. Durch einen Pfeil 65 ist angedeutet, dass der Punkt V_E im thermodynamischen Gasprozess durch die vorab beschriebene Verlangsamung des Entspannungsprozesses weiter in Richtung V_S verschoben wird. Dadurch kann der Energieverlust im Speicherprozess weiter reduziert werden.
In 5 ist der gleiche Ausschnitt aus 1 wie in 3 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. In 5 ist der Gasspeichereinrichtung 8 zu einer weiteren Reduzierung der Speicherenergieverluste ein Temperaturspeichersystem 74 zugeordnet. Das Temperaturspeichersystem 74 ist zum Beispiel aus flüssigen oder festen Werkstoffen gebildet und umgibt einen Gasspeicher 70 der Gasspeichereinrichtung 8.
Das Temperaturspeichersystem 74 hat die Aufgabe, Verdichtungswärme zwischenzuspeichern. Bei Bedarf kann die gespeicherte Wärme gesteuert oder ungesteuert wieder in den Gasspeicher 70 zurückgegeben werden, um die in dem Gasspeicher 70 gespeicherte Luft vor ihrer Entspannung zu erwärmen.
In 6 ist durch eine Kurve 53 ein isothermer Verdichtungsprozess angedeutet. Im thermodynamischen Gasprozess ergibt sich durch den Temperatureintrag mit Hilfe des Temperaturspeichersystems 74 nach der Verdichtung eine Beibehaltung des Drucks in dem Gasspeicher oder Luftspeicher 70 (p_V = p_S). Durch die Zwischenspeicherung ergibt sich eine weitere Reduzierung des Speicherenergieverlustes 76. Durch einen Pfeil 78 wird eine weitere Verschiebung von V_E nach V_S angedeutet.
In 7 ist der gleiche Ausschnitt des Energiespeichersystems 1 aus 1 wie in den 3 und 5 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. In 7 ist ein Wärmetauscher 82 in der Gasspeichereinrichtung 8 angeordnet. Der Wärmetauscher 82 in der Gasspeichereinrichtung 8 ist mit einem Wärmetauscher 81 in der Umgebung verbunden.
Dem Wärmetauscher 81 in der Umgebung ist ein Lüfter 84 zugeordnet. Der Wärmetauscher 82 übernimmt im Verdichtungsprozess entstehende Kompressionswärme und transportiert diese zu dem Wärmetauscher 81 in der Umgebung. Dort kühlt sich das Transportmedium ab und wird zurück zu dem Wärmetauscher 82 in der Gasspeichereinrichtung 8 geführt.
Im Entspannungsprozess der Gasspeichereinrichtung 8 wird Wärme aus der Umgebung in Richtung der Gasspeichereinrichtung 8 transportiert. Dadurch wird die sich in der Gasspeichereinrichtung 8 entspannte Luft erwärmt. Durch den Lüfter 84 wird dieser Prozess unterstützt.
In 8 ist durch eine Kurve 53 ein isothermer Verdichtungsprozess dargestellt. Durch Pfeile 88, 89 ist in 8 angedeutet, dass die Kennlinien vom Verdichtungs- und Entspannungsprozess dem isothermen Verdichtungsprozess 86 angenähert werden. Daraus ergibt sich ein reduzierter Speicherenergieverlust 87.
In 9 ist eine Anlage 100 für das Energiespeichersystem 1 aus 1 exemplarisch dargestellt. Die Anlage 100 umfasst einen Anlagenschrank 102 mit Standfüßen 104, 105. Die Anlage hat zum Beispiel eine Höhe von knapp zwei Metern und eine Breite von etwa sechzig Zentimetern. Oben an dem Anlagenschrank 102 ist ein Luftanschlussstutzen 108 vorgesehen.
