DE102006003982B4

DE102006003982B4 - Verfahren zum Speichern elektrischer Energie, insbesondere von durch Windkraftanlagen erzeugter elektrischer Energie, und Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102006003982B4
Application number: DE102006003982.3A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2026-01-28
Also published as: DE102006003982A1

Abstract

Verfahren zum Speichern elektrischer Energie, insbesondere von durch Windkraftanlagen erzeugter elektrischer Energie, vorzugsweise im räumlichen Bereich der Windkraftanlagen, in Form von potentieller Energie, bei dem die elektrische Energie zum Antrieb wenigstens einer Pumpe (5) eingesetzt wird, mit der Salzlauge aus dem Bodenbereich einer Kaverne in einem Salzstock in eine zweite, höher gelegene Kaverne im Salzstock durch einen Siphon (14) hindurch gehoben wird, und bei dem die Salzlauge bei einem Zurückfließen in den Bodenbereich der ersten Kaverne durch zumindest eine mit wenigstens einem Generator verbundene Turbine geführt wird, wobei ein Luftausgleich zwischen beiden Kavernen ermöglicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speichern elektrischer Energie, insbesondere von durch Windkraftanlagen erzeugter elektrischer Energie, vorzugsweise im räumlichen Bereich der Windkraftanlagen, in Form von potentieller Energie. Die Erfindung betrifft des weiteren eine Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie, umfassend zumindest eine Pumpe für Salzlauge, vorzugsweise zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.
Die Anforderung, elektrische Energie zu speichern, besteht häufig. Der Energieverbrauch in einem räumlichen Gebiet schwankt. Eine Schwankung ist beispielsweise über den Tagesablauf gegeben, in dem z. B. morgens und abends viele Privatanwender elektrische Energie benötigen oder bestimmte Industriebetriebe zu definierten Zeiten Energiemengen benötigen. Es treten sogenannte Lastspitzen auf.
Ein weiteres Problem ist, dass mit einigen Energieerzeugern nicht kontinuierlich elektrische Energie erzeugt werden kann. Ein Beispiel dafür sind Windkraftanlagen, die bei guten Windverhältnissen elektrische Energie erzeugen können, aber bei Windstille keine Energie erzeugen. Häufig wird bei guten Windverhältnissen soviel elektrische Energie erzeugt, die aufgrund des Betriebes der anderen Energieerzeuger nicht sinnvoll genutzt werden kann.
Aus der DE 195 13 817 A1 ist ein Pumpspeicherwerk bekannt, das untere und obere Speicherbecken in einer bestehenden oder ausgeräumten Braunkohlelagerstätte aufweist. In der DE 201 21 214 U1 ist ein Wasserkraftwerk beschrieben, das ein unter Tage angeordnetes geschlossenes Bauwerk vorsieht.
Diese bekannten Vorrichtungen nutzen ausgeräumte Bergwerke oder schaffen neue künstliche Bauwerke unter Tage. In Salzstöcken können derartige Räume ausgebildet werden, ohne dass künstliche Bauwerke einzubringen sind oder Bergwerksaktivitäten zu unternehmen sind. Eine Kaverne in einem Salzstock kann durch Spülen hergestellt werden.
In der WO 93/06 367 A1 wurden Hohlräume in Salzstöcken für Flüssigkeitsansammlungen benutzt, diese wurden dann aber über die Oberfläche geführt, um mit Gasspeichern zusammen zu arbeiten. Auch andere Gasspeicher in Salzstöcken sind bekannt geworden, in diesen wird beispielsweise Luft komprimiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem vorhandenen Salzstock in der Nähe von in flachem Gelände installierten Windkraftanlagen eine Möglichkeit zu schaffen, erzeugte elektrische Energie insbesondere von Windkraftanlagen in großem Umfang auf preiswerte Weise zu speichern. Darüber hinaus soll eine Vorrichtung geschaffen werden, mit der dieses Verfahren durchführbar ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß zunächst durch ein Verfahren gelöst, bei dem die elektrische Energie zum Antrieb wenigstens einer Pumpe eingesetzt wird, mit der Salzlauge aus dem Bodenbereich einer Kaverne in einem Salzstock in eine zweite, höher gelegene Kaverne im Salzstock durch einen Siphon hindurch gehoben wird, und Salzlauge bei einem Zurückfließen in den Bodenbereich der ersten Kaverne durch zumindest eine mit wenigstens einem Generator verbundene Turbine geführt wird, wobei ein Luftausgleich zwischen beiden Kavernen ermöglicht wird. Die Erfindung bezieht sich nicht auf bestehende oder ehemalige Bergbauanlagen.
