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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur wechselweisen Ein- und Ausspeicherung
von Energie zwecks temporärer
Erzeugung elektrischer Energie, bei dem ein Energiespeichermedium
zur Einspeicherung mittels eines Antriebes von einem niedrigen Energiepotential
durch Überwindung
einer Höhendifferenz
zu einem hohen Energiepotential transportiert wird und dort abrufbereit
gehalten werden kann und bei dem sich das Energiespeichermedium
zur Ausspeicherung in umgekehrter Richtung bewegt und die dabei
frei werdende Energie über
einen Umwandler in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Erfindung
betrifft des weiteren eine Speichervorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens.
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Für eine sichere
Versorgung des Elektrizitätsnetzes
mit elektrischem Strom ist es erforderlich, das Stromaufkommen an
die über
den Tag schwankende Nachfrage anzupassen. Um eine gewünschte Anpassungsfähigkeit
zu gewährleisten, bestehen
neben den Grundlastkraftwerken Mittelleistungs- und Spitzenkraftwerke, beispielsweise
Gasturbinen- und Verbrennungsmotoren-Kraftwerke, die am Tag erforderlichenfalls
mehrfach an- und abgefahren werden können und sich durch kurze Anfahrtszeiten
und hohe Leistungsänderungsgeschwindigkeiten
auszeichnen.
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Dem
gleichen Zweck dienen Speicherwerke, bei denen Energie in einem
Energiespeichermedium eingespeichert und bei Bedarf schnell wieder
ausgespeichert werden kann. Die Einspeicherung erfolgt bei einem Überangebot
von elektrischem Strom, weil der Strom dann billig ist, während die
Ausspeicherung bei einem Unterangebot zwecks Zufuhr zusätzlicher
elektrischer Energie stattfindet. Dies führt zu einer größeren Netzverträglichkeit
und passt den Strom aus den Grundlastkraftwerken an die schwankende
Nachfrage an. Durch Speicherwerke können Strompreisänderungen ökonomisch
genutzt werden, indem billiger Strom bei Überangebot nicht verkauft wird,
sondern in den Energiespeicher eingespeist wird und später bei
Energiemangel zu einem höheren Preis
ins Stromnetz eingespeist wird.
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Schwankungsprobleme
gibt es aber nicht nur auf der Nachfrageseite, sondern auch bei
der Einspeisung von Strom in das Elektrizitätsnetz. Diese werden verursacht
durch die zunehmende Anzahl von Kraftwerken, die mit erneuerbaren
bzw. regenerativen Energien betrieben werden, die starken Schwankungen
unterliegen. Hierzu zählen
insbesondere Wind- und Solarkraftwerke. Deren Anteil an der Ge samtstromerzeugung
ist mittlerweile so groß, dass
es bei mangelndem Wind und/oder zu geringer Sonneneinstrahlung zu
kurzzeitigen Spannungseinbrüchen
im Stromnetz kommt, wobei 30% der Spannungseinbrüche weniger als eine Sekunde
dauern.
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Als
Speicherwerke sind seit langem Pumpspeicherwerke bekannt, bei denen
in Zeiträumen
von Stromüberschuss
Wasser als Energiespeichermedium aus einem geographisch niedrigliegenden
Wasserreservoir, beispielsweise einem Fluss oder einem See, in einen
höher gelegenen
Stausee hochgepumpt wird und hierdurch das Energiepotential des Wassers
entsprechend der dabei überwundenen
Höhendifferenz
erhöht
wird. Bei Strombedarf wird das gestaute Wasser über große Fallrohre Wasserturbinen
zugeleitet, die auf dem Niveau des niedriggelegenen Wasserreservoirs
stehen. Solche Pumpspeicherwerke haben eine relativ lange Reaktionszeit, und
ihrer weiteren Verbreitung steht der Umstand entgegen, dass es in
Deutschland keine geeigneten Standorte mehr gibt, ein Ausbau der
Kapazitäten
also nicht mehr möglich
ist. Hinzu kommt, dass durch Verdunstung der meist sehr großen Wasserfläche Stand-by-Verluste
und durch die Wasserströmung
in den Rohren Reibungsverluste entstehen, die die Effizienz des
Pumpspeicherwerks beeinträchtigen.
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Daneben
sind weitere Speicherwerke bekannt. Bei Druckluftspeicherwerken
werden mit Energie aus überschüssigem Strom
Luftmassen komprimiert und beispielsweise in Salz kavernen gespeichert.
