DE2205365A1 - Verfahren und Anlage zum Speichern und Nutzbarmachen von Energie unter Verwendung komprimierter Luft - Google Patents

Verfahren und Anlage zum Speichern und Nutzbarmachen von Energie unter Verwendung komprimierter Luft

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DE2205365A1 DE19722205365 DE2205365A DE2205365A1 DE 2205365 A1 DE2205365 A1 DE 2205365A1 DE 19722205365 DE19722205365 DE 19722205365 DE 2205365 A DE2205365 A DE 2205365A DE 2205365 A1 DE2205365 A1 DE 2205365A1
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Stanley Lee San Diego Calif. Koutz (V.St. A.)
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Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. R Weickmann,
Dipl.-Ing. H. Weickmann, D1PL.-PHYS. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber
8 MÜNCHEN 86, DEN SAHA POSTFACH 860 820
MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 39 21/22
<983921/22>
GULF OIL CORPORATION, 459 Seventh Avenue, Pittsburgh, Pennsylvania, V.StοAo
Verfahren und Anlage zum Speichern und Nutzbarmachen von Energie unter Verwendung komprimierter Lufto
Die Erfindung betrifft Systeme zur Speicherung und Nutzbarmachung von Energie und insbesondere ein Verfahren und eine Anlage, um komprimierte Luft zum Speichern und Nutzbarmachen von Energie zu verwenden«.
Da der Bedarf an elektrischer Energie zeitabhängigen Schwankungen unterliegt, suchen viele Gemeinwesen nach einem Mittel, um große Energiemengen speichern zu können,. Es könnte dann in den Zeiten mit geringem Bedarf Energie im Überschuß erzeugt und gespeichert werden, die dann in den Zeiten mit hohem Bedarf verbraucht werden kann0 Auf diese Weise können große Kraftwerke so ausgelegt werden, daß sie elektrische Energie auf einer verhältnismäßig konstanten Basis liefern, wodurch sich ihr Aufbau vereinfacht und die Kosten reduziert werdene
Eine Möglichkeit für eine Energiespeicherung in großem Maßstab beateht darin, die überschüssige elektrische Energie während der spitzenfreien Zeiten dazu auszunützen, Waeeer auf ein höheres Niveau heraufzupumpen, vro es in eines geeigneten Seaervoir gespeichert wird« Die in dem Wasser gespeichert· potentielle Energie wird dann später da·*
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zu benützt, während der Zeiten des Höchstbedarfes Wasserkraftanlagen zu betreiben, so daß zusätzliche Generatoren in das Leitungsnetz eingeschaltet werden könneno Derartige Anlagen haben den Nachteil, daß sie geeignete geographische Verhältnisse erfordern und eine beträchtliehe Fläche benötigen; außerdem sind sie kompliziert und teuer in der Errichtung·
Eine zweite Möglichkeit der Energiespeicherung, die wesentliche Vorteile gegenüber der hydroelektrischen Speicherung durch hochgepumptes Wasser hat, ist die Ausnutzung von Druckluft zur Energiespeicherung. Im charakteristisohen Fall arbeitet ein solches System mit der Speicherung von Druckluft in einer künstlich geschaffenen oder natürlichen Höhle, die von einem Wasserreservoir oder auf andere Weise unter hydrostatischen Druck gesetzt wird. Ein Überschuß an elektrischer Energie wird dazu benutzt, Kompressoren zu betreiben, die die Luft während der Zeiten geringen Bedarfs an elektrischer Energie komprimieren« Die gespeicherte komprimierte Luft wird dann in den Zeiten hohen Bedarfs abgeleitet, um Turbinen zu treiben, die während der Bedarfs« spitzen zusätzliche elektrische Generatoren betätigen. Derartige Anlagen sind bereits in Artikeln in den Zeitschriften "Business Week", I.August 1970, Seite 74 und "Mechanical Engineering", Nov. 1970, Seite 20 veröffentlicht worden.
