EP3184807A1 - System zur energiespeicherung und -rückgewinnung - Google Patents

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EP3184807A1
EP3184807A1 EP15003640.8A EP15003640A EP3184807A1 EP 3184807 A1 EP3184807 A1 EP 3184807A1 EP 15003640 A EP15003640 A EP 15003640A EP 3184807 A1 EP3184807 A1 EP 3184807A1
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EP
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turbine
compressed air
pressurized water
pressure
tank
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EP3184807B1 (de
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Joseph Maier
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Priority to DK15003640.8T priority patent/DK3184807T3/en
Priority to EP17206440.4A priority patent/EP3321501B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/005—Installations wherein the liquid circulates in a closed loop ; Alleged perpetua mobilia of this or similar kind
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/42—Storage of energy

Definitions

  • the invention relates to a system for energy storage and recovery according to the features of claims 1 and 4.
  • Another storage method shows the DE601 18 987 T2 , This method is suitable for small storage such as on vehicles. For storage power plants which require a large storage volume, the method is not applicable.
  • US 2012/0279209 A1 describes an apparatus operating under atmospheric conditions to deliver a gas into a pressure-resistant container under high pressure and then gradually let it act on liquids in closed hydraulic apparatus until it is depressurized to atmospheric pressure. Disadvantage is in this process that to a necessary constant repetition again considerable energy expenditure for the compression of the gas and the operation of the hydraulic equipment is required.
  • the object of the invention is to provide a system for energy storage and energy recovery, which stores with high efficiency in an efficient manner excess energy in a public or non-public power grid and can be returned to selbiges same energy demand.
  • a first variant of the invention is a system for storing and recovering energy, in particular a power plant comprising at least one compressed air tank, at least one pressurized water tank connected to the compressed air tank, at least one turbine operatively connected to the at least one pressurized water container, and a generator for generating electrical energy, a high-pressure pump for conveying water from a water reservoir into the pressurized water container.
  • the turbine in operative connection with the at least one pressurized water tank is an overpressure turbine which is connected in series with a constant pressure turbine such that a drive shaft of the overpressure turbine is connected to a drive shaft of the constant pressure turbine and a drive shaft of the generator.
  • the constant pressure turbine is arranged according to the invention between the positive pressure turbine and the generator, wherein the generator has an interface for connection to a public power grid.
  • active connection is understood below to mean that the pressurized water container is connected directly to the turbine. This means that the water flowing out of the pressurized water container is conducted directly to the turbine and drives it.
  • the standing in operative connection with the pressurized water tank turbine is therefore not just driven by another turbine.
  • the overpressure turbine is in operative connection with the pressurized water container and is driven by the outflowing water.
  • the constant-pressure turbine is driven by the water flowing out of the overpressure turbine.
  • the pressure turbine eg Francis turbine and the constant pressure turbine, such as Pelton turbine are connected via their drive shafts with the generator, a constant balance between the pressure turbine and the constant pressure turbine in such a way that the decreasing by the current pressure reduction performance of the pressure turbine is balanced by the constant pressure turbine ,
  • the energy stored in the pressure vessels can be optimally converted by the generator into electrical energy.
  • the pressure reduction at the entrance of the overpressure turbine is due to the falling pressure in the pressure water tank when water is removed from the pressurized water tank for power generation.
  • the drive shaft of the positive pressure turbine and the drive shaft of the constant pressure turbine can form a common shaft.
  • the drive shaft of the overpressure turbine and the drive shaft of the constant pressure turbine can be connected to each other via a torsionally rigid coupling.
  • the drive shaft of the overpressure turbine can be connected to the drive shaft of the constant pressure turbine via a transmission. It is also possible that an automatic clutch for decoupling the overpressure turbine is provided between the overpressure turbine and the constant pressure turbine.
  • an outlet of the at least one pressurized water container is connected to an inlet of the overpressure turbine and an outlet of the overpressure turbine is connected to an inlet of the equi-pressure turbine.
  • the discharge pressure from the pressure turbine can be controlled so that despite variable system pressure in the pressure water tank and thus variable input pressure of the pressure turbine, the discharge pressure from the pressure turbine and thus the inlet pressure in the constant pressure turbine can be kept constant.
  • the capacity of the constant pressure turbine can be adjusted to the required generator power via adjustable inlet nozzles (tail unit).
  • the volume of water is adapted to the required power and thus the performance of the overpressure turbine by adjusting the tail unit indirectly adjusted to the overall performance of the turbine combination. It is expediently arranged between an outlet of the overpressure turbine and an inlet of the constant pressure turbine, a device for pressure regulation of the admission pressure of the constant pressure turbine.
  • the overpressure turbine is expediently designed for inlet pressures between 10 and 1000 bar, in particular between 225 bar and 500 bar.
  • a second variant of the invention is based on a system for energy storage and recovery comprising at least one compressed air tank, at least a pressurized water tank connected to the compressed air tank, at least one turbine operatively connected to the at least one pressurized water tank, a generator for generating electrical energy, and a high pressure pump for conveying water from a water tank into the pressurized water tank.
  • the turbine in operative connection with the at least one pressurized water tank is a Pelton turbine
  • the generator is arranged to generate electrical voltage
  • the generator is connected to a frequency converter to generate a constant voltage and frequency.
  • the frequency converter has an interface for connection to a public power grid.
  • the inventive combination of a generator and a frequency converter ensures that, despite the speed fluctuations of the Pelton turbine, caused by fluctuating inlet pressures, a constant voltage and frequency can be generated and delivered to the public grid.
  • the invention is characterized in that the Pelton turbine is not operated as a constant pressure turbine with constant inlet pressures but with fluctuating inlet pressures. This results in speed fluctuations, which in turn cause voltage fluctuations and frequency fluctuations in the generator.
  • These voltage and frequency fluctuations are compensated according to the invention by means of a frequency converter which is tuned to the generator.
  • the fluctuating pressures at the entrance of the Pelton turbine are due to the falling pressure in the pressure water tank when water is removed from the pressurized water container for power generation.
  • a connecting line may be present which connects the outlets of the pressurized water containers to one another, wherein the pressurized water containers are arranged relative to one another such that the connecting line enters Has slope and is connected at its lowest point (eg collector, water lock) with the inlet of the turbine (eg dip tube).
  • Exactly one pressure line can be present between an outlet of a compressed air tank and an inlet of a pressurized water tank, which is designed to conduct compressed air from the pressurized water tank to the compressed air tank and energy recovery compressed air from the compressed air tank to the pressurized water tank at energy storage.
  • the line is dimensioned so that when bursting a compressed air tank only a small volume can flow out and thus only a small supply of compressed air is necessary.
  • a shut-off device may be arranged which is set to close the connection line in the event of a sudden drop in pressure. This ensures that not all the stored compressed air can escape when bursting a compressed air tank or a pressurized water tank.
  • a connection line may be present, which connects the outlet of several compressed air tanks together, wherein the plurality of compressed air tanks are arranged to each other such that the connecting line has a slope and is connected at its lowest point to an inlet of a pressurized water tank. This ensures that condensate formed in the compressed air tanks flows through the connecting line into the pressurized water tank. It is thus possible that several compressed air tanks are assigned to a single pressurized water tank. If the system also includes several pressurized water containers, this ensures that when a compressed air and / or pressurized water container bursts, not all the pressure volume stored in the system can escape.
  • the system according to the invention comprises a plurality of groups of pressure vessels, each group consisting of a plurality of compressed air tanks and a pressurized water tank.
  • the system can continue to access the other groups by separating the affected groups by means of a gate valve.
  • the compressed air tank and the pressure water tank are connected to each other so that a constant pressure equalization between the two containers takes place, so that during the energy storage as well as during the energy production of the pressure in the two containers is always balanced, ie between the pressurized water tank and the compressed air tank is a pressure equilibrium.
  • energy storage ie water is introduced into the pressure water tank
  • the pressure in the total volume of the pressurized water container always increases
  • the pressure in the total volume of the pressurized water tank is always identical to the pressure in the compressed air tank.
  • a compressed air tank and a pressure water tank is connected via exactly one pressure line, which is designed to direct compressed air from the pressurized water tank to the compressed air tank and energy recovery compressed air from the compressed air tank to the pressurized water tank at energy storage.
  • This pressure line is used in the energy recovery that compressed air from the compressed air tank can flow without pressure loss in the pressure water tank. When storing energy, this pressure line is used to allow compressed air from the pressurized water tank to flow into the compressed air tank without loss of pressure. This ensures a simple construction.
  • a compressed air turbine Between the compressed air tank and the pressurized water tank can be arranged, in particular in the connection line between the compressed air tank and the pressurized water tank, a compressed air turbine. As a result, additional energy can be obtained when flowing through compressed air through the connecting line, whereby the efficiency of the system according to the invention can be improved and increased
  • the proposed systems are used for energy storage as well as for energy recovery.
  • the proposed systems for this purpose each have an operating state, namely a first state for energy storage and a second state for energy recovery.
  • water is pumped via a high-pressure pump from a water reservoir into the pressurized water tank, wherein the high-pressure pump is operated by means of excess energy from a public or non-public power grid. Due to the increasing amount of water in the pressurized water tank, the remaining compressed air in the pressurized water tank is displaced into the connected compressed air tank with simultaneous pressure increase due to the constant volume of the tank. Due to the pressure balance between the pressurized water tank and the compressed air tank, there is always identical pressure in both tanks. This pressure increases continuously with increasing amount of water in the pressurized water tank up to a predetermined maximum value.
  • water is supplied from the pressurized water tank to the Pelton turbine or the overpressure turbine and to the constant pressure turbine connected to it.
  • a generator which is connected to the drive shaft of the Pelton turbine or to the common drive shaft of the positive pressure turbine and constant pressure turbine generates energy which is supplied to a connected public or non-public power grid. Due to the decreasing amount of water at a constant volume of the container, the pressure in the pressurized water tank decreases. Due to the equalization of pressure between the pressurized water tank and the compressed air tank, both tanks have identical pressure at all times. This pressure decreases with decreasing amount of water in the pressure water tank and in the compressed air tank continuously up to a predetermined minimum value.