Bei Strombedarf wird diese Luft entnommen und kann mithelfen, eine
Gasturbine anzutreiben. Zur Steigerung der Effizienz wird bei adiabatem
Speichern die beim Verdichten anfallende Wärme ebenfalls gespeichert und
bei Bedarf der Turbine zugeführt.
Nachteilig bei solchen Druckluftspeicherwerken ist deren niedriger,
zwischen 42 und 55% liegender Wirkungsgrad. Außerdem können solche Speicherwerke nur
dort vorgesehen werden, wo entsprechende geologische Verhältnisse
(große
unterirdische Kavernen, Salzstöcke
etc.) die Speicherung der Druckluft ermöglichen.
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Bekannt
sind ferner Schwungradspeicher, bei denen ein Schwungrad mit überschüssiger Energie
in Rotation versetzt, die Energie also als Rotationsenergie gespeichert
wird. Bei Bedarf wird das Schwungrad abgebremst und hierdurch die
zuvor eingespeicherte Energie ausgespeichert. Nachteil bei Schwungradspeichern
ist die relativ niedrige speicherbare Energiemenge und daher die
relativ geringen Ausspeicherzeiten. Zudem entstehen durch Reibung
hohe Stand-by-Verluste in der Größenordnung
zwischen 3 bis 20% pro Stunde, so dass solche Energiespeicher für den Einsatz über einen
längeren Zeitraum
nicht geeignet sind.
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Eine
Speicherung überschüssiger elektrischer
Energie kann auch über
Kondensatoren erfolgen, die bei Strombedarf entladen werden. Der
Nachteil von Kondensatoren liegt in der geringen speicherbaren Energiemenge.
Deshalb beträgt die
Dauer der Ausspeicherung weniger als 1 Sekunde. Zudem sind Kondensatoren
teuer.
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Eine
weitere Möglichkeit
der Speicherung besteht in supraleitenden magnetischen Energiespeichern.
In einer Spule kann überschüssige Energie
in Form eines Magnetfeldes gespeichert werden, wobei Supraleiter
zur Minimierung der Verluste beim Stromfluss durch die Spule eingesetzt
werden. Solche Energiespeicher befinden sich noch im Entwicklungsstadium.
Die notwendige Kühlung
der Supraleiter führt
zu einem Verlust in der Energiebilanz. Zudem sind der Preis noch
sehr hoch und die mögliche Energiespeicherung
nur mittelmäßig.
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Ein
klassischer Energiespeicher sind Batterien, in denen überschüssiger Strom
in Form von elektrochemischer Energie gespeichert werden kann. Ein Hauptnachteil
von Batterien ist ihre Begrenzung bezüglich der Anzahl der Ladezyklen
mit der Folge, dass sie noch einer bestimmten Ladezyklenanzahl ersetzt
werden müssen.
Außerdem
sind Batterien ein teures Energiespeichermedium.
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Schließlich besteht
auch noch die Möglichkeit, überschüssigen Strom
durch Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels
Elektrolyse zu speichern, d.h. durch Speicherung des Stroms in Form
chemischer Energie. Über
eine Brennstoffzelle kann aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom wiedergewonnen
werden. Der Hauptnachteil dieser Form von Energiespeicherung besteht
in dem relativ nied rigen Gesamtwirkungsgrad in der Größenordnung von
nur 25%. Zudem gibt es noch keine befriedigende Lösung für die Speicherung
von Wasserstoff über längere Zeiträume, da
es dann zu Wasserstoffverlusten kommt, die die Gesamtbilanz noch
weiter verschlechtern.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur wechselweisen
Ein- und Ausspeicherung von Energie zwecks temporärer Erzeugung elektrischer
Energie so zu gestalten, dass große Energiemengen speicherbar
und demgemäß große Leistungen
abrufbar sind, keine Stand-by-Verluste entstehen,
eine hohe Effizienz erzielt wird, eine hohe Zyklenzahl möglich ist
und die Speichervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens einen
geringen spezifischen Preis hat. Eine weitere Aufgabe besteht darin,
eine Speichervorrichtung zu konzipieren, mit der das Verfahren durchgeführt werden
kann.