Die bekannten Speicheranlagen mit komprimierter Luft haben zwar gewisse Vorzüge für den beabsichtigten Zweck; es ist jedoch typisch für sie, daß praktisch die gesamte Kompressionswärme an Luft oder Kühlwasser abgeführt werden muß, damit in einem vorgegebenen Höhlenvolumen eine größere Luftmenge Platz hat. yieim die Luft zur Energieerzeugung ausgenützt wird, muß sie wieder erhitzt werden durch Zufüh·* rung von Energie, beispielsweise durch Verbrennen von Kohle oder dergleichen. Die dazu notwendige Energie bedeutet
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einen zusätzlichen Energiebedarf, der den G-esamtwirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit des Kraftwerkes reduziert«)
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anlage zur Speicherung und Nutzbarmachung von Energie unter Verwendung von komprimierter Luft zu schaffen, bei denen der Wirkungsgrad wesentlich verbessert isto Dies soll dadurch erreicht werden, daß die Brennstoffmenge, die verbrannt werden muß, wesentlich herabgesetzt wird oder sogar ganz wegfälltο
Dies geschieht erfindungsgemäß durch Kompression einer Luftmenge und Speicherung dieser Luftmenge in einem geeigneten Reservoir, wobei vor der Speicherung aus der Luft ein wesentlicher Teil der Kompressionswärme abgezogen und diese abgeleitete Wärme ebenfalls gespeichert wird und bei Bedarf wenigstens ein Teil der gespeicherten komprimierten Luft entnommen und ein beträchtlicher Anteil der gespeicherten Kompressionswärme wieder verwendet wird, um die entnommene komprimierte Luft zu erhitzen» Die erhitzte komprimierte Luft läßt man expandieren und gewinnt dabei die gewünschte Energiec
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen herror· Es zeigen:
Pig.1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Pig·2 eine schematische Darstellung eines Teils einer anderen Ausführungsform der Anlage der Mg01 ο
In Fig.1 ist daa Erdbodenniveau mit 11 gekennzeichnete Zu den unterirdischen Bestandteilen der Anlage gehört ein Speicherraum oder Reservoir 12, das teilweise mit Wasser 13 gefüllt ist, um einen hydrostatischen Druck über eine
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Wasserleitung 14 aufrechtzuerhalten, die mit einem Reservoir 16 an der Erdoberfläche in Verbindung steht.
Zu den oberirdischen Bestandteilen der erfindungsgemäßen Anlage gehört ein Wechselstromgenerator/motor 17» der über eine Kupplung 18 mit einem Kompressor 19 verbunden ist· Der Kompressor 19 ist in den Figo als ein einstufiger Kompressor dargestellt; er kann Jedoch, wie dem Fachmann bekannt, auch aus mehreren hintereinandergeschalteten Kompressoren oder Kompressorstufen bestehen. Die Kupplung 18 kuppelt die Antriebswelle 21 des Kompressors mit der Antriebswelle 11 des Wechselstromgenerator/motorsο Diese Antriebswelle 22 ist noch über eine Kupplung 23 mit der Antriebswelle 24 einer Turbine 26 verbunden. Auch die Turbine 26 ist als eine einzige Stufe dargestellt, kann aber, wie schon beim Kompressor, auch aus mehreren Turbinen oder Tür— binenstufen bestehen«)
Während der Zeiten geringen Bedarfs wird die elektrische Energie einer nicht dargestellten Hauptanlage dazu benutzt, den Wechselstromgenerator/motor 17 in der Art eines Motors anzutreiben. Für diesen Betriebszustand wird die Kupplung 23 ausgerückt und die Kupplung 18 wird eingelegt, so daß der Wechselstromgenerator/motor 17 den Kompressor 19 antreibt. Durch einen Lufteinlaß 27 wird luft in den Kompressor 19 eingesaugt, die dann durch ein umschaltbares Ventil 28 tritt, das die Auslaßleitung 29 des Kompressors mit einer Leitung 31 verbindet. In der Leitung 31 ist ein absohaltbares Einwegventil 32 vorgesehen, durch das die Luft aus dem Kompressor 19 in einen Regenerator 33 gelangto Funktion und Konstruktion des Regenerators werden weiter unten noch genauer erläutert»
Nach dem Passieren des Regenerators 33 strömt die komprimiei»- te Luft durch eine Leitung 34 in das Reservoir 12. In dem
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Reservoir 12 wird mit Hilfe eines Wasserreservoirs 16 an der Oberfläche ein passender hydrostatischer Druck aufrechterhalten, wie dies in der Fachwelt bekannt ist, um für die gespeicherte komprimierte Luft den richtigen Gegendruck zu lieferno
Während den Zeiten hohen Bedarfs wird der Wechselstromgenerator/motor 17 in das Inergielieferungssystem der Hauptanlage eingeschaltet und als Generator betrieben, um Zusatz<energie in das Hauptnetz einzuspeisen«. In diesem Betriebszustand wird die Kupplung 18· ausgerückt und die Kupplung wird eingelegt, so daß der Wechselstromgenerator/motor 17 mit der Turbine 26 verbunden ist und diese antreibt«.