  • the proposed system works with operating pressures up to 500 bar. With appropriate design of the pressure vessel (pressurized water tank, compressed air tank) even pressures up to 1000 bar are possible. As a result, a high energy density is achieved, which can be stored in the smallest space. In this way, for example, powers between 2 and 450 MW are possible. By enlargement, ie enlargement of the compressed air tank and pressurized water tank any amount of energy can be stored much cheaper than previously known storage systems. For example, it is possible that the volume ratio between pressurized water tank and compressed air tank is 1: 1, 1: 2, 1: 3 or 1: 4 and more.
  • the proposed system essentially works with circulating water, which is expanded by the Pelton turbine or by the serial arrangement of the overpressure turbine and constant pressure turbine and pumped back by means of high-pressure pumps in the pressure water tank.
  • the system works with a small amount of supplementary air. Supplementary air may be required due to leaks in the pressure system and can be topped up in the respective containers if necessary. The required amount is determined during operation of the proposed system via the control unit and supplied via a compressed air reservoir.
  • a comparison device may be provided for comparing the instantaneous pressure in the pressure water tank and / or the instantaneous pressure in the compressed air tank and the instantaneous amount of water in the pressure water tank with a target pressure value, a comparison device.
  • the comparison device is designed such that, depending on the result of the comparison, compressed air is supplied to compressed air from a compressed air reservoir (air chamber). The leaked by leakage air is thus compensated by supplementary air.
  • the compressed air reservoir is connected to a compressor for conveying outside air into the compressed air reservoir.
  • the compressed air tank is filled exclusively with compressed air via an upstream compressed air reservoir, which can be filled by a compressor.
  • the pressure is compressed once in the compressed air tank and pressurized water tank before commissioning of the storage power plant depending on the design to a pressure of 50, 100, 200 or up to 1000 bar.
  • the compressor is used exclusively for the supply of compressed air in a compressed air storage, which is upstream of the compressed air tank and only serves to replace the air leakage.
  • the storage power plant can thus be operated at pressures of 50, 100, 200 or up to 1000 bar.
  • control unit which is designed to control the high-pressure pump by means of electricity from the public power grid, depending on the capacity of a connected to the system or connectable public or non-public power grid to water from a water reservoir in the pressurized water tank to pump if there is an energy surplus in the public power grid.
  • Pressurized water is passed from the pressurized water tank to the turbine and the power generated in the generator connected to the turbine is supplied to the public power grid when there is an energy demand in the public power grid.
  • the proposed system can be stored with short reaction times either excess energy or stored energy can be made available.
  • the energy storage takes place without exception by recycling the circulation water with high-pressure pumps in the pressurized water tank. This process takes place only with excess energy from the public grid.
  • the required compressed air is also generated only with excess energy from the public grid.
  • the system according to the invention can be raised from 0 to 100% in about 65 seconds. Load changes occur in seconds.
  • the high-pressure pumps can be designed so that they can be driven out of the stillsands to 100% power for about 25 seconds.
  • the volume of the compressed air tank and the pressurized water tank can be designed so that the system of the invention over a period of up to 4 h can deliver the full design performance.
  • control unit is designed, in the case of energy recovery, to regulate the power generated by the overpressure turbine and / or the constant pressure turbine by opening or closing tailings (vapor inlet nozzles) connected to the overpressure turbine and / or the constant pressure turbine.
  • the proposed systems takes only a small space requirement and can be set up at any point in the vicinity of power lines, wind farms, Solaranalgen or large consumers. Furthermore, the proposed system does not require additional resources.
  • the storage system according to the invention in particular the pressure vessels, is expediently installed underground.
  • the system according to the invention can be constructed on flat or sloping terrain, in the smallest space. After the compressed air and pressurized water containers have been let into the earth, they are covered and reused as green space or arable land.
  • the environment is minimally burdened and resources compared to conventional systems considerably spared.
  • By housing the water reservoir to accommodate the relaxed from the turbine system water under the building to accommodate the turbines no additional space is needed for this. At the same time, the system is protected against contamination.
  • Fig. 1 shows the inventive arrangement of a positive pressure turbine 3 and a constant pressure turbine 3a in a system according to the invention for energy storage and recovery.
  • Fig.1 does not show the other components of the system according to the invention for energy storage and recovery for the sake of simplicity and for better illustration. It will be on the Fig. 2 and 3 directed.
  • the overpressure turbine 3, eg,. a Francis turbine has an inlet E3 and an outlet A3.
  • the inlet E3 is connected via a pressure line 5 with the / not shown pressurized water containers.
  • the outlet A3 of the overpressure turbine 3 is connected to the inlet of a constant pressure turbine 3a, for example a Pelton turbine.
  • the outlet (not shown) of the constant pressure turbine 3a is connected to a water reservoir for storing and collecting the water.
  • the drive shaft AW of the overpressure turbine 3 is connected to the drive shaft AW of the constant pressure turbine 3a.
  • a generator 4 for generating electrical energy is also connected.
  • the drive shaft AW is guided substantially centrally through the constant pressure turbine 3a.
  • the drive shaft AW is a one-piece drive shaft AW.
  • Fig. 2 shows an inventive system for energy storage and recovery with a combination of pressure turbine and constant pressure turbine and exemplified four compressed air tanks 1 and four pressurized water tanks 2.
  • Each pressure vessel 1, 2 is suitably designed as a single-walled container.
  • Each container 1, 2 may have a volume of up to 300,000 m 3 and be designed for a pressure of up to 1000 bar.
  • Each compressed air tank 1 has an inlet 1e for compressed air and an outlet 1a for compressed air.
  • the inlet 1e of a compressed air tank 1 is in communication with a compressed air reservoir 18, which also assumes the function of a compressed air equalizing tank.
  • This compressed air reservoir 18 is connected to a compressor 17, which can supply compressed outside air to the compressed air reservoir 18.
  • the power supply to the compressor 17 is effected by a power network S connected or connectable to the system.
  • the replenishment of compressed air from the compressed air reservoir 18 into a compressed air tank 1 takes place, as explained below, according to demand determination by a control and comparison unit 13.
  • the control and comparison unit 13 is connected via a data line 16 to a control valve 19.
  • This control valve 19 is disposed between the compressed air reservoir 18 and the compressed air tank 1, in particular between the output of the compressed air reservoir 18 and the input 1e of a compressed air tank 1.
  • Fig. 2 shows a single control valve 19, which is arranged in front of the entrances 1e of the four compressed air tank 1.
  • each compressed air tank 1 each have a control valve 19 at the input 1e of a compressed air tank 1 is arranged. This ensures that during operation of the system, the pressure in the system can be kept constant, for example at 500 bar.
  • control and comparison unit 13 By means of the control and comparison unit 13, as explained below, starting from the determined in the pressurized water tank 2 by means of the sensors SN amount of water and the available volume in the compressed air tank 1 and 2 in the pressurized water tank for a given pressure, eg 500bar required amount be determined from compressed air, which may need to be refilled from the compressed air reservoir 18 via the control valve 19 in the compressed air tank 1.
  • a given pressure eg 500bar required amount be determined from compressed air, which may need to be refilled from the compressed air reservoir 18 via the control valve 19 in the compressed air tank 1.
  • the sensor SD the pressure in a compressed air tank 1 is measured.
  • the sensors SD, SN are thus connected via data lines 16 to the control valve 19 and the control and comparison unit 13.
  • the outlet 1a of the compressed air tank 1 is connected via a pressure line 5 to the inlet 2e of a pressurized water tank 2.
  • shut-off valves which are arranged between the compressed air tank 1 and the pressurized water tank 2.
  • compressed air turbines which are arranged between the outlet 1 a of the compressed air tank 1 and the inlet of the pressurized water tank 2.
  • the output 2a of a pressurized water container 2 is connected via a shut-off valve 6 and a pressure line 5 to the inlet E3 of the overpressure turbine 3.
  • the outputs 2a of the pressurized water container 2 are each located at the lowest point of the pressurized water container 2. Furthermore, the outputs 2a of the pressurized water container 2 via a common pressure line 5 are interconnected. This pressure line 5 has a gradient in the direction of the turbine arrangement 3, 3a.
  • the overpressure turbine 3 and the constant pressure turbine 3a each have a controllable tail unit 7, 7a, via which the outlet pressure of the overpressure turbine 3 into the constant pressure turbine 3a and the feed quantity into the overpressure turbine 3a and the constant pressure turbine 3 can be regulated.
  • the output power of the turbine arrangement 3, 3 a can be regulated.
  • the inlet guide 7, 7a are connected via a data line 16 to the control and comparison unit 13.
  • the positive pressure turbine 3a and the constant pressure turbine 3 are connected via a common drive shaft AW connected to a generator 4 for power generation.
  • This generator 4 is connected to a power grid S or connectable to a power grid S.
  • overpressure turbine 3 and constant pressure turbine 3a are designed such that in the case of energy recovery through the arrangement of pressure turbine 3 and constant pressure turbine 3a led water from the pressurized water tank 1 is relaxed in a water reservoir 9.
  • the water reservoir 9 has an antechamber 10 for removing the water in the case of energy storage.
  • This pre-chamber 10 has an opening 10a, which is designed such that the lower boundary of this inlet opening 10a above the bottom of the pre-chamber 10 is arranged.
  • the upper boundary of the opening 10a is disposed below the water level (not shown) in the water storage 9.
  • the limitation prevents heavy parts from getting into the pre-chamber 10 in the water.
  • By immersing the upper edge below the minimum water level prevents air-containing water enters the antechamber, which can lead to disturbances of the high pressure pump 11 and impurities in the pressurized water tank 2.
  • the impurities can lead to disturbances in the turbines 3, 3a. Furthermore, it is prevented that the foam generated by the water relaxation of the constant pressure turbine 3 passes through microbubbles in the water, in the prechamber 10 and the high pressure pump 11.
  • a high pressure pump 11 is connected to the prechamber 10.