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Zur
Lösung
des ersten Teils der Aufgabe wird von einem Verfahren ausgegangen,
bei dem – wie bei
einem Pumpspeicherwerk – ein
Energiespeichermedium zur Einspeicherung mittels eines Antriebes von
einem niedrigen Energiepotential durch Überwindung einer Höhendifferenz
zu einem hohen Energiepotential transportiert wird und dort abrufbereit
gehalten werden kann und bei dem sich das Energiespeichermedium
zur Ausspeicherung in umgekehrter Richtung bewegt und die dabei
frei werdende Energie über
einen Umwandler in elektrische Energie umgewandelt wird. In Abweichung
zu dem Pumpspeicherwerk, bei dem das Energie speichermedium Wasser
ist, ist das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet,
dass als Energiespeichermedium ein in eine Flüssigkeit eingetauchter Auftriebskörper verwendet
wird, dessen spezifisches Gewicht geringer ist als das der Flüssigkeit,
und dass der Auftriebskörper
zur Einspeicherung in eine große
Flüssigkeitstiefe
zwecks Erzielung eines hohen Energiepotentials abgesenkt wird und dort
abrufbereit haltbar ist und dass der Auftriebskörper zur Ausspeicherung in
Richtung auf die geringe Flüssigkeitstiefe
auftreiben gelassen wird und dabei über den Umwandler elektrische
Energie erzeugt.
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Grundgedanke
der Erfindung ist es also, Energie in einem Auftriebskörper zu
speichern, der in einer Flüssigkeit
eingetaucht ist. Die Verbringung des Auftriebskörper in eine vorbestimmte Tiefe
geschieht mittels eines Antriebs, welcher Art auch immer. Dort kann
der Auftriebskörper
abrufbereit festgehalten werden. Bei Strombedarf wird der Auftriebskörper auftreiben
gelassen. Der Auftriebskörper
ist mit dem Umwandler, beispielsweise einem Generator, derart verbunden,
dass die Auftriebsbewegung des Auftriebskörpers in dem Umwandler in elektrische
Energie umgewandelt wird. Diese kann dann z.B. in das Elektrizitätsnetz eingespeist
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Abgesehen vom
Pumpspeicherwerk sind gegenüber
den anderen Speicherkraftwerken deutlich größere Energiemengen speicher-
und abrufbar. Die Größe der speicherbaren
Energiemenge kann durch die Größe des Volumens
des Auftriebskörpers
und die der Höhendifferenz
zwischen den Bewegungsendpunkten des Auftriebskörpers in weiten Bereichen an
die jeweiligen Bedürfnisse
angepasst werden. Der Wirkungsgrad der Speicherung ist höher als
bei allen anderen bekannten Energiespeichern, da die Energie direkt
in mechanische Energie gespeichert wird und bei der Ausspeicherung
nur geringe Verluste durch den Strömungswiderstand des Antriebskörpers entstehen.
Hinzu kommt, dass bei der Bereithaltung der gespeicherten Energie
keine Stand-by-Verluste entstehen. Die Einspeicherung lässt sich
zudem – abgesehen
von der Lebensdauer der am System beteiligten mechanischen Teile – beliebig
wiederholen. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet
sich durch einen in Bezug auf die einspeicherbare Energie geringen
spezifischen Preis aus.
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Darüber hinaus
lässt sich
das Verfahren sehr flexibel einsetzen. Zwar ist Voraussetzung für dessen Durchführung das
Vorhandenseins eines Flüssigkeitsreservoirs
mit einer den jeweiligen Speicheranforderungen genügenden Tiefe.
Bei geringen Anforderungen kann dies schon ein angepasst dimensionierter
Brunnen sein. In besonderer Weise eignet sich das Verfahren aber
für den
Einsatz in künstlichen
Seen, beispielsweise Stauseen, natürlichen Seen oder im Meer,
bei entsprechenden Wassertiefen auch in bewegten Flüssigkeitsreservoirs
wie Flüssen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
lassen sich Ausspeicherungszeiten von Mi nuten bis einigen Stunden
und dabei Leistungen von mehreren 100 MW erzielen.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass sich der Auftriebskörper
und damit das Energiespeichermedium unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche befindet
und daher unsichtbar ist mit der Folge, dass durch ihn keine optische
Beeinträchtigung
verursacht wird.