In einem unteren Bereich des Anlagenschranks 102 sind eine elektrische Maschine 114 und eine hydraulische Maschine 115 angeordnet. Oberhalb der beiden Maschinen 114, 115 ist ein Hydraulikmediumreservoir 116 angeordnet. Eine Gasspeichereinrichtung 118 nimmt einen Großteil eines Innenraums des Anlagenschranks 102 ein. Die Gasspeichereinrichtung 118 umfasst insgesamt sechs Gasflaschen 121 bis 126. Die Gasflaschen 121 bis 126 sind mit zwei Gaskolbenpumpen 131, 132 kombiniert.
In 10 ist ein Querschnitt des Anlagenschranks 102 aus 1 dargestellt. In dem Querschnitt sieht man, wie die insgesamt sechs Gasflaschen 121 bis 126 zusammen mit den beiden Gaskolbenpumpen 131, 132 besonders platzsparend in dem Anlagenschrank 102 angeordnet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013105186 A1 [0002]
US 7832207 B2 [0002]

Claims

Energiespeichersystem (1) zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie mit einer elektrischen Maschine (4; 114), die antriebsmäßig mit einer hydraulischen Maschine (5; 115) verbunden ist, und mit einer pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung (10), die unter Zwischenschaltung von Ventileinrichtungen zwischen der hydraulischen Maschine (5; 115) und einer Gasspeichereinrichtung (8; 118) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die pneumatisch-hydraulische Kolbenzylinderanordnung (10) mindestens eine Gaskolbenpumpe (12; 131, 132) umfasst, die zwei Pneumatikanschlüsse (33, 34) und zwei Hydraulikanschlüsse (23, 24) aufweist, die unter Zwischenschaltung einer Hydraulikventileinrichtung (26) mit der hydraulischen Maschine (5; 115) verbindbar beziehungsweise verbunden sind.
Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskolbenpumpe (12; 131, 132) zwei durch ein Trennelement (19) voneinander getrennte innere Hydraulikzylinderräume (21, 22) umfasst, die durch zwei Kolben (15, 16) von äußeren Pneumatikzylinderräumen (31, 32) getrennt sind, die unter Zwischenschaltung von Pneumatikventileinrichtungen (41–44) mit der Gasspeichereinrichtung (8; 118) oder einer Umgebung verbindbar beziehungsweise verbunden sind.
Energiespeichersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolben (15, 16) durch eine Kolbenstange (18), die sich durch das Trennelement (19) hindurch erstreckt, so miteinander gekoppelt sind, dass sich im Betrieb der Gaskolbenpumpe (12; 131, 132) eine Zwangsrückstellung der Kolben (15, 16) ergibt.
Energiespeichersystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Drosselrückschlagventile (61, 62) zwischen die pneumatisch-hydraulische Kolbenzylinderanordnung (10) und die der Umgebung zugeordneten Pneumatikventileinrichtungen (41, 43) geschaltet sind.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasspeichereinrichtung (8; 118) einen Gasspeicher (70) umfasst, der von einem Temperaturspeichersystem (74) umgeben ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasspeichereinrichtung (8; 118) mindestens ein Wärmetauscher (81, 82) zugeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Pneumatikzylinderräume (31, 32) der pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung (10) Gas, insbesondere Luft, verdichtet wird, während in den anderen Pneumatikzylinderraum der pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung (10) Gas, insbesondere Luft, aus der Umgebung angesaugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die den Pneumatikzylinderräumen (41–44) der pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung (10) zugeordneten Pneumatikventileinrichtungen (41–44) wechselseitig so zu-/abgeschaltet werden, dass Gas aus der Gasspeichereinrichtung (8; 118) langsam entspannt wird.
Anlage (100) zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie mit einem Energiespeichersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (100) mindestens zwei Gaskolbenpumpen (12; 131, 132) und als Gasspeichereinrichtung (8; 118) Gasflaschen (121–126) in einem Anlagenschrank (102) umfasst, in welchem auch die elektrische Maschine (114) und die hydraulische Maschine (115) untergebracht sind.
Gaskolbenpumpe (12; 131, 132), hydraulische Maschine (5; 115) und/oder elektrische Maschine (4; 114) für ein Energiespeichersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, insbesondere für eine Anlage (100) zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie nach Anspruch 9.