  • the power of the high-pressure pump 11 takes place from the connected or connectable power grid S.
  • a check valve 8 is provided in the connecting line 12 between the high-pressure pump 11 and pressurized water tank 2 , This check valve 8 serves to ensure that the built-up during the energy storage pressure in the pressurized water tank 2 causes no feedback to the high-pressure pump 11.
  • the system has a control and comparison unit 13.
  • This control and comparison unit 13 is connected via a data line 16 with pressure sensors SD in the compressed air tank 1 and with level sensors SN in the pressurized water tank 2.
  • the control and comparison unit 13 comprises a comparison device for comparing the instantaneous pressure in the pressurized water container 2 and the instantaneous pressure in the compressed air tank 1 and the instantaneous amount of water in the pressurized water container 2 with a desired pressure value.
  • the control and comparison unit 13 is set up such that, depending on the result of the comparison, the compressed air tank 1 is supplied with compressed air from the compressed air reservoir 18 via a control valve 19.
  • the control and comparison unit 13 is connected to a data line 16 to a network computer 15 of a connected or connectable public or non-public power grid S. About the network computer 15, a request to the control and comparison unit 13 is made, whether the system is to be used for energy or energy storage or can.
  • control and comparison unit 13 is connected via a data line 16 with the controllable inlet guide vanes 7, 7a of the turbines 3, 3a. This makes it possible to adjust the power required by the network computer 15 of the public power grid to the turbines 3, 3a. Further, the control and comparison unit 13 is connected via a data line 16 to the shut-off valve 6. This ensures that only in the case of energy recovery, the shut-off valve 6 is opened and a connection between the pressurized water tank 2 and turbines 3, 3a is made.
  • control and comparison unit 13 is connected via a data line 16 to a control device (not shown) of the high-pressure pump 11. It is thus possible to convert the excess energy supplied to the system from the power grid S into the pressurized water tank 2 as required in the transport of water.
  • Fig. 3 shows an inventive system for energy storage and recovery. with compressed air and pressurized water tanks arranged in groups.
  • Fig. 3 shows by way of example two groups each consisting of two compressed air tanks and a pressurized water tank.
  • FIG. 3 Unlike the system shown Fig. 2 two compressed air tanks 1 connected to a pressurized water tank 2.
  • the outputs 1a of the two compressed air tank 1 are connected via a pressure line 5 to the input 2e of a pressurized water tank 2.
  • two compressed air tanks 1 and 2 pressurized water tank form a group (storage group).
  • a plurality of compressed air tanks or a plurality of pressurized water tanks can be connected to one another in a group.
  • Shut-off valves which are present between the inlet 2e of a pressurized water tank 2 and an outlet 1a of a compressed air tank 1 within a group are not shown.
  • the pressure water tanks 2 of the groups are at the outputs 2a with the overpressure turbine 3 (see explanations to Fig. 1 ) connected.
  • the outputs 2a of the pressurized water tank via a pressure line 5 are interconnected, wherein the pressure line 5 in the direction of the collector has a gradient.
  • the required water is filled before commissioning of the system in the pressurized water tank 2.
  • the first-time filling of the pressurized water container 2 after the or the compressed air tank 1 is filled with compressed air.
  • the required pressure in the compressed air tank 1 or pressurized water tank 2 is generated by means of the compressor 17 and filled by the compressed air reservoir 18 into or the compressed air tank 1.
  • the pressure in the compressed air tank 1 and thus in the pressurized water tank 2 is increased to 10, 50, 100, 200 or 1000 bar.
  • the shut-off valve 6 between the pressurized water tank 2 and the turbines 3, 3 a is opened via the control and comparison unit 13 and thus the pressurized water in the pressurized water tank 2 of the overpressure turbine 3 and coupled with this constant pressure turbine 3a supplied.
  • the amount of water flowing into the overpressure turbine 3 is controlled by the control and comparison unit 13.
  • the power generated by the overpressure turbine 3 and the constant pressure turbine 3a is regulated.
  • the coupled to the overpressure turbine 3 and constant pressure turbine 3a generator 4 generates the from Network computer 15 of the power grid S requested amount of energy and feeds them into the power grid S.
  • control and comparison unit 13 regulates the energy recovery and the energy storage in the system.
  • the control and comparison unit 13 receives via corresponding data lines 16 from the network computer 15 of the power grid S specifications relating to the respective operating phase, i. whether the system is in the operating phase of energy recovery or energy storage.
  • Fig. 4 shows an inventive system for energy storage and recovery with Pelton turbine and frequency converter.
  • Fig. 4 is different from the one in Fig. 3 described system only in the arrangement of the turbine connected to the pressurized water tank 2.
  • Fig. 4 is connected to the pressurized water tank 2, a Pelton turbine 3a.
  • a generator 4 and a frequency converter 4a is connected.
  • the generator 4 is in this case connected between Pelton turbine 3a and frequency converter 4a.
  • the frequency converter 4a is connected to the public power grid S.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung umfassend mindestens einen Druckluftbehälter (1), mindestens einen mit dem Druckluftbehälter (1) in Verbindung stehenden Druckwasserbehälter (2), mindestens eine mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter (2) in Wirkverbindung stehende Turbine (3, 3a), einen Generator (4) zur Erzeugung elektrischer Energie, eine Hochdruckpumpe (11) zur Förderung von Wasser aus einem Wasserspeicher (9) in den Druckwasserbehälter (2). Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die in Wirkverbindung mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter (2) stehende Turbine (3) eine Überdruckturbine ist, welche mit einer Gleichdruckturbine (3a) derart in Reihe geschaltet ist, dass eine Antriebswelle (AW) der Überdruckturbine (3) mit einer Antriebswelle (AW) der Gleichdruckturbine (3a) und einer Antriebswelle (AW) des Generators (4) verbunden ist und, dass die Gleichdruckturbine (3a) zwischen der Überdruckturbine (3) und dem Generator (4) angeordnet ist, wobei der Generator (4) eine Schnittstelle aufweist zur Verbindung mit einem öffentlichen Stromnetz (S). Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist die in Wirkverbindung mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter (2) stehende Turbine (3a) eine Peltonturbine ist, ist der Generator (4) eingerichtet zur Erzeugung von elektrischer Spannung, ist der Generator (4) an einen Frequenzumrichter (4a) angeschlossen, zur Erzeugung einer gleichbleibenden Spannung und Frequenz, und weist der Frequenzumrichter (4a) eine Schnittstelle zur Verbindung mit einem öffentlichen Stromnetz auf(S).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 4.
  • Neue Entwicklungen im Bereich der alternativen Energien, insbesondere die der diskontinuierlichen Prozesse, wie Solarenergie oder Windenergie, haben zu der Situation geführt, dass einerseits Betriebszeiten gegeben sind, in denen die erzeugte Energie den vorliegenden Bedarf zum Teil erheblich übersteigt, andererseits solche, in denen es an der erforderlichen und abgefragten Energie völlig oder mindestens teilweise fehlt. Diese Schwankungen haben den Bedarf an geeigneten Speichermöglichkeiten für Überschussenergie akut werden lassen.
  • Damit richten sich die Entwicklungsbemühungen gezielt auf Vorgänge, in denen die elektrische Energie zunächst in einen anderen Energieträger umgewandelt und aus diesem wieder zurückgewonnen werden kann.
  • Eine dieser Vorgänge ist die Hydrolyse, bei der aus Wasser dessen Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff gewonnen werden. Wegen des schwierigen Umgangs mit chemisch aktivem Wasserstoff bieten sich diese Verfahren, die im Allgemeinen auch einen großen verfahrenstechnischen Aufwand erfordern, für die breite Verwendung zur elektrischen Energiespeicherung und Rückgewinnung nicht an.
  • Die Speicherung elektrischer Energie in elektrischer Form ist bisher nur in Akkumulatoren möglich, in denen ein Übergang von elektrischen zu chemischen Prozessen herbeigeführt wird. Es ist aber noch nicht gelungen, Geräte zu schaffen, in denen das Speichervolumen hoch und das Bauvolumen gering ist. Für die Speicherung großer Energiemengen oder dezentrale zahlreiche Anordnungen von Speichereinheiten bilden derartige Geräte daher noch keine geeignete Lösung.
  • Weitere Verfahren sind darauf gerichtet, die anfallende elektrische Energie zunächst zur Verrichtung von Arbeit einzusetzen, mit welcher Speicher gefüllt werden, und die Rückgewinnung ebenfalls über den Zwischenvorgang der Arbeitsverrichtung auszuführen. Solche Verfahren werden z.B. in Pumpspeicherkraftwerke, Talsperren, hydropneumatische Speicherkraftwerke, die in stillgelegten Kavernen oder Bergwerken untergebracht sind, eingesetzt. Die Speicherung erfolgt zum Teil mit Druckluft oder Erdgas oder in Kombination mit Wasser, das zur Kühlung in die Gase eingespritzt wird.
  • Die derzeit verfügbaren Energiespeicher reichen zur Speicherung der durch erneuerbare Energieerzeuger verursachten Schwankungen bei weitem nicht aus. Gleichzeitig reichen die klassischen Energiespeicher wie Pumpspeicherkraftwerk oder Talsperren nicht aus und sind aus umwelttechnischen Gründen nur schwer realisierbar.
  • Ein Verfahren, in dem Luft komprimiert und zur Rückgewinnung der Energie wieder in verdichteter oder Druckluftmotoren eingesetzt wird, beschreibt die DE 27 17 679 A . Nachteilig für ein solches Verfahren ist die Tatsache, dass Luft als Energieträger für Arbeitsmaschinen einen verhältnismäßig niedrigen Wirkungsgrad hat und nur effektiv wirkt, wenn sie in hohen Mengen durchgesetzt werden kann, welche sich aber in den bei der Energiespeicherung gegebenen Bedingungen kaum erzeugen lassen.