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Es
versteht sich, dass nicht nur ein einziger Auftriebskörper, sondern
mehrere Auftriebskörper vorhanden
sein können,
die bei dem Verfahren gleichzeitig oder abwechselnd zur Anwendung
kommen. Ebenso können
mehrere Antriebe für
die Einspeicherung von Energie und auch mehrere Umwandler zur Erzeugung
der elektrischen Energie vorgesehen sein. Die insoweit verwendete
Einzahl ist deshalb nicht so zu verstehen, dass nur ein einziger Auftriebskörper, Antrieb
oder Umwandler vorhanden sind.
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Gemäß dem Hauptzweck
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass die von dem Umwandler erzeugte elektrische
Energie in ein Elektrizitätsnetz – dabei
kann es sich auch um ein lokales Inselnetz handeln – eingespeist
wird, und zwar vorzugsweise nur dann, wenn Strombedarf besteht und Spannungseinbrüche vermieden
werden sollen. Für die
Einspeicherung von Energie mittels des Auftriebskörpers sollte
ein elektrischer Antrieb verwendet werden. Dieser eröffnet die
Möglichkeit,
die elektrische Energie für
den Antrieb aus dem Elektrizitätsnetz
zu gewinnen, und zwar vorzugsweise dann, wenn ein Stromüberschuss
besteht und deshalb Strom relativ preiswert gekauft werden kann.
In beiden Fällen
tritt eine Stromglättung
ein, die die Elektrizitätsleitungen
besser auslastet und die Netzspannung und -frequenz stabil hält.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich in besonderer Weise in Verbindung mit Kraftwerken, bei
denen Elektrizität
aus erneuerbaren Energien erzeugt wird, die schwankend anfallen.
Solche Kraftwerke sind insbesondere Wind- und Fotovoltaik-Solarkraftwerke, deren
Elektrizitätserzeugung
bei zu geringem Wind bzw. zu geringem Lichteinfall völlig ausfallen
kann. Es können
auch Kraftwerke sein, die die Energie von Meeresströmungen nutzen.
In allen Fällen
kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren temporär elektrischer
Strom in das Elektrizitätsnetz eingespeist
und damit die Stromerzeugung durch das Kraftwerk ersetzt werden.
Ist ausreichend Wind bzw. Licht bzw. Meereströmung vorhanden, kann die durch
das Kraftwerk erzeugte Energie dazu genutzt werden, dem Antrieb
zugeführt
zu werden, um den Auftriebskörper
wieder abzusenken.
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Sofern
das Kraftwerk als Windkraftwerk ausgebildet ist, kommt neben dem
vorbeschriebenen elektrischen Antrieb auch ein mechanischer Antrieb in
Frage, mit dessen Hilfe der Auftriebskörper zwecks Einspeicherung
von Energie abgesenkt wird. Dabei bildet der durch Windkraft in
Drehung versetzte Rotor den mechanischen Antrieb. Beide alterna tiven
Maßnahmen
führen
zu einer Glättung
der Stromproduktion am Erzeugungsort selbst. Hierdurch können Stromleitungen
besser ausgelastet werden.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass als Energiespeichermedium
zusätzlich
ein Gewichtskörper – es können auch
mehrere Gewichtskörper
sein – verwendet
wird, dessen spezifisches Gewicht größer ist als das der Flüssigkeit,
und dass der Gewichtskörper
zur Einspeicherung mittels eines Antriebs – dies kann auch der Antrieb
für die
Absenkung des Auftriebskörpers
sein – angehoben
wird und dort abrufbereit haltbar ist und dass der Gewichtskörper zur
Ausspeicherung absenken gelassen wird, wobei der Gewichtskörper derart mit
einem Umwandler – dabei
kann es sich auch um den mit dem Auftriebskörper gekoppelten Umwandler
handeln – verbunden
ist, dass die Absenkbewegung in elektrische Energie umgewandelt
wird. Die Bewegung des Gewichtskörpers
kann dabei auch oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche geschehen,
zumal dort der Strömungswiderstand
vergleichsweise gering ist. Aus optischen Gründen kann es jedoch sinnvoll
sein, dass der Bewegungsbereich des Gewichtskörpers wie der des Auftriebskörpers unterhalb der
Flüssigkeitsoberfläche liegt,
der Gewichtskörper also
zwischen einer geringen und einer großen Flüssigkeitstiefe hin- und herbewegt
wird. Der Gewichtskörper
unterstützt
die Speicherwirkung des Auftriebskörpers.