Überschüssige elektrische Energie kann zum Antrieb von Pumpen eingesetzt werden, um eine Flüssigkeit anzuheben. Die elektrische Energie wird dadurch in eine potentielle Energie umgewandelt, da die Flüssigkeit aufgrund ihrer Schwerkraft wieder in ein tieferes Niveau zurückfließen kann und die von der Flüssigkeit bei diesem Zurückfließen bereitgestellte Kraft durch Turbinen und Generatoren ausgenutzt werden kann. Eine derartige Speicherung von elektrischer Energie ist durch Pumpspeicherwerke in bergigen Gegenden bekannt.
Die Erfindung schlägt aber nun vor, eine derartige Pumpspeicheranlage in einem Salzstock im Bereich von Windkraftanlagen in flachem Gelände anzuordnen, die regelmäßig im Küstenmeer, z. B. in der Nordsee, in Meeresnähe oder im Flachland stationiert sind oder werden. Um in diesem flachen Gelände eine derartige Pumpspeicheranlage zu installieren, schlägt die Erfindung vor, ein unteres Becken eines Pumpspeicherwerkes in dem Bodenbereich einer Kaverne in einem Salzstock anzuordnen. Erdkrustenhöhlen dieser Art sind tiefe geologische Hohlraum-Formationen, beispielsweise künstliche Kavernen, die nach Ausnutzung von Salzlagerstätten in der Erdkruste geschaffen wurden. Insbesondere in flachen Gegenden, z. B. im Norden Deutschlands, sind durch Salzstöcke die geologischen Voraussetzungen für die preiswerte Schaffung von Kavernen gegeben. Derartige Kavernen haben große Volumen, so dass entsprechend große Flüssigkeitsvolumen eingesetzt werden können. Durch das Anheben einer Flüssigkeit in die zweite, höher gelegene Kaverne können somit elektrische Energien einer Vielzahl von Energieerzeugern, z. B. Windkraftanlagen, zwischengespeichert werden. Die Wände des Salzstocks können gegen ein weiteres Lösen von Salz mit einer Auskleidung versehen sein.
Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass Salzlauge eingesetzt wird. Eine derartige Salzlauge hat insbesondere dann, wenn sie gesättigt ist, eine höhere Dichte als z. B. Wasser. Mit einer derartigen Flüssigkeit können entsprechende Kräfte auf die Leitschaufeln einer Turbine übertragen werden, mit der dann der Generator angetrieben wird. Bei einem Zurückfließen der Flüssigkeit in den Bodenbereich der ersten Kaverne wird somit die potentielle Energie dieser Flüssigkeit wieder in elektrische Energie umgesetzt. Dieses Zurückfließen in den Bodenbereich kann gezielt ausgelöst werden, nämlich zu einem Zeitpunkt, wenn Lastspitzen der Verbraucher abzudecken sind oder wenn bei Windstille keine Energie mit Windkraftanlagen erzeugt werden kann.
Für die Aufnahme der Flüssigkeit im höheren Niveau wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die unterhalb der Erdoberfläche angeordnete zweite Kaverne im Salzstock eingesetzt. Das gesamte Verfahren wird unterhalb der Erdoberfläche durchgeführt, so dass es von der Umgebung nicht wahrgenommen wird. In der zweiten Kaverne abgeschiedene Salzkristalle können dabei abgeführt werden. Die abgeführten Salzkristalle können einer wirtschaftlichen Verwertung zugeführt werden.