  • Ein weiteres Verfahren zeigt die WO 2006/084748 A1 . Dabei werden verformbare oder komprimierbare Teile in Wasserbehältern unter Druck gesetzt und verformt. Wird Energie benötigt, wird das Wasser entnommen, welches unter Druck steht und dadurch Geräte antreiben kann. Nachteilig bei dieser Gestaltung ist, dass der Druck an den verbrauchenden Geräten mit dem Wasserdruck im Speicher nicht linear sinkt und dass sich mit der Gestaltung ein sehr hoher Aufwand verbindet.
  • Ein weiteres Speicherverfahren zeigt die DE601 18 987 T2 . Diese Methode ist für kleine Speicher wie z.B. an Fahrzeugen geeignet. Für Speicherkraftwerke die ein großes Speichervolumen benötigen ist das Verfahren nicht anwendbar.
  • Aus DE 102011082726 A1 sind Konstruktionen für Speicher bekannt. Für den Bau von Speicherkraftwerken sind diese Druckspeicher auf Grund der aufwändigen Konstruktion und dem geringen Speichervolumen nicht einsetzbar.
  • Aus DE 10 2013 112 196 A1 ist ein Druckluftspeicherkraftwerk bekannt. Druckluftspeicherkraftwerke haben auf Grund der physikalischen Gegebenheiten schlechte Wirkungsgrade. Die Komprimierung eines Gases wie z.B. Luft ist immer mit großen Wärmeentwicklungen verbunden. Bei der Entspannung entsteht dann wiederum Kälte die gespeichert oder zurückgewonnen werden muss. Die beschriebene Kombination zwischen Druckluftspeicher und Druckwasserspeicher zeigt einen praktikablen Weg auf. Bei dem beschriebenen Verfahren wird allerdings die Druckluft vor der erneuten Füllung des Wasserspeichers entspannt und erneut mit frischer Druckluft unter Druck gesetzt. Damit wird viel Energie zur Komprimierung der Druckluft bei einem schlechten Wirkungsgrad benötigt.
  • US 2012/0279209 A1 beschreibt eine unter Atmosphärenbedingungen arbeitenden Vorrichtung, ein Gas in einen druckfesten Behälter unter hohem Druck zu fördern und es daraus anschließend stufenweise auf Flüssigkeiten in geschlossenen hydraulischen Apparaten wirken zu lassen, bis es auf Atmosphärendruck entspannt ist. Nachteil ist in diesem Vorgang, dass zu einer nötigen steten Wiederholung wieder erheblicher Energieaufwand für die Komprimierung des Gases und den Betrieb der hydraulischen Geräte erforderlich ist.
  • Aus DE 102013018741 A1 ist ein System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung bekannt, bei welchem überschüssige Energie in einem Stromnetz mittels Druckluft in einem Druckluftbehälter gespeichert wird. Die Energierückgewinnung erfolgt dadurch, dass die Druckluft in einen Wasserbehälter geleitet wird, wodurch das Wasser durch eine Turbine geleitet wird und entspannt wird. Der von der Turbine angetriebene Generator erzeugt Strom, der einem Stromnetz zugeführt wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zur Energiespeicherung und Energierückgewinnung anzugeben, welches mit einem hohen Wirkungsgrad auf effiziente Art und Weise überschüssige Energie in einem öffentlichen oder nichtöffentlichen Stromnetz speichert und bei Energiebedarf wieder an selbiges abgegeben werden kann.
  • Diese Aufgabe wird mit den Systemen gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentanspruch 1 und 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Eine erste Variante der Erfindung ist ein System zur Energiespeicherung und - rückgewinnung, insbesondere ein Kraftwerk umfassend mindestens einen Druckluftbehälter, mindestens einen mit dem Druckluftbehälter in Verbindung stehenden Druckwasserbehälter, mindestens eine mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter in Wirkverbindung stehende Turbine, und einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, eine Hochdruckpumpe zur Förderung von Wasser aus einem Wasserspeicher in den Druckwasserbehälter. Gemäß der Erfindung ist die in Wirkverbindung mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter stehende Turbine eine Überdruckturbine, welche mit einer Gleichdruckturbine derart in Reihe geschaltet ist, dass eine Antriebswelle der Überdruckturbine mit einer Antriebswelle der Gleichdruckturbine und einer Antriebswelle des Generators verbunden ist. Die Gleichdruckturbine ist gemäß der Erfindung zwischen der Überdruckturbine und dem Generator angeordnet, wobei der Generator eine Schnittstelle aufweist zur Verbindung mit einem öffentlichen Stromnetz.
  • Unter dem Begriff Wirkverbindung wird im Weiteren verstanden, dass der Druckwasserbehälter direkt mit der Turbine verbunden ist.. Das bedeutet, dass das aus dem Druckwasserbehälter ausströmende Wasser direkt an die Turbine geführt wird und diese antreibt. Die in Wirkverbindung mit dem Druckwasserbehälter stehende Turbine wird somit eben nicht durch eine andere Turbine angetrieben. Mit anderen Worten, die Überdruckturbine steht in Wirkverbindung mit dem Druckwasserbehälter und wird von dem ausströmenden Wasser angetrieben. Die Gleichdruckturbine wird hingegen von dem aus der Überdruckturbine ausströmenden Wasser angetrieben.
  • Mit dem erfindungsgemäßen System wird ein Wirkungsgrad von mehr als 75%, insbesondere mehr als 85% erzielt. Diese Wirkungsgrade können insbesondere bei Leistungen von mehr als 80MW erreicht werden.
  • Da die Überdruckturbine, z.B. Francisturbine und die Gleichdruckturbine, z.B. Peltonturbine über ihre Antriebswellen mit dem Generator verbunden sind, entsteht ein ständiger Ausgleich zwischen der Überdruckturbine und der Gleichdruckturbine in der Weise, dass die durch die laufende Druckreduzierung abnehmende Leistung der Überdruckturbine durch die Gleichdruckturbine ausgeglichen wird. Somit kann die in den Druckbehältern gespeicherte Energie optimal vom Generator in elektrische Energie umgesetzt werden. Die Druckreduzierung am Eingang der Überdruckturbine ist dem sinkenden Druck in dem Druckwasserbehälter geschuldet, wenn zur Energieerzeugung Wasser aus dem Druckwasserbehälter entnommen wird.
  • Die Antriebswelle der Überdruckturbine und die Antriebswelle der Gleichdruckturbine können eine gemeinsame Welle bilden. Oder die Antriebswelle der Überdruckturbine und die Antriebswelle der Gleichdruckturbine können über eine drehsteife Kupplung miteinander verbunden sein. Oder die Antriebswelle der Überdruckturbine kann mit der Antriebswelle der Gleichdruckturbine über ein Getriebe verbunden sein. Es ist auch möglich, dass zwischen der Überdruckturbine und der Gleichdruckturbine eine automatische Kupplung zur Entkopplung der Überdruckturbine vorgesehen ist.
  • Zweckmäßig ist ein Auslass des mindestens einen Druckwasserbehälters mit einem Einlass der Überdruckturbine und ein Auslass der Überdruckturbine mit einem Einlass der Gleichdruckturbine verbunden. Damit ist sichergestellt, dass die in dem Druckwasser gespeicherte Energie in zwei Schritten gewonnen werden kann, nämlich in einem ersten Schritt, indem das Wasser durch die Überdruckturbine geleitet wird und in einem daran anschließenden Schritt, dass das Wasser nach Durchströmen der Überdruckturbine durch die Gleichdruckturbine geleitet wird.
  • Mittels des Leitwerks der Überdruckturbine kann der Auslaufdruck aus der Überdruckturbine derart geregelt werden, dass trotz veränderlichem Systemdruck im Druckwasserbehälter und damit veränderlichem Eingangsdruck der Überdruckturbine der Auslaufdruck aus der Überdruckturbine und damit der Einlaufdruck in die Gleichdruckturbine konstant gehalten werden kann. Die Leistung der Gleichdruckturbine kann über regelbare Einlaufdüsen (Leitwerk) an die geforderte Generatorleistung angepasst werden. Durch Regelung der Gleichdruckturbine mittels Einlaufdüsen (Leitwerk) wird das Wasservolumen an die erforderliche Leistung angepasst und somit die Leistung der Überdruckturbine durch Nachregelung über deren Leitwerk indirekt an die Gesamtleistung der Turbinenkombination angepasst. Zweckmäßig ist zwischen einem Auslass der Überdruckturbine und einem Einlass der Gleichdruckturbine eine Einrichtung zur Druckregelung des Vordrucks der Gleichdruckturbine angeordnet.
  • Die Überdruckturbine ist zweckmäßig für Eingangsdrucke zwischen 10 und 1000 bar, insbesondere zwischen 225 bar und 500 bar ausgelegt.
  • Eine zweite Variante der Erfindung geht von aus von einem System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung umfassend mindestens einen Druckluftbehälter, mindestens einen mit dem Druckluftbehälter in Verbindung stehenden Druckwasserbehälter, mindestens eine mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter in Wirkverbindung stehende Turbine, einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie und eine Hochdruckpumpe zur Förderung von Wasser aus einem Wasserspeicher in den Druckwasserbehälter. Gemäß der Erfindung ist die in Wirkverbindung mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter stehende Turbine eine Peltonturbine, der Generator ist eingerichtet zur Erzeugung von elektrischer Spannung, der Generator ist an einen Frequenzumrichter angeschlossen zur Erzeugung einer gleichbleibenden Spannung und Frequenz. Der Frequenzumrichter weist eine Schnittstelle auf zur Verbindung mit einem öffentlichen Stromnetz.
  • Die erfindungsgemäße Kombination eines Generators und eines Frequenzumrichters stellt sicher, dass trotz der Drehzahlschwankungen der Peltonturbine, hervorgerufen durch schwankende Einlaufdrücke, eine gleichbleibende Spannung und Frequenz erzeugt und an das öffentliche Stromnetz abgegeben werden kann. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Peltonturbine nicht als Gleichdruckturbine mit gleichbleibenden Einlaufdrücken sondern mit schwankenden Einlaufdrücken betrieben ist. Dies hat Drehzahlschwankungen zur Folge, welche wiederum Spannungsschwankungen und Frequenzschwankungen im Generator verursachen. Diese Spannungs- und Frequenzschwankungen werden erfindungsgemäß mittels eines Frequenzumrichters der auf den Generator abgestimmt ist, ausgeglichen. Somit steht trotz der Druckschwankungen eine gleichbleibende Spannung und Frequenz zur Verfügung.