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Was
den zweiten, sich auf die Speichervorrichtung beziehenden Teil der
Aufgabe betrifft, besteht die Erfindung darin, dass das Energiespeichermedium
als ein in eine Flüssigkeit
eingetauchter Auftriebskörper
ausgebildet ist, dessen spezifisches Gewicht geringer ist als das
der Flüssigkeit,
und dass der Auftriebskörper
zwischen einer großen
und einer niedrigen Flüssigkeitstiefe
beweglich geführt
ist und mit dem Antrieb derart verbunden ist, dass der Auftriebskörper durch
den Antrieb aus der niedrigen Flüssigkeitstiefe
in die große
Flüssigkeitstiefe
absenkbar ist, und dass der Auftriebskörper mit dem Umwandler derart
verbunden ist, dass seine Bewegung in Richtung auf die niedrige
Flüssigkeitstiefe
in elektrische Energie umgewandelt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
zeichnet sich durch die schon im Zusammenhang mit dem Verfahren
genannten Vorteile aus. Dabei kann die Speichervorrichtung als einzelnes
Speicherwerk ausgebildet sein, das in tiefen Seen oder im Meer einsetzbar
ist und über
Kabel mit dem Elektrizitätsnetz
zwecks Stabilisierung von Stromspannung und -frequenz verbunden
ist. Je nach zur Verfügung
stehender Tiefe und damit zu verwirklichender Höhendifferenz zwischen niedriger
und großer
Flüssigkeitstiefe
und damit entsprechender Dimensionierung der Vorrichtung und des
Auftriebskörpers
lassen sich Kapazitäten von
einigen 100 MWh und Leistungen von einigen 100 MW erzielen.
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Der
Antrieb für
die Absenkung des Auftriebskörpers
kann als Elektromotor und der Umwandler als Generator ausge bildet
sein. Sind beide vorhanden, bietet es sich an, Elektromotor und
Generator als Einheit auszubilden, so dass dasselbe Gerät bei der
Einspeicherung als Elektromotor und bei der Ausspeicherung als Generator
arbeitet.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Anterieb
und/oder der Umwandler mit einem Elektrizitätsnetz lokaler ober überregionaler
Verbreitung verbunden ist, damit der von dem Umwandler erzeugte
elektrische Strom bei Bedarf in das Elektrizitätsnetz eingespeist werden kann. Die
Verbindung zum Elektrizitätsnetz
ermöglicht
es für
den Fall, dass der Antrieb für
die Absenkung des Auftriebskörpers
als Elektromotor ausgebildet ist, die elektrische Energie hierfür aus dem
Elektrizitätsnetz zu
gewinnen, und zwar vorzugsweise dann, wenn ein Stromüberschuss
besteht und deshalb Strom relativ preiswert eingekauft werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
eignet sich vor allem zur Integration in ein Kraftwerk, und zwar
vorzugsweise ein solches Kraftwerk, das elektrischen Strom aus schwankend
anfallenden, erneuerbaren Energien erzeugt. Solche Kraftwerke sind
vor allem Windkraftwerke mit einem Rotor und einem Generator und/oder
Solarkraftwerke auf Basis von Solarkollektoren und/oder Fotovoltaikelementen und/oder
Kraftwerken zur Nutzung von Meeresströmungen. Solche integrativen
Lösungen
bieten Synergieeffekte, weil vorhandene Installationen des Kraftwerks,
beispielsweise Fundamente, Türme,
Masten, Generatoren oder Getriebe, für die erfindungsgemäße Speichervorrichtung
genutzt werden können.
Außerdem
bietet diese Integration die Möglichkeit,
die Glättung
der Stromproduktion schon am Erzeugungsort selbst vorzunehmen und
dadurch die Stromleitungen gleichmäßiger und damit besser auszulasten.
Hierzu eignen sich insbesondere Offshore-Windkraftwerke. Dabei bietet
sich die Möglichkeit,
eine einzige Speichervorrichtung einem Kraftwerkspark mit einer
Vielzahl von Windkraftwerken zuzuordnen oder aber mehreren oder
jedem dieser Windkraftwerke eine eigene Speichervorrichtung zu geben.
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Sofern
das Kraftwerk als Windkraftwerk ausgebildet ist, bietet sich die
Möglichkeit,
dass der Antrieb von dem Rotor des Windkraftwerks gebildet wird,
der mechanisch mit dem Auftriebskörper so verbindbar ist, dass
er über
den von Windkraft in Drehung versetzten Rotor abgesenkt werden kann.