Die vorrichtungsseitige Lösung der Aufgabe, für die selbständiger Schutz beansprucht wird, zeichnet sich dadurch aus, dass die Pumpe in einer Halteeinrichtung gehalten ist, welche Anschlagmittel zum Anschlagen im Bereich einer Kaverne in einem Salzstock aufweist, dass sie wenigstens eine Turbine umfasst und dass die Turbine etwa auf der Höhe des Boden der Kaverne angeordnet ist, dass sie ein Flüssigkeitsleitungssystem umfasst, welches zwischen einer zweiten Kaverne auf einem höheren Niveau im Salzstock und der Turbine verlaufend angeordnet ist, wobei zwischen der ersten Kaverne und der zweiten Kaverne zumindest eine Luftausgleichsleitung verlaufend angeordnet ist, wobei das Flüssigkeitsleitungssystem im Bereich der zweiten Kaverne einen Siphon aufweist.
Die Pumpe zum Pumpen der Salzlauge aus dem Bodenbereich der Kaverne in die auf dem höheren Niveau angeordnete zweite Kaverne wird somit etwa auf der Höhe des Bodens der ersten Kaverne angeordnet. Damit erfolgt die Anordnung tief, so dass die Pumpe der Salzlauge unmittelbar zugeordnet ist. Auf ihrem Weg von dem Bodenbereich der Salzlauge zu der zweiten Kaverne kann die Salzlauge auch mit mehreren Pumpen bewegt werden. Die elektrische Energie für den Antrieb der Pumpen wird beispielsweise von Windkraftanlagen bereitgestellt, wenn diese z. B. bei Starkwinden eine überschüssige Energie produzieren, die angeschlossen im Netz keine aktuelle Verwendung findet.
Die Turbine ist möglichst tief angeordnet, um eine möglichst hohe Fallhöhe der Salzlauge für den Antrieb der Turbine zu gewährleisten. Pumpe und Turbine können ein und dasselbe Bauteil sein.
Für den Fall der Salzlauge wird dabei vorzugsweise ein Leitungssystem verwendet, das als Teil der Vorrichtung zwischen der zweiten Kaverne auf dem höheren Niveau und der Turbine verlaufend in der ersten Kaverne angeordnet ist.
Nach der Erfindung ist zwischen den Kavernen zumindest eine Luftausgleichsleitung verlaufend angeordnet. Fließt Flüssigkeit aus der zweiten Kaverne in die erste Kaverne oder umgekehrt, so muss Luft ausweichen, diese ausweichende Luft wird über die Luftausgleichsleitung in die zweite Kaverne bzw. die erste Kaverne eingeführt, aus der die Flüssigkeit abfließt. Dabei kann vorgesehen sein, dass in die Luftausgleichsleitung zumindest eine Luftturbine eingesetzt ist, um der durch die Luftausgleichsleitung fließenden Luft Energie entnehmen zu können.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Flüssigkeitsleitungssystem im Bereich des Beckens noch einen Siphon auf. Durch den Siphon ist in das Flüssigkeitsleitungssystem eine Sperre eingebracht, welche ein unkontrolliertes Zurückfließen von Flüssigkeit aus der zweiten Kaverne in die erste Kaverne verhindert. Das Zurückfließen kann bewusst eingeleitet werden, dazu kann der Siphon eine Pumpe und einen Absperrschieber aufweisen.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt. Die einzige Figur zeigt eine Vertikalschnittansicht eines Salzstockes, in den eine Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie eingebaut ist.
In den Salzstock 1 im Erdbereich 2 ist bei dem Ausführungsbeispiel in 1 jeweils ein Unterbecken 3 angebracht. Dieses Unterbecken 3 bildet eine erste Kaverne aus.