  • Wie bereits oben erläutert, sind die schwankenden Drucke am Eingang der Peltonturbine dem sinkenden Druck in dem Druckwasserbehälter geschuldet, wenn zur Energieerzeugung Wasser aus dem Druckwasserbehälter entnommen wird.
  • Mit dem erfindungsgemäßen System können Investitionskosten reduziert und ein Wirkungsgrad von bis zu 95 % erreicht werden.
  • Bei mehreren Druckwasserbehältern kann eine Verbindungsleitung vorhanden sein, welche die Auslasse der Druckwasserbehälter miteinander verbindet, wobei die Druckwasserbehälter derart zueinander angeordnet sind, dass die Verbindungsleitung ein Gefälle aufweist und an ihrem tiefsten Punkt (z.B. Sammler, Wasserschloss) mit dem Einlass der Turbine verbunden ist (z.B. Tauchrohr).
  • Zwischen einem Auslass eines Druckluftbehälters und einem Einlass eines Druckwasserbehälters kann genau eine Druckleitung vorhanden sein, welche ausgebildet ist, bei Energiespeicherung Druckluft vom Druckwasserbehälter zum Druckluftbehälter und bei Energierückgewinnung Druckluft vom Druckluftbehälter zum Druckwasserbehälter zu leiten. Die Leitung ist derart dimensioniert, dass bei Bersten eines Druckluftbehälters nur ein geringes Volumen ausströmen kann und somit nur ein geringer Nachschub an Druckluft nötig ist. In der Verbindungsleitung zwischen dem Druckluftbehälter und dem Druckwasserbehälter kann eine Absperrvorrichtung angeordnet sein, welche eingerichtet ist bei einem plötzlichen Druckabfall die Verbindungsleitung zu schließen. Damit wird sichergestellt, dass beim Bersten eines Druckluftbehälters oder eines Druckwasserbehälters nicht die gesamte gespeicherte Druckluft entweichen kann.
  • Bei mehreren Druckluftbehältern kann eine Verbindungsleitung vorhanden sein, welche die Auslasse mehrerer Druckluftbehältern miteinander verbindet, wobei die mehreren Druckluftbehälter derart zueinander angeordnet sind, dass die Verbindungsleitung ein Gefälle aufweist und an ihrem tiefsten Punkt mit einem Einlass eines Druckwasserbehälters verbunden ist. Damit ist sichergestellt, dass in den Druckluftbehältern entstandenes Kondensat durch die Verbindungsleitung in den Druckwasserbehälter fließt. Hierbei ist es somit möglich, dass mehrere Druckluftbehälter einem einzelnen Druckwasserbehälter zugeordnet sind. Umfasst das System auch mehrere Druckwasserbehälter so ist hierbei sichergestellt, dass beim Bersten eines Druckluft- und/oder Druckwasserbehälters nicht das gesamte im System gespeicherte Druckvolumen entweichen kann. Mit anderen Worten, in dieser Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße System mehrere Gruppen von Druckbehältern, wobei jede Gruppe aus mehreren Druckluftbehältern und einem Druckwasserbehälter besteht. Bei der Fehlfunktion einer Gruppe kann das System durch Trennung der betroffenen Gruppen mittels Absperrschieber, weiterhin auf die anderen Gruppen zugreifen.
  • Der Druckluftbehälter und der Druckwasserbehälter sind derart miteinander verbunden, dass ein ständiger Druckausgleich zwischen den beiden Behältern stattfindet, so dass während der Energiespeicherung als auch während der Energiegewinnung der Druck in den beiden Behältern immer ausgeglichen ist, d.h. zwischen dem Druckwasserbehälter und dem Druckluftbehälter besteht ein Druckgleichgewicht. Dies bedeutet also, dass bei Energiespeicherung, d.h. Wasser wird in den Druckwasserbehälter eingeleitet, der Druck im Gesamtvolumen des Druckwasserbehälters einerseits stets ansteigt, andererseits der Druck im Gesamtvolumen des Druckwasserbehälters stets identisch ist zum Druck im Druckluftbehälter. Bei der Energierückgewinnung, d.h. Wasser wird aus dem Druckwasserbehälter hinausgeleitet, sinkt der Druck im Gesamtvolumen des Druckwasserbehälters einerseits stets ab, andererseits ist der Druck im Gesamtvolumen des Druckwasserbehälters stets identisch zu dem Druck im Druckluftbehälter. Insbesondere ist ein Druckluftbehälter und ein Druckwasserbehälter über genau eine Druckleitung verbunden, welche ausgebildet ist, bei Energiespeicherung Druckluft vom Druckwasserbehälter zum Druckluftbehälter und bei Energierückgewinnung Druckluft vom Druckluftbehälter zum Druckwasserbehälter zu leiten. Diese Druckleitung dient bei der Energierückgewinnung dazu, dass Druckluft aus dem Druckluftbehälter ohne Druckverlust in den Druckwasserbehälter strömen kann. Bei der Energiespeicherung dient diese Druckleitung dazu, dass Druckluft aus dem Druckwasserbehälter ohne Druckverlust in den Druckluftbehälter strömen kann. Damit wird ein einfacher Aufbau sichergestellt.
  • Zwischen dem Druckluftbehälter und dem Druckwasserbehälter kann, insbesondere in der Verbindungleitung zwischen dem Druckluftbehälter und dem Druckwasserbehälter eine Druckluftturbine angeordnet sein. Dadurch kann zusätzliche Energie beim Durchströmen von Druckluft durch die Verbindungsleitung gewonnen werden, wodurch der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Systems verbessert und gesteigert werden kann
  • Aus dem bekannten Stand der Technik ist es nicht bekannt, dass während des Betriebs der Energiespeicherung bzw. -rückgewinnung ein Druckgleichgewicht zwischen Druckluftbehälter und Druckwasserbehälter vorhanden ist.
  • Im Weiteren sei klargestellt, dass die vorgeschlagenen Systeme der Energiespeicherung als auch der Energierückgewinnung dienen. Selbstverständlich weisen die vorgeschlagenen Systeme hierfür jeweils einen Betriebszustand auf, nämlich einen ersten Zustand für die Energiespeicherung und einen zweiten Zustand für die Energierückgewinnung.
  • Bei der Energiespeicherung wird, wie später noch beschrieben wird, Wasser über eine Hochdruckpumpe aus einem Wasserspeicher in den Druckwasserbehälter gepumpt, wobei die Hochdruckpumpe mittels überschüssiger Energie aus einem öffentlichen oder nichtöffentlichen Stromnetz betrieben wird. Durch die anwachsende Wassermenge im Druckwasserbehälter wird die restliche Druckluft im Druckwasserbehälter in den angeschlossenen Druckluftbehälter verdrängt unter gleichzeitiger Druckerhöhung aufgrund des konstanten Volumens der Behälter. Aufgrund des Druckausgleichs zwischen Druckwasserbehälter und Druckluftbehälter herrscht in beiden Behältern stets identischer Druck. Dieser Druck steigt bei zunehmender Wassermenge im Druckwasserbehälter kontinuierlich bis zu einem vorgebbaren Maximalwert an.
  • Bei der Energierückgewinnung wird Wasser aus dem Druckwasserbehälter der Peltonturbine oder der Überdruckturbine und der mit dieser verbundenen Gleichdruckturbine zugeführt. Ein Generator, der an der Antriebswelle der Peltonturbine oder an der gemeinsamen Antriebswelle der Überdruckturbine und Gleichdruckturbine angeschlossen ist erzeugt Energie, welcher einem angeschlossenen öffentlichen oder nichtöffentlichen Stromnetz zugeführt wird. Durch die abnehmende Wassermenge bei konstantem Volumen der Behälter sinkt der Druck in dem Druckwasserbehälter. Aufgrund des Druckausgleichs zwischen Druckwasserbehälter und Druckluftbehälter herrscht in beiden Behältern zu jedem Zeitpunkt identischer Druck. Dieser Druck sinkt bei abnehmender Wassermenge im Druckwasserbehälter und im Druckluftbehälter kontinuierlich bis zu einem vorgebbaren Minimalwert ab.
  • Das vorgeschlagene System arbeitet mit Betriebsdrucken bis 500 bar. Bei entsprechender Auslegung der Druckbehälter (Druckwasserbehälter, Druckluftbehälter) sind sogar Drücke bis 1000 bar möglich. Dadurch wird eine hohe Energiedichte erzielt, die auf kleinstem Raum gespeichert werden kann. Auf diese Weise sind z.B. Leistungen zwischen 2 und 450 MW möglich. Durch Erweiterung, d.h. Vergrößerung der Druckluftbehälter und Druckwasserbehälter können beliebige Energiemengen wesentlich kostengünstiger als bei bisher bekannten Speichersystemen gespeichert werden. So ist es z.B. möglich, dass das Volumenverhältnis zwischen Druckwasserbehälter und Druckluftbehälter 1:1, 1:2, 1:3 oder 1:4 und mehr beträgt.
  • Das vorgeschlagene System arbeitet im Wesentlichen mit umlaufendem Wasser, das durch die Peltonturbine oder durch die serielle Anordnung der Überdruckturbine und Gleichdruckturbine entspannt und mit Hilfe von Hochdruckpumpen in den Druckwasserbehälter zurückgepumpt wird. Das System arbeitet mit einer geringen Menge an Ergänzungsluft. Ergänzungsluft kann aufgrund von Leckagen im Drucksystem nötig werden und bei Bedarf in die jeweiligen Behälter nachgefüllt werden. Die benötigte Menge wird während des Betriebes des vorgeschlagenen Systems über die Steuereinheit ermittelt und über einen Druckluftspeicher zugeführt.