In diesem Fall bietet es sich an, den Generator des Windkraftwerks
als Umwandler für
die Umwandlung der Bewegungsenergie des Auftriebskörpers beim Ausspeichern
von Energie zu verwenden, indem der Generator mechanisch mit dem
Auftriebskörper
verbunden wird. Auf diese Weise kann bei der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung
auf einen eigenen Antrieb und einen eigenen Umwandler verzichtet werden.
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Ein
weiterer Synergieeffekt lässt
sich dadurch erzielen, dass das Windkraftwerk mit seinem Mast und/oder
seinem Fundament in die Flüssigkeit – bei Offshore-Anordnung
in das Meer – eintaucht und
der Auftriebskörper
am eintauchenden Teil des Windkraftwerks höhenbeweglich geführt ist.
Dies kann an dem Mast des Windkraftwerks geschehen, oder an in das
Wasser eintauchenden Schwimmerfüßen, wenn
das Windkraftwerk ein schwimmendes Fundament hat. Sofern das Windkraftwerk
im eingetauchten Bereich mehrere Säulen aufweist, kann der Auftriebskörper in
mehrere Auftriebskörperteileinheiten
aufgeteilt sein, die an den Säulen
geführt
sind. Die Führung
kann in beliebiger Weise, beispielsweise über Schienen oder dergleichen,
erfolgen.
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Für die Übertragung
der Bewegung des Auftriebskörpers
eignet sich vor allem ein Seil, an dem der Auftriebskörper gehalten
ist und das mit dem Antrieb und dem Umwandler verbunden ist. Die
Flexibilität
solcher Seile ermöglicht
eine weitgehend beliebige Führung
des Seils und gibt erhebliche Freiheit in der Anordnung von Antrieb
und Umwandler, wenn hierfür
nicht das Windkraftwerk selbst herangezogen wird, also insbesondere
im Fall einer Stand-Alone-Anordnung.
So kann das Seil beispielsweise zu einer Station unterhalb der großen Flüssigkeitstiefe geführt werden,
die mit dem Antrieb und dem Umwandler versehen ist. Es besteht jedoch
auch die Möglichkeit,
den Antrieb und/oder den Umwandler auf oder an dem Auftriebskörper selbst
anzuordnen. Diese Lösungen
bieten sich bei Stand-Alone-Anordnungen
an.
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Alternativ
dazu kann vorgesehen sein, dass die Station eine Umlenkeinrichtung
aufweist, über
die das Seil Ver bindung zu dem Antrieb und/oder dem Umwandler hat.
In diesem Fall kann der Antrieb und/oder der Umwandler oberhalb
des Flüssigkeitsspiegels
angeordnet werden, beispielsweise in einem Schwimmkörper oder
bei Integration mit einem Wind- oder Solarkraftwerk in oder an dessen
Kraftwerkskörper.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Auftriebskörper mit
einem Gewichtskörper
als Energiespeichermedium kombiniert ist, dessen spezifisches Gewicht
größer ist
als das der Flüssigkeit,
und dass der Gewichtskörper vertikal
beweglich geführt
ist und mit einem Antrieb derart verbunden ist, dass der Gewichtskörper durch den
Antrieb anhebbar ist, und dass der Gewichtskörper mit einem Umwandler derart
verbunden ist, dass seine Bewegung beim Absenken in elektrische
Energie umgewandelt wird. Der Gewichtskörper unterstützt die
Ein- und Ausspeicherung von Energie durch den Auftriebskörper. Dabei
können
Auftriebskörper
und Gewichtskörper über ein
Seil oder mehrere Seile derart miteinander verbunden sein, dass
sie sich – paternosterartig – gegenläufig bewegen
und über
einen einzigen Antrieb angetrieben sind und/oder mit einem einzigen
Umwandler verbunden sind.
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Die
Anordnung des Gewichtskörpers
kann auch oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
erfolgen, zumal dort der Strömungswiderstand
gering ist. Dies kann in Kombination mit einem Windkraftwerk innerhalb
oder an der Außenseite
des Mastes geschehen. Insbesondere bei einer Stand-Alone-Anordnung ist es
jedoch schon aus optischen Gründen
zweckmäßiger, den
Gewichtskörper
unterhalb des Flüssigkeitsspiegels
parallel zum Auftriebskörper
anzuordnen, so dass er zwischen einer niedrigen und einer hohen Flüssigkeitstiefe
hin- und herbewegbar ist und dabei die Führungseinrichtungen des Auftriebskörpers genutzt
werden können.