Um die Turbine 26 zu betreiben, wird das Ventil 28 aus der gezeigten Stellung in eine solche Stellung umgeschaltet, in der es die Leitung 31 mit der Einlaßleitung 36 der Turbine verbindet. Das Ventil 32 wird geöffnet, so daß die in dem Reservoir 12 gespeicherte Druckluft durch die Leitung 34, den Regenerator 33» das Ventil 32, die Leitung 31» das Ventil 28 und die Leitung 36 in die Turbine 26 strömen kanne Die komprimierte Luft treibt dann die Turbine 26, während sie sich auf Atmosphärendruck entspannt, und tritt dann durch eine Auslaßleitung 37 aus«.
Wie schon erwähnt, durchströmt die Luft auf ihrem Weg zum Reservoir 12 den Regenerator 33· Während der Kompression im Kompressor 19 steigt die Temperatur der Luft an. In vielen Anlagen wird die Arbeit, die der Kompressor leisten muß, durch Zwischenkühlstufen herabgesetzt und das für die Speicherung der Luft erforderliche Volumen wird durch eine Nachkühlstufe verkleinert» Derartige Stufen erfordern ge·«· sonderte Kühlvorrichtungen und erhöhen den Energieverbrauch des Gesamtsystems«
Gemäß der Erfindung wird die Luft ohne Naohkühlung kompri*·
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miert, so daß sie infolge der Kompressionswärme eine erhöhte Temperatur hat, wenn sie den Regenerator 33 betritt. Die Kompressionswärme wird aus der luft abgeführt und in dem Regenerator gespeiohert· Der Regenerator erfüllt die Punktion eines Nachkühlers, aber ohne daß Wärme verbraucht wirdο Wie dies für einen Nachkühler der Fall ist, kann in einem Reservoir vorgegebener Größe eine größere luftmenge gespeichert werden, da die abgekühlte Luft ein geringeres Volumen einnimmt. Auch entfällt der Energieverbrauch für eigene Kühlvorrichtungen, wie Zwischenkühler und Nachkühler, vollständigo Wenn die Luft wieder in das System rückgeleitet wird, um die 'Turbine 36 anzutreiben, durchströmt sie den Regenerator 33 und die gespeicherte Kompressionswärme wird dort der Luft wieder zurückgegeben, wodurch die in dem System verfügbare Energie erhöht wird.