  • Es kann eine Vergleichseinrichtung vorgesehen sein zum Vergleichen des momentanen Drucks im Druckwasserbehälter und/oder des momentanen Drucks im Druckluftbehälter und der momentanen Wassermenge im Druckwasserbehälter mit einem Solldruckwert. Die Vergleichseinrichtung ist derart ausgebildet, dass in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs dem Druckluftbehälter Druckluft aus einem Druckluftspeicher (Windkessel) zugeführt wird. Die durch Leckage entwichene Luft wird somit durch Ergänzungsluft ausgeglichen. Insbesondere ist der Druckluftspeicher mit einem Kompressor verbunden zur Förderung von Außenluft in den Druckluftspeicher. Mit anderen Worten, der Druckluftbehälter wird ausschließlich über einen vorgelagerten Druckluftspeicher, welcher durch einen Kompressor befüllbar ist, mit Druckluft befüllt.
  • Mit Hilfe des Kompressors wird der Druck einmalig im Druckluftbehälter und Druckwasserbehälter vor Inbetriebnahme des Speicherkraftwerks je nach Auslegung auf einen Druck von 50, 100, 200 oder bis zu 1000 bar komprimiert. Nach Inbetriebnahme des Systems, d.h. während der Betriebsphase, in welcher das System als Kraftwerk zur Energiespeicherung und Energierückgewinnung genutzt wird, dient der Kompressor ausschließlich der Zuleitung von Druckluft in einen Druckluftspeicher, welcher dem Druckluftbehälter vorgeschaltet ist und nur dem Ersatz von Leckluft dient. Das Speicherkraftwerk kann somit bei Drucken von 50, 100, 200 oder bis zu 1000 bar betrieben werden.
  • Es kann eine Steuereinheit vorhanden sein, welche ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Auslastung eines mit dem System verbundenen oder verbindbaren öffentlichen oder nicht öffentlichen Stromnetzes, die Hochdruckpumpe mittels Strom aus dem öffentlichen Stromnetz anzusteuern, um Wasser aus einem Wasserspeicher in den Druckwasserbehälter zu pumpen, wenn im öffentlichen Stromnetz ein Energieüberschuss vorhanden ist. Druckwasser wird aus dem Druckwasserbehälter zur Turbine geleitet und der in dem an die Turbine angeschlossenen Generator erzeugte Strom dem öffentlichen Stromnetz zugeführt, wenn im öffentlichen Stromnetz ein Energiebedarf besteht. Mit dem vorgeschlagenen System kann so mit kurzen Reaktionszeiten entweder überschüssige Energie gespeichert oder gespeicherte Energie zur Verfügung gestellt werden.
  • Die Energiespeicherung erfolgt ausnahmslos durch Rückführung des Kreislaufwassers mit Hochdruckpumpen in die Druckwasserbehälter. Dieser Vorgang erfolgt nur mit überschüssiger Energie aus dem öffentlichen Stromnetz. Die erforderliche Druckluft wird ebenfalls nur mit überschüssiger Energie aus dem öffentlichen Stromnetz erzeugt. Das erfindungsgemäße System kann in ca. 65 sec. von 0 auf 100 % hochgefahren werden. Lastwechsel erfolgen im Sekundenbereich. Die Hochdruckpumpen können so ausgelegt sein, dass sie ca. 25 sec. aus dem Stillsand auf 100 % Leistung gefahren werden können. Das Volumen der Druckluftbehälter und der Druckwasserbehälter kann so ausgelegt sein, dass das erfindungsgemäße System über eine Dauer von bis zu 4 h die volle Auslegungsleistung liefern kann.
  • Diesbezüglich ist vorgeschlagen, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, für den Fall der Energierückgewinnung die von der Überdruckturbine und/oder der Gleichdruckturbine erzeugte Leistung durch Öffnung oder Schließen von mit der Überdruckturbine und/oder der Gleichdruckturbine verbundenen Leitwerke (Vllassereinlaufdüsen) zu regeln.
  • Vorteil der vorgeschlagenen Systeme ist, dass es nur einen geringen Flächenbedarf in Anspruch nimmt und an jeder beliebigen Stelle in der Nähe von Hochspannungsleitungen, Windparks, Solaranalgen oder Großverbrauchern aufstellbar ist. Ferner benötigt das vorgeschlagene System keine zusätzlichen Ressourcen. Aus Gründen der Sicherheit sei hier angemerkt, dass das erfindungsgemäße Speichersystem, insbesondere die Druckbehälter, zweckmäßig unterirdisch verbaut ist. Insbesondere kann das erfindungsgemäße System auf flachem oder abfallendem Gelände, auf kleinstem Raum aufgebaut werden. Nach Einlassen der Druckluft- und Druckwasserbehälter in die Erde werden diese abgedeckt und als Grünfläche oder Ackerland wieder genutzt. Somit wird die Umwelt minimal belastet und Ressourcen gegenüber üblichen Systemen erheblich geschont. Durch Unterbringung des Wasserspeichers zur Aufnahme des aus dem Turbinensystem entspannten Wassers unter dem Gebäude zur Aufnahme der Turbinen wird auch dafür keine zusätzliche Fläche benötigt. Gleichzeitig wird das System vor Verunreinigungen geschützt.
  • Die Erfindung sowie weitere Vorteile der Erfindung werden im Weiteren anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1
    die Anordnung einer Überdruckturbine und einer Gleichdruckturbine in einem erfindungsgemäßen System zur Energiespeicherung- und rückgewinnung,
    Fig. 2
    ein erfindungsgemäßes System zur Energiespeicherung- und rückgewinnung mit einer Kombination aus Überdruckturbine und Gleichdruckturbine und beispielhaft vier Druckluftbehältern und vier Druckwasserbehältern,
    Fig. 3
    ein erfindungsgemäßes System zur Energiespeicherung- und rückgewinnung. mit beispielhaft zwei Gruppen bestehend jeweils aus zwei Druckluftbehältern und einem Druckwasserbehälter
    Fig. 4
    ein erfindungsgemäßes System zur Energiespeicherung- und rückgewinnung mit Peltonturbine und Frequenzumrichter.
  • Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung einer Überdruckturbine 3 und einer Gleichdruckturbine 3a in einem erfindungsgemäßen System zur Energiespeicherung- und rückgewinnung. Fig.1 zeigt der Einfachheit halber und zur besseren Darstellung nicht die weiteren Komponenten des erfindungsgemäßen Systems zur Energiespeicherung- und rückgewinnung. Es wird auf die Fig. 2 und 3 verwiesen.
  • Die Überdruckturbine 3, z.B,. eine Francis-Turbine weist einen Einlass E3 und einen Auslass A3 auf. Der Einlass E3 ist über eine Druckleitung 5 mit dem/den nicht dargestellten Druckwasserbehältern verbunden. Der Auslass A3 der Überdruckturbine 3 ist mit dem Einlass einer Gleichdruckturbine 3a, z.B. einer Peltonturbine verbunden. Der Auslass (nicht dargestellt) der Gleichdruckturbine 3a ist mit einem Wasserspeicher zur Bevorratung und Auffangen des Wassers verbunden.
  • Die Antriebswelle AW der Überdruckturbine 3 ist mit der Antriebswelle AW der Gleichdruckturbine 3a verbunden. An der Antriebswelle AW ist ferner ein Generator 4 zur Erzeugung von elektrischer Energie angeschlossen. Die Antriebswelle AW ist im Wesentlichen zentrisch durch die Gleichdruckturbine 3a geführt. Insbesondere handelt es sich bei der Antriebswelle AW um eine einstückige Antriebswelle AW.
  • Mit Pfeilen ist die Fließrichtung des Wassers durch die Druckleitung 5 zu dem Einlass E3 der Überdruckturbine 3, zwischen der Überdruckturbine 3 und der Gleichdruckturbine 3a gezeigt.
  • Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes System zur Energiespeicherung- und rückgewinnung mit einer Kombination aus Überdruckturbine und Gleichdruckturbine und beispielhaft vier Druckluftbehältern 1 und vier Druckwasserbehältern 2. Jeder Druckbehälter 1, 2 ist zweckmäßig als einwandiger Behälter ausgeführt. Jeder Behälter 1, 2 kann ein Volumen von bis zu 300000 m3 aufweisen und für einen Druck von bis zu 1000 bar ausgelegt sein.
  • Jeder Druckluftbehälter 1 weist einen Einlass 1e für Druckluft und einen Auslass 1a für Druckluft auf. Der Einlass 1e eines Druckluftbehälters 1 steht in Verbindung mit einem Druckluftspeicher 18, welcher auch die Funktion eines Druckluftausgleichsbehälter übernimmt. Dieser Druckluftspeicher 18 ist mit einem Kompressor 17 verbunden, welcher komprimierte Außenluft dem Druckluftspeicher 18 zuführen kann. Die Stromversorgung des Kompressors 17 erfolgt durch ein an das System angeschlossenes oder anschließbares Stromnetz S. Das Nachfüllen von Druckluft aus dem Druckluftspeicher 18 in einen Druckluftbehälter 1 erfolgt, wie weiter unten erläutert, nach Bedarfsermittlung durch eine Steuer- und Vergleichseinheit 13.
  • Die Steuer- und Vergleichseinheit 13 ist über eine Datenleitung 16 mit einem Regelventil 19 verbunden. Dieses Regelventil 19 ist zwischen dem Druckluftspeicher 18 und dem Druckluftbehälter 1, insbesondere zwischen dem Ausgang des Druckluftspeicher 18 und dem Eingang 1e eines Druckluftbehälters 1, angeordnet. Fig. 2 zeigt ein einzelnes Regelventil 19, welches vor den Eingängen 1e der vier Druckluftbehälter 1 angeordnet ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass zur individuellen Ansteuerung eines jeden Druckluftbehälters 1 jeweils ein Regelventil 19 am Eingang 1e eines Druckluftbehälters 1 angeordnet ist. Damit ist sichergestellt, dass während des Betriebs des Systems der Druck in dem System konstant gehalten werden kann, z.B. bei 500bar. Mittels der Steuer- und Vergleichseinheit 13 kann, wie weiter unten erläutert, ausgehend von der im Druckwasserbehälter 2 mittels der Sensoren SN ermittelten Wassermenge und dem zur Verfügung stehenden Volumen im Druckluftbehälter 1 und im Druckwasserbehälter 2 die für einen vorgegebenen Druck, z.B. 500bar, benötigte Menge an Druckluft ermittelt werden, welche gegebenenfalls aus dem Druckluftspeicher 18 über das Regelventil 19 in den Druckluftbehälter 1 nachgefüllt werden muss. Mittels des Sensors SD wird der Druck in einem Druckluftbehälter 1 gemessen. Die Sensoren SD, SN sind somit entsprechend über Datenleitungen 16 mit dem Regelventil 19 und der Steuer- und Vergleichseinheit 13 verbunden.