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Der
Gewichtskörper
kann beispielsweise aus einem mit Beton, Sand oder Felsbrocken gefüllten Behälter bestehen.
Es versteht sich, dass nicht nur ein einziger Gewichtskörper, sondern
auch mehrere Gewichtskörper
vorgesehen sein können,
die sich gleichsinnig bewegen und entweder eigene Antriebe und Umwandler
haben oder mit dem Antrieb und Umwandler in Verbindung stehen, mit
denen auch der Auftriebskörper
gekoppelt ist. Die Kombination von Auftriebskörper und Gewichtskörper empfiehlt
sich vor allem dann, wenn die Speichervorrichtung mit einem schwimmenden
Kraftwerk kombiniert wird. In diesem Fall wird die Auftriebskraft
des Auftriebskörper
zumindest teilweise kompensiert, wobei auch eine vollständige Kompensierung
erreicht werden kann. Damit wird die Stabilität des schwimmenden Kraftwerks
durch die Kombination mit der Speichervorrichtung nicht oder nur
unbedeutend beeinträchtigt.
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Nach
der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass der Auftriebskörper in
mehrere Auftriebskörperteileinheiten
aufgeteilt ist, die vorzugsweise durch ein Netz zusammengehalten
sind. Durch das Netz kann eine flächige Krafteinleitung vorgenommen
werden. Auftriebskörper
bzw. die Auf triebskörperteileeinheiten
können
als jeweils starre Körper
ausgebildet sein, beispielsweise in Kugel- oder Zylinderform. Sie
sind dann zweckmäßigerweise
hohl ausgebildet, können aber
auch mit einem geschlossenporigen Schaumstoff ausgefüllt sein,
damit sie bei Undichtigkeiten nicht volllaufen. Alternativ dazu
kann der Auftriebskörper
bzw. können
die Auftriebskörperteileinheiten auch
aus flexiblen Behältern
bestehen, wenn sie eine Innenabstützung aufweisen, die eine Komprimierung des
Behälters
bei steigendem Wasserdruck vermeiden. Die Innenabstützung kann
beispielsweise aus einem Hartschaumstoff, einer Flüssigkeit,
die leichter als die umgebene Flüssigkeit
ist, oder aus Druckluft bestehen. Es kann jedoch auch ein entsprechendes Innengerüst vorgesehen
sein.
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Die
erfindungsgemäße Speichervorrichtung eignet
sich auch als Alternative zu Fotovoltaik-Modulen und Akkumulatoren
für beispielsweise
Signalbojen oder dergleichen.
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In
der Zeichnung ist die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen
näher veranschaulicht. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des Prinzips der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung
in der Seitenansicht;
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2 eine
erste Anordnung der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung an
einem Windkraftwerk mit festem Fundament in der Seitenansicht und
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3 eine
zweite Anordnung der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung an
einem Windkraftwerk mit Schwimmfundament.
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In 1 ist
ein Wasserreservoir 1 mit einem Wasserspiegel 2 dargestellt,
wobei in dem Wasserreservoir 1 eine Speichervorrichtung 3 angeordnet
ist. Auf dem Boden des Wasserreservoirs 1 ist eine Fundamentplatte 4 vorgesehen.
Auf der Fundamentplatte 4 ist eine Motor-Generator-Einheit 5 angeordnet, welche
sowohl als Elektromotor als auch als Generator fungieren kann. Mit
der Motor-Generator-Einheit 5 ist ein Auftriebskörper 6 über ein
Seil 7 derart verbunden, dass bei einer Drehbewegung der
Ausgangswelle der Motor-Generator-Einheit 5 das Seil 7 je nach
Drehrichtung auf- oder abgerollt wird. Die Ausgangswelle trägt also
eine Wickeleinrichtung. Da der Auftriebskörper 6 ein geringeres
spezifisches Gewicht hat als das Wasserreservoir 1, wirkt
auf den Auftriebskörper 6 die
durch den Pfeil A symbolisierte Auftriebskraft mit der Folge, dass
der Auftriebskörper 6 bestrebt
ist, sich in Richtung auf den Wasserspiegel 2 zu bewegen.
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Die
Motor-Generator-Einheit 5 hat über ein hier nicht näher dargestelltes
Kabel Verbindung zum Elektrizitätsnetz.