Der Regenerator 33 ist in der Darstellung ein unterirdischer Hohlraum, der mit Steinbrocken gefüllt ist. Dieser Schotter hat einen Porenanteil von 10$ - 25$. Zum Speichern von 1 000 000 kW über eine Zeitspanne von 10 Stunden in einem Hohlraum oae 500 m unter dem Spiegel des Reservoirs 12 kann das Reservoir ein Volumen von etwa 1,3 Millionen Kubikmeter und der Regenerator ein Volumen von etwa 76 000 Kubikmeter haben. Wirtschaftliche Berechnungen für eine solche Anlage zeigen, daß die Betriebskosten einige mils pro Kilowatt billiger sind als bei einer Anlage bekannter Art, die Zwischenkühler und einen Nachkühler in den Kompressionsstufen verwendet, aber keinen Regenerator. Außerdem entfallen bei der erfindungsgemäßen Anlage alle mit dem Transport und der Lagerung von Brennstoff verbundenen Probleme und auch das Problem der Luftverschmutzung durch die Brennstoffverbrennung «
Der den Regenerator darstellende Hohlraum muß in einer Tiefe angeordnet sein, daß in ihm der beabsichtigte Innen-
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druck des Regenerators zustandekommte Dieser Innendruck beträgt typischer Weise etwa 42 at (600 psi). Ein solcher Druck erfordert im Minimum eine Tiefe von etwa 210 "bis 305 me Bei der Wahl des geeigneten Platzes muß die Verfügbarkeit passenden Gesteins berücksichtigt werden; wenn ein für hohe Temperaturen zweckmäßigeres Gesteinsmaterial in einer größeren Tiefe vorhanden ist, wird man den Regenerator in dieser größeren Tiefe anbringen*
Der !Regenerator kann in der Weise hergestellt werden, daß man im bergmännischen Abbau von hartem Gestein den Hohlraum schafft und diesen später mit Schotter oder mit künstlichem Keramikmaterial füllt. Oder man kann den Hohlraum zunächst bis zu etwa 10$ des endgültigen Regeneratorvolumens bergmännisch aushöhlen und dann mit einem Sprengstoff füllen und diesen zur Explosion bringen. Dabei wird ein Haufen Gesteinssohotter erzeugt, der für den Regenerator brauchbar sein kanno Im allgemeinen reichen hierfür die herkömmlichen Sprengstoffe aus; man kann jedoch auch daran denken, eine Aushühlung mit Hilfe von nuklearen Sprengstoffen vorzunehmen«
In den meisten Fällen reicht die natürliche Gesteinsbildung, in der der Regeneratorhohlraum erzeugt wird, aus, um den Hohlraum gegen Druckverlust abzudichten· An manchen Orten ist es jedoch notwendig, die Wände des Hohlraums auszugiessen, um den Leckverlust klein zu halten. Manchmal kann es auch wünschenswert sein, rund um den Regeneratorhohlraum eine Wärmeisolierung vorzusehen, wozu man gebrannte Ziegel oder eine andere keramisohe Isolation verwenden kann. Eine entsprechende thermische Isolation kann man auoh in dem Kanal vorsehen, der den Regenerator mit der Erdoberfläche' ver« bindet·
In dem Ausführungsbeispiel der Zeichnungen ist zwar ein unterirdischer Regenerator dargestellt, man kann jedoch
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auch einen oberirdischen Regenerator konstruieren« In diesem Fall braucht man für den Regenerator einen Druckkessel, der die Regeneratordrücke aushält, die etwa bei 42 at liegen, und auch die Regeneratortemperaturen, die beispielsweise annähernd. 655°C (120O0F) betragene Entweder können die Wände des Druckkessels so gebaut werden, daß sie hohe Temperaturen aushalten, oder es kann eine Wärmeisolation zwischen den Wandstrukturen und dem Inneren des Regenerators angebracht werden« Letzteres ist wahrscheinlich die rationellere Lösung« Daa erforderliche Volumen des Regenerators in der Größenordnung.von 76 000 Kubikmetern macht die Abmessungen des Druckkessels für die Unterbringung des Regenerators recht beachtlich«. Daher ist es wahrscheinlich wirtschaftlicher, einen unterirdischen Hohlraum für den Regenerator zu benützeno Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, einen einzigen unterirdischen Hohlraum sowohl für das Reservoir 12 als auch für den Regenerator 33 zu verwenden« In einem solchen Pail kann in einem einzigen Hohlraum eine Betonwand errichtet werden, um die zur Speicherung dienende Abteilung von dem zur Regeneration dienenden Abteil zu trennen «