  • Der Auslass 1a des Druckluftbehälters 1 ist über eine Druckleitung 5 mit dem Einlass 2e eines Druckwasserbehälters 2 verbunden. Nicht dargestellt sind Absperrventile welche zwischen dem Druckluftbehälter 1 und dem Druckwasserbehälter 2 angeordnet sind. Ferner sind nicht dargestellt Druckluftturbinen, welche zwischen dem Auslass 1a des Druckluftbehälters 1 und dem Einlass des Druckwasserbehälters 2 angeordnet sind.
  • Der Ausgang 2a eines Druckwasserbehälters 2 ist über ein Absperrventil 6 und eine Druckleitung 5 mit dem Einlass E3 der Überdruckturbine 3 verbunden. Bezüglich der Anordnung der Überdruckturbine 3 und der Gleichdruckturbine 3a wird hier auf die Erläuterungen zu Fig. 1 verwiesen. Die Ausgänge 2a der Druckwasserbehälter 2 befinden sich jeweils an der tiefsten Stelle der Druckwasserbehälter 2. Ferner sind die Ausgänge 2a der Druckwasserbehälter 2 über eine gemeinsame Druckleitung 5 miteinander verbunden. Diese Druckleitung 5 weist ein Gefälle in Richtung der Turbinenanordnung 3, 3a auf.
  • Die Überdruckturbine 3 und die Gleichdruckturbine 3a weisen jeweils ein regelbares Leitwerk 7, 7a auf, über welches der Auslaufdruck von der Überdruckturbine 3 in die Gleichdruckturbine 3a und die Zulaufmenge in die Überdruckturbine 3a und die Gleichdruckturbine 3 reguliert werden kann. Dadurch kann die Ausgangsleistung der Turbinenanordnung 3, 3a geregelt werden. Hierzu sind die Einlaufleitwerke 7, 7a über eine Datenleitung 16 mit der Steuer- und Vergleichseinheit 13 verbunden. Die Überdruckturbine 3a und die Gleichdruckturbine 3 sind über eine gemeinsame Antriebswelle AW mit einem Generator 4 zur Energieerzeugung verbunden. Dieser Generator 4 ist an ein Stromnetz S angeschlossen oder mit einem Stromnetz S verbindbar.
  • Die Anordnung aus Überdruckturbine 3 und Gleichdruckturbine 3a ist derart ausgebildet, dass das im Falle der Energierückgewinnung durch die Anordnung aus Überdruckturbine 3 und Gleichdruckturbine 3a geleitete Wasser aus dem Druckwasserbehälter 1 in einen Wasserspeicher 9 entspannt wird.
  • Der Wasserspeicher 9 weist eine Vorkammer 10 auf zur Entnahme des Wassers im Falle der Energiespeicherung. Diese Vorkammer 10 weist eine Öffnung 10a auf, welche derart ausgeführt ist, dass die untere Begrenzung dieser Einlauföffnung 10a oberhalb des Bodens der Vorkammer 10 angeordnet ist. Die obere Begrenzung der Öffnung 10a ist unterhalb des Wasserspiegels (nicht dargestellt) im Wasserspeicher 9 angeordnet. Durch die Begrenzung wird verhindert, dass Schwereteile im Wasser in die Vorkammer 10 gelangen. Durch Eintauchen der oberen Kante unter den minimalen Wasserspiegel wird verhindert, dass lufthaltiges Wasser in die Vorkammer gelangt, was zu Störungen der Hochdruckpumpe 11 und Verunreinigungen im Druckwasserbehälter 2 führen kann. Die Verunreinigungen können zu Störungen in den Turbinen 3, 3a führen. Ferner wird verhindert, dass der durch die Wasserentspannung von der Gleichdruckturbine 3 erzeugte Schaum durch Mikrobläschen im Wasser, in die Vorkammer 10 und zur Hochdruckpumpe 11 gelangt.
  • An die Vorkammer 10 ist eine Hochdruckpumpe 11 angeschlossen. Die Hochdruckpumpe 12 fördert über eine Verbindungsleitung 12 Wasser aus der Vorkammer 10 in die Druckwasserbehälter 2. Die Stromversorgung der Hochdruckpumpe 11 erfolgt dazu aus dem angeschlossenen oder anschließbaren Stromnetz S. Darüber hinaus ist in der Verbindungsleitung 12 zwischen Hochdruckpumpe 11 und Druckwasserbehälter 2 ein Rückschlagventil 8 vorgesehen. Dieses Rückschlagventil 8 dient dazu, dass der während der Energiespeicherung aufgebaute Druck im Druckwasserbehälter 2 keine Rückkopplung auf die Hochdruckpumpe 11 bewirkt. Selbstverständlich kann der Druckwasserbehälter 2 am Zugang 2a der Verbindungsleitung 12 in den Druckwasserbehälter 2 ein Absperrventil (nicht dargestellt) aufweisen.
  • Das System weist eine Steuer- und Vergleichseinheit 13 auf. Diese Steuer- und Vergleichseinheit 13 ist über eine Datenleitung 16 mit Drucksensoren SD im Druckluftbehälter 1 sowie mit Füllstandssensoren SN im Druckwasserbehälter 2 verbunden. Die Steuer- und Vergleichseinheit 13 umfasst eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des momentanen Drucks im Druckwasserbehälter 2 bzw. des momentanen Drucks im Druckluftbehälter 1 und der momentanen Wassermenge im Druckwasserbehälter 2 mit einem Solldruckwert. Die Steuer- und Vergleichseinheit 13 ist derart eingerichtet, dass in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs dem Druckluftbehälter 1 Druckluft aus dem Druckluftspeicher 18 über ein Regelventil 19 zugeführt wird.
  • Die Steuer- und Vergleichseinheit 13 ist mit einer Datenleitung 16 mit einem Netzrechner 15 eines angeschlossenen oder anschließbaren öffentlichen oder nicht öffentlichen Stromnetzes S verbunden. Über den Netzrechner 15 wird eine Anforderung an die Steuer- und Vergleichseinheit 13 gestellt, ob das System zur Energiegewinnung oder zur Energiespeicherung genutzt werden soll oder kann.
  • Hierzu ist die Steuer- und Vergleichseinheit 13 über eine Datenleitung 16 mit den regelbaren Einlaufleitwerken 7, 7a der Turbinen 3, 3a verbunden. Damit ist es möglich, die vom Netzrechner 15 des öffentlichen Stromnetzes angeforderte Leistung an den Turbinen 3, 3a einzustellen. Ferner ist die Steuer- und Vergleichseinheit 13 über eine Datenleitung 16 mit dem Absperrventil 6 verbunden. Damit wird sichergestellt, dass nur im Falle der Energierückgewinnung das Absperrventil 6 geöffnet wird und eine Verbindung zwischen Druckwasserbehälter 2 und Turbinen 3, 3a hergestellt ist.
  • Ferner ist die Steuer- und Vergleichseinheit 13 über eine Datenleitung 16 mit einem Steuergerät (nicht dargestellt) der Hochdruckpumpe 11 verbunden. Damit ist es möglich, die aus dem Stromnetz S dem System zur Verfügung gestellte überschüssige Energie bei Bedarf in Förderung von Wasser in den Druckwasserbehälter 2 umzusetzen.
  • Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes System zur Energiespeicherung- und rückgewinnung. mit in Gruppen angeordneten Druckluft- und Druckwasserbehältern. Fig. 3 zeigt beispielhaft zwei Gruppen bestehend jeweils aus zwei Druckluftbehältern und einem Druckwasserbehälter.
  • Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die Beschreibung der Fig. 1 und 2 verwiesen. Bei dem in Fig. 3 dargestellten System sind im Unterschied zu Fig. 2 zwei Druckluftbehältern 1 mit einem Druckwasserbehälter 2 verbunden. Die Ausgänge 1a der beiden Druckluftbehälter 1 sind über eine Druckleitung 5 mit dem Eingang 2e eines Druckwasserbehälters 2 verbunden. Somit bilden zwei Druckluftbehälter 1 und ein Druckwasserbehälter 2 eine Gruppe (Speichergruppe). Selbstverständlich können auch mehrere Druckluftbehälter bzw. mehrere Druckwasserbehälter in einer Gruppe miteinander verbunden sein. Nicht dargestellt sind Absperrventile welche zwischen dem Eingang 2e eines Druckwasserbehälters 2 und einem Ausgang 1a eines Druckluftbehälters 1 innerhalb einer Gruppe vorhanden sind.
  • Die Druckwasserbehälter 2 der Gruppen sind an den Ausgängen 2a mit der Überdruckturbine 3 (siehe Erläuterungen zu Fig. 1) verbunden. Hierbei sind die Ausgänge 2a der Druckwasserbehälter über eine Druckleitung 5 miteinander verbunden, wobei die Druckleitung 5 in Richtung des Sammlers ein Gefälle aufweist.
  • Bei den in Fig.2 und Fig. 3 dargestellten Systemen wird das erforderliche Wasser vor Inbetriebnahme des Systems in die Druckwasserbehälter 2 gefüllt. Zweckmäßig erfolgt die erstmalige Befüllung des Druckwasserbehälters 2 nachdem der bzw. die Druckluftbehälter 1 mit Druckluft gefüllt sind. Der erforderliche Druck im Druckluftbehälter 1 bzw. Druckwasserbehälter 2 wird mit Hilfe des Kompressors 17 erzeugt und durch den Druckluftspeicher 18 in den bzw. die Druckluftbehälter 1 gefüllt. Je nach gefordertem Betriebsdruck wird der Druck in dem Druckluftbehälter 1 und damit in dem Druckwasserbehälter 2 auf 10, 50, 100, 200 oder 1000 bar erhöht.