Im Höhenbereich des Unterbeckens 3 ist in einer separaten Bauwerkshöhle 4 eine Kombination aus Pumpe 5 und Turbine angeordnet. Durch die Pumpe 5 ist ein Flüssigkeitsleitungssystem 6 geführt.
Das Flüssigkeitsleitungssystem 6 führt in dem Ausführungsbeispiel in 1 zu einem Oberbecken 7. Dieses Oberbecken 7 bildet ein Becken auf einem höheren Niveau aus, es wird durch eine zweite Kaverne im Salzstock bereitgestellt. Über das Flüssigkeitsleitungssystem 6 kann mit Hilfe der Pumpe 5 Salzlauge aus dem Unterbecken 3 in das Oberbecken 7 gefördert werden. Zwischen beiden Becken 3 und 5 ist dabei noch eine Luftausgleichsleitung 8 verlaufend angeordnet, durch welche in umgekehrter Fließrichtung zur Fließrichtung der Flüssigkeit in der Flüssigkeitsleitung 6 Luft geführt wird. Das Führen der Luft in der Luftausgleichsleitung 8 führt durch eine Luftturbine 9 hindurch. Weiterhin vorgesehen ist ein Schacht 10 mit einer Schachtleitzentrale 11.
Das Flüssigkeitsleitungssystem 6 ist im Bereich des Oberbeckens 7 mit einem Siphon 14 ausgerüstet. Diesem Siphon 14 ist ein Absperrschieber 15 zugeordnet, mit dem das Flüssigkeitsleitungssystem 6 dichtgesetzt werden kann.

Claims

Verfahren zum Speichern elektrischer Energie, insbesondere von durch Windkraftanlagen erzeugter elektrischer Energie, vorzugsweise im räumlichen Bereich der Windkraftanlagen, in Form von potentieller Energie, bei dem die elektrische Energie zum Antrieb wenigstens einer Pumpe (5) eingesetzt wird, mit der Salzlauge aus dem Bodenbereich einer Kaverne in einem Salzstock in eine zweite, höher gelegene Kaverne im Salzstock durch einen Siphon (14) hindurch gehoben wird, und bei dem die Salzlauge bei einem Zurückfließen in den Bodenbereich der ersten Kaverne durch zumindest eine mit wenigstens einem Generator verbundene Turbine geführt wird, wobei ein Luftausgleich zwischen beiden Kavernen ermöglicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Salzlauge gesättigt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Aufnahme der Salzlauge im höheren Niveau die unterhalb der Erdoberfläche angeordnete zweite Kaverne eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Kaverne abgeschiedene Salzkristalle abgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Erdkrustenhöhle gegen ein Herauslösen von Salz aus ihnen mit einer Auskleidung versehen werden.
Vorrichtung zum Speichern elektrische Energie, insbesondere von durch Windkraftanlagen erzeugter elektrischer Energie, vorzugsweise im räumlichen Bereich der Windkraftanlagen, in Form von potentieller Energie, umfassend zumindest eine Pumpe für Salzlauge, vorzugsweise zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (5) in einer Halteeinrichtung gehalten ist, welche Anschlagmittel zum Anschlagen im Bereich einer Kaverne in einem Salzstock aufweist, dass sie wenigstens eine Turbine umfasst und dass die Turbine etwa auf der Höhe des Bodens der Kaverne angeordnet ist, dass sie ein Flüssigkeitsleitungssystem umfasst, welches zwischen einer zweiten Kaverne (7) auf einem höheren Niveau im Salzstock und der Turbine verlaufend angeordnet ist, wobei zwischen der ersten Kaverne und der zweiten Kaverne (7) zumindest eine Luftausgleichsleitung (8) verlaufend angeordnet ist, das Flüssigkeitsleitungssystem im Bereich der zweiten Kaverne (7) einen Siphon (14) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Luftausgleichsleitung (8) zumindest eine Luftturbine (9) eingesetzt ist.