Für den Fall, daß es immer noch Bedarfsspitzen gibt, nachdem der Vorrat an Luft aufgebraucht 1st, kann es notwendig werden, die Anlage als eine übliche Gasturbine zu betreiben, d.i. in einem Betriebsmodus, in dem die Turbine 26 den Kompressor 19 und den Wechselstromgenerator 17 antreibt. In diesem Fall ist Vorsorge getroffen, um Energie in Form von Wärme der Luft zuzuführen, die von dem Kompressor an die Tuav bine geliefert wirdo Das Ventil 28 kann so abgewandelt sein, daß es den Speicherraum und den Regenerator überbrückt. Dieser Fall ist in den Abbildungen nicht dargestellte
Wenn das System als eine herkömmliche Gasturbine arbeitet, ist der Ausgang des WeohselBtromgenerators gleich der Dif» ferenz zwischen dem Turbinenausgang und der Kompressorener-
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gie· Um in diesem Betriebsmodus Elektrizität zu erzeugen, muß man dafür sorgen, daß die Kompressorenergie nicht die Turbinenleistung übersteigt. Zu diesem Zweck verwendet das erfindungsgemäße System eine Kühlquelle 41, beispielsweise einen Vorrat von Druckwasser, zusammen mit einem internen Wasserinjektor in den Kompressor 19o Die Wassereinspritzung für den Kompressor 19 kann nach dem Stand der Technik konstruiert sein, wie er in Einspritzmotoren verwendet wird· Sie reduziert die Kompressionsarbeit in ähnlicher Weise wie dies durch den Einsatz von Zwischenkühlern möglich ist. Wenn man vorzugsweise an mehreren Stellen in dem Kompressor eine Wasserinjektion vorsieht, ist die Kompressorenergie kleiner als die Turbinenleistung und es bleibt nooh genug Turbinenleistung übrig, um Elektrizität zu erzeugen.) In diesem Betriebsmodus ist die abgegebene Leistung vielleicht ungefähr ein Drittel der durch gespeicherte Luft erreichbaren Leistungsabgabe. Die erfindungsgemäße Anlage hat also zusätzliche Vielseitigkeit gewonnen, da sie zu einem Betrieb sowohl als Gasturbine als auch als Luftspeichersystem in der Lage ist·
In gewissen Fällen mag es zweckmäßig sein, zusätzlich zu einem Regenerator einen Zwischenkühler oder einen Erhitzer oder beides zu verwenden Ein solches System ist in !ige 2 dargestellt, in dem die Teilen der Fig.1 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind, unter Voranstellung einer 1β Die Unterschiede bestehen darin, daß der Kompressor 119 zwei Stufen 119 und 119a hat und daß die Luft zwischen den Kompressorstufen durch einen Zwi«* sohenkühler 141 geleitet wird. Wenn mehr als zwei Kompres*· soren oder Kompressorstufen verwendet werden, können auch mehrere Zwischenkühler zweckmäßig sein» Außerdem ist in die Turbinenzuleitung I36~136a ein Erhitzer 142 eingeschaltet
Der Erhitzer oder Brenner 142 kann benutzt werden, wenn die komprimierte Luft vor der Expansion in der Turbine vor-
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erhitzt werden solle In diesem Fall wird Brennstoff verbraucht, aber der Brennstoffverbrauch zur Erreichung einer bestimmten Turbineneinlaßtemperatur ist wesentlich geringer als bei einem System, in dem kein Regenerator verwendet wird. Der Einsatz des Erhitzers zusammen mit dem Regenerator erhöht die Energieabgabe um 20 bis 30$ im Vergleich
zu einem System mit einem Regenerator ohne Erhitzer·
In manchen lallen kann es auoh zweckmäßig sein, einen Zwischenkühler zu verwenden,, Mit zunehmendem Ausmaß der Zwischenkühlung wird die Kompressionsarbeit kleiner, aber
der Brennstoffverbrauch zur Erzielung einer vorgegebenen
Turbineneinlaßtemperatur nimmt zu0 Für verschiedene Kombinationen der Energiekosten in bedarfsarraen Zeiten und
der Brennstoffkosten kann zur Erzielung optimaler Energiekosten eine gewisse Zwischenkühlung erforderlich sein.