  • Durch Anforderung von Energie durch den Netzrechner des Stromnetzes S wird über die Steuer- und Vergleichseinheit 13 das Absperrventil 6 zwischen Druckwasserbehälter 2 und den Turbinen 3, 3a geöffnet und somit das unter Druck stehende Wasser im Druckwasserbehälter 2 der Überdruckturbine 3 und der mit dieser gekoppelten Gleichdruckturbine 3a zugeführt. Die Menge des in die Überdruckturbine 3 strömenden Wassers wird über die Steuer- und Vergleichseinheit 13 geregelt. Dadurch wird die von Überdruckturbine 3 und Gleichdruckturbine 3a erzeugte Leistung geregelt. Der an die Überdruckturbine 3 und Gleichdruckturbine 3a gekoppelte Generator 4 erzeugt die vom Netzrechner 15 des Stromnetzes S angeforderte Energiemenge und speist diese in das Stromnetz S ein.
  • Es ist somit möglich, dass die Steuer- und Vergleichseinheit 13 die Energierückgewinnung und die Energiespeicherung im System regelt. Die Steuer- und Vergleichseinheit 13 erhält über entsprechende Datenleitungen 16 vom Netzrechner 15 des Stromnetzes S Vorgaben bezüglich der jeweiligen Betriebsphase, d.h. ob sich das System in der Betriebsphase der Energierückgewinnung oder der Energiespeicherung befindet.
  • Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes System zur Energiespeicherung- und rückgewinnung mit Peltonturbine und Frequenzumrichter. Fig. 4 unterscheidet sich von dem in Fig. 3 beschriebenen System lediglich in der Anordnung der an den Druckwasserbehälter 2 angeschlossenen Turbine. In Fig. 4 ist an den Druckwasserbehälter 2 eine Peltonturbine 3a angeschlossen. Mit der Antriebswelle AW der Peltonturbine 3a ist ein Generator 4 und ein Frequenzumrichter 4a verbunden. Der Generator 4 ist hierbei zwischen Peltonturbine 3a und Frequenzumrichter 4a geschaltet. Der Frequenzumrichter 4a ist mit dem öffentlichen Stromnetz S verbunden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Druckluftbehälter
    1e
    Eingang
    1a
    Ausgang
    2
    Druckwasserbehälter
    2e
    Eingang
    2a
    Ausgang
    3
    Überdruckturbine
    3a
    Gleichdruckturbine
    E3
    Eingang Überdruckturbine
    A3
    Ausgang Überdruckturbine
    E3a
    Eingang Gleichlaufturbine
    A3a
    Ausgang Gleichlaufturbine
    AW
    Antriebswelle
    4
    Generator
    4a
    Frequenzumrichter
    5
    Druckleitung/Verbindungsleitung
    6
    Absperrventil
    7
    Wassereinlaufleitwerk
    7a
    Wassereinlaufleitwerk
    8
    Rückschlagventil
    9
    Wasserspeicher
    10
    Vorkammer
    10a
    Öffnung
    11
    Hochdruckwasserpumpe
    12
    Verbindungsleitung
    13
    Steuer- und Vergleichseinheit
    15
    Netzrechner
    16
    Datenleitung
    17
    Kompressor
    18
    Druckluftspeicher
    19
    Absperrventil
    S
    Stromnetz
    SN
    Sensor Niveau
    SD
    Drucksensor

Claims (14)

  1. System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung umfassend mindestens einen Druckluftbehälter (1),
    mindestens einen mit dem Druckluftbehälter (1) in Verbindung stehenden Druckwasserbehälter (2),
    mindestens eine mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter (2) in Wirkverbindung stehende Turbine (3),
    einen Generator (4) zur Erzeugung elektrischer Energie,
    eine Hochdruckpumpe (11) zur Förderung von Wasser aus einem Wasserspeicher (9) in den Druckwasserbehälter (2),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die in Wirkverbindung mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter (2) stehende Turbine (3) eine Überdruckturbine ist, welche mit einer Gleichdruckturbine (3a) derart in Reihe geschaltet ist, dass eine Antriebswelle (AW) der Überdruckturbine (3) mit einer Antriebswelle (AW) der Gleichdruckturbine (3a) und einer Antriebswelle (AW) des Generators (4) verbunden ist und, dass die Gleichdruckturbine (3a) zwischen der Überdruckturbine (3) und dem Generator (4) angeordnet ist,
    wobei der Generator (4) eine Schnittstelle aufweist zur Verbindung mit einem öffentlichen Stromnetz (S).
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle der Überdruckturbine (3) und die Antriebswelle (AW) der Gleichdruckturbine (3a) eine gemeinsame Welle bilden oder die Antriebswelle (AW) der Überdruckturbine (3) und die Antriebswelle (AW) der Gleichdruckturbine (3a) über eine drehsteife Kupplung miteinander verbunden sind oder die Antriebswelle (AW) der Überdruckturbine (3) mit der Antriebswelle (AW) der Gleichdruckturbine (3a) über ein Getriebe verbunden sind
    und dass ein Auslass des mindestens einen Druckwasserbehälters (2) mit einem Einlass der Überdruckturbine (3) und ein Auslass der Überdruckturbine (3) mit einem Einlass der Gleichdruckturbine (3a) verbunden ist.
  3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Auslass der Überdruckturbine (3) und einem Einlass der Gleichdruckturbine (3a) eine Einrichtung zur Druckregelung des Vordrucks der Gleichdruckturbine (3a) angeordnet ist.
  4. System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung umfassend mindestens einen Druckluftbehälter (1),
    mindestens einen mit dem Druckluftbehälter (1) in Verbindung stehenden Druckwasserbehälter (2),
    mindestens eine mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter (2) in Wirkverbindung stehende Turbine (3a),
    einen Generator (4) zur Erzeugung elektrischer Energie,
    eine Hochdruckpumpe (11) zur Förderung von Wasser aus einem Wasserspeicher (9) in den Druckwasserbehälter (2),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die in Wirkverbindung mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter (2) stehende Turbine (3a) eine Peltonturbine ist,
    dass der Generator (4) eingerichtet ist zur Erzeugung von elektrischer Spannung,
    dass der Generator (4) an einen Frequenzumrichter (4a) angeschlossen ist, zur Erzeugung einer gleichbleibenden Spannung und Frequenz und
    dass der Frequenzumrichter (4a) eine Schnittstelle aufweist zur Verbindung mit einem öffentlichen Stromnetz (S).
  5. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Druckwasserbehältern (2) eine Verbindungsleitung vorhanden ist, welche die Auslasse der Druckwasserbehälter (2) miteinander verbindet, wobei die Druckwasserbehälter (2) derart zueinander angeordnet sind, dass die Verbindungsleitung ein Gefälle aufweist und an ihrem tiefsten Punkt einen Sammler aufweist, welcher mit dem Einlass der Turbine (3, 3a) verbunden ist.
  6. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Einlass der Turbine (3, 3a) ein Absperrventil (6) vorhanden ist.
  7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Druckluftbehälter (1) permanent im Druckgleichgewicht mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter (2) steht, derart, dass während der Energiespeicherung und -rückgewinnung der Druck im mindestens einen Druckluftbehälter (1) gleich dem Druck im mindestens einen Druckwasserbehälter (2) ist.
  8. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Druckluftbehälter (1) und einem Druckwasserbehälter (2) eine Druckluftturbine vorhanden ist.
  9. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Auslass eines Druckluftbehälters (1) und einem Einlass eines Druckwasserbehälters (2) genau eine Druckleitung (5) vorhanden ist, welche ausgebildet ist, bei Energiespeicherung Druckluft vom Druckwasserbehälter (2) zum Druckluftbehälter (1) und bei Energierückgewinnung Druckluft vom Druckluftbehälter (1) zum Druckwasserbehälter (2) zu leiten.
  10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckleitung (5) eine Absperrvorrichtung angeordnet ist, welche eingerichtet ist, bei plötzlichem Druckabfall die Druckleitung (5) zu schließen.
  11. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Volumens eines Druckwasserbehälters (2) zu dem Volumen eines Druckluftbehälters (1) 1:1, 1:2, 1:3 oder 1:4 beträgt.
  12. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- und Vergleichseinheit (13) vorhanden ist, welche ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Auslastung eines öffentlichen Stromnetzes (S),
    die Hochdruckpumpe (11) mittels Energie aus dem öffentlichen Stromnetz (S) anzusteuern, um Wasser aus dem Wasserspeicher (9) in den Druckwasserbehälter (2) zu pumpen, wenn im öffentlichen Stromnetz (S) ein Energieüberschuss vorhanden ist
    oder Druckwasser aus dem Druckwasserbehälter (2) zur mindestens einen Turbine (3, 3a) zu leiten und die in dem Generator (4, 4a) erzeugte Energie dem öffentlichen Stromnetz (S) zuzuführen, wenn im öffentlichen Stromnetz (S) ein Energiebedarf besteht.
  13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (S) ausgebildet ist, für den Fall der Energierückgewinnung die von mindestens einer Turbine (3, 3a) erzeugten Leistung durch Öffnung oder Schließen von mit der Turbine (3, 3a) verbundenen Wassereinlaufdüsen (7) zu regeln.
  14. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- und Vergleichseinheit (13) vorhanden ist zum Vergleichen des momentanen Drucks im Druckwasserbehälter (2) und des momentanen Drucks im Druckluftbehälter (1) und der momentanen Wassermenge im Druckwasserbehälter (2) mit einem Solldruckwert, wobei die Steuer- und Vergleichseinheit (14) ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs dem Druckluftbehälter (1) Druckluft aus einem Druckluftspeicher (18) zugeführt wird.
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