Die Erfindung schafft also ein verbessertes Verfahren und
eine fortschrittliche Anlage zur Verwendung von komprimierter Luft zum Speichern und Nutzbarmachen von Energie. Verfahren und Anlage gemäß der Erfindung gewährleisten eine
gegenüber den bekannten Verfahren und Systemen erhöhte Effizienz und ermöglichen eine höhere Leistungsentnahme für
einen vorgegebenen Brennstoff- oder Energieverbrauch»
Gegenüber dem dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel sind im Rahmen der Erfindung, der durch die ange« fügten Ansprüohe gegeben ist, Abänderungen möglioh«

Claims (1)

  1. - 11 -
    Ansprüche
    'Verfahren zum Speichern und Nutzbarmachen von Energie unter Verwendung komprimierter luft, dadurch gekennzeichnet, daß eine luftmenge komprimiert und dieselbe gespeichert wird, daß ein wesentlicher Anteil der Kompres« sionswärme aus der Luft abgeführt und gespeichert wird, daß mindestens ein Teil der gespeicherten komprimierten Luft entnommen und dadurch erhitzt wird, daß ©in be« träohtlicher Teil der gespeicherten Kompressionswärme wieder an diese entnommene Luftmenge abgegeben wird, und daß schließlich diese entnommene und wieder erhitzte komprimierte Luft zur Arbeitsleistung herangesogen wird, indem man sie expandieren leßte
    2e Verfahren nach Anspruch I5 dacteefo gelc©angei©hjaet die Wärme während der Kompression clej? Suft aögQ wird ο
    3ο Verfahren nach Anspruch 19 äadureh gsksaa§©iQiia©'60 <äa@ wenigstens ein Teil der Wärme öureh eiae iSwiBOh lung während der Kompression der Luft abgeführt irl
    4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeielaaetj Saß die entnommene komprimierte Luft nach der erneuten Iwt« zung der gespeicherten Wärme und vor der Expansion zusätzlich erwärmt wirde
    5· Anlage zur Ausübung des Verfahrens nach einem ier In«» Sprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Kompressor (19)f der zum Komprimieren einer Luftmenge dient5 ferner durch ein Reservoir (12) zum Speichern der komprimierten Luft, durch einen zwischen den Kompressor und das Reservoir eingeschalteten Regenerator (33), in dem ein wesentlicher Anteil der Kompressionswärme aus der vom Kompres« sor zum Reservoir strömenden Luft abgezogen und gespei«»
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    ohert wird, ferner duroh eine Turbine (26), die mit dem Reservoir derart über eine gesteuerte Leitung (28,36) verbunden ist, daß bei Bedarf mindestens ein Teil der gespeicherten komprimierten Luft aus dem Reservoir der Turbine zugeleitet wird, wobei die Leitung die entnomm« mene komprimierte Luft derart durch den Regenerator führt, daß ein wesentlicher Anteil der gespeicherten Kompressionswärme dort an die Luft zurückgegeben wird, bevor diese in der Turbine expandierte
    6β Anlage nach Anspruch 5» gekennzeichnet duroh mindestens einen Zwischenkühler (141) in dem Kompressor (119»119a)e
    7ο Anlage nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen Erhitzer (142), der zwischen den Regenerator und die Turbine (126) eingeschaltet ist und die komprimierte Luft auf dem Weg zur Turbine zusätzlich erhitzte
    8. Anlage nach einem der Ansprüche 5» 6 oder 7» daduroh gekennzeichnet, daß das Reservoir (12) ein unterirdischer Hohlraum ist und daß der Regenerator (33) aus einem mit Schotter gefüllten Raum bestehto
    9· Anlage nach Anspruch 8, daduroh gekennzeichnet, daß der Schotter einen Porenanteil von 10$ bis 25# hate
    10. Anlage nach Anspruoh 8, daduroh gekennzeichnet, daß der Regenerator (33) ein unterirdischer Hohlraum ist·
    11o Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 10, gekennzeichnet duroh eine Einrichtung zum Kühlen des Kompressors mit· tels Wassereinspritzung, die den Betrieb der Anlage als herkömmliche Gasturbine ermöglicht»
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