Bei Stromüberschuss
und damit preiswertem Strom wird die Motor-Generator-Einheit 5 als
Elktromotor betrieben. Sie treibt die Ausgangswelle so an, dass
das Seil 7 aufgerollt und demgemäß der Auftriebskörper 6 zwecks
Energie einspeicherung nach unten in Richtung auf die Fundamentplatte 4 gezogen
wird (vgl. Pfeil B). Wenn der Auftriebskörper 6 seine unterste
Endstellung erreicht hat, werden die Motor-Generator-Einheit 5 abgestellt und
dessen Ausgangswelle blockiert. Der Auftriebskörper 6 verharrt dann
solange in dieser Stellung, bis auf Grund von Strommangel ein Bedarf
zur Energieeinspeicherung entsteht. In diesem Fall wird die Motor-Generator-Einheit 5 als
Generator betrieben. Die Blockierung der Ausgangswelle wird gelöst, so dass der
Auftriebskörper 6 auftreibt,
sich also in Richtung des Pfeils C bewegt. Dabei erzeugt die Motor-Generator-Einheit 5 elektrischen
Strom, der in das Elektrizitätsnetz
eingespeist wird und so einen temporären Stromzuschuss leistet.
Die Auftriebsbewegung des Auftriebskörpers 6 wird solange
fortgesetzt, wie Strommangel besteht, maximal jedoch bis zum Erreichen
einer Wassertiefe kurz unter dem Wasserspiegel 2.
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In 2 ist
eine praktische Anwendung des sich aus 1 ergebenen
Prinzips der Speicherung dargestellt. Die Figur zeigt ein Windkraftwerk 11,
das einen Rotormast 12 aufweist, an dessen oberen, nicht
gezeigten Ende eine Gondel angebracht ist. An der Gondel ist ein
Windrotor 13 um eine horizontale Achse drehbar gelagert.
Von dem Windrotor 13 ist hier nur das untere Ende eines
Rotorblatts 14 zu sehen. Der Rotormast 12 verbreitert
sich nach unten hin konisch und steht in einem Wasserreservoir 15 auf
einer Fundamentplatte 16, die auf dem Boden des Wasserreservoirs 15 sitzt.
Das Wasserreservoir 15 kann von einem entsprechend tiefen
See oder bei Offshore-Anordnung ein Meer sein. Das Wasserreservoir 15 hat
einen Wasserspiegel 17, der 40 m oberhalb der Fundamentplatte 16 liegt
(vgl. Tiefenabgaben an der linken Seite der Figur).
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Das
Windkraftwerk 11 hat in diesem Beispiel eine maximale Generatorleistung
von 5 MW. Seine Höhe
beträgt
102 m. Der Windrotor 13 hat einen Durchmesser von 116 m.
Das Gesamtgewicht ohne Fundamentplatte 16 beträgt 1448
t, mit Fundamentplatte 16 sind es 4178 t.
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Beidseits
des in das Wasserreservoir 15 eintauchenden Teils des Rotormastes 12 ist
eine Speichervorrichtung 18 vorgesehen. Sie weist einen
rotationssymmetrischen, den Rotormast 12 umgebenden Auftriebskörper 19 auf,
der aus einer Vielzahl von in drei Ebenen übereinander angeordneten Auftriebsteilkörpern – beispielhaft
mit 21 bzw. 22 bezeichnet – zusammengesetzt ist. Die
Auftriebsteilkörper 21 bzw. 22 des
Auftriebskörpers 19 sind
in einem Stahlrahmen 23 fixiert. Der Stahlrahmen 23 ist über ein
Rollenfahrgestell 25, 26 an Schienen 27, 28 gelagert, welche
sich auf der Oberfläche
des Rotormastes 12 vertikal erstrecken. Auf diese Weise
ist der Auftriebskörper 19 vertikal
verfahrbar.
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Die
Auftriebsteilkörper 21, 22 sind
als luftabgeschlossene, starre Behälter ausgebildet, die dem Wasserdruck
in der Tiefe, bis zu der der Auftriebskörper 19 absenkbar
ist, standhalten. Sie können
mit geschlossenporigem Schaum gefüllt sein, damit sie sich bei
eventuellen Undichtigkeiten nicht mit Wasser füllen und dem Wasserdruck besser
standzuhalten. Das Auftriebsvolumen beträgt bei diesem Beispiel ca.
3100 m3, so dass der Auftriebskörper 19 250
kWh leisten kann.
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Die
Unterseite des Stahlrahmens 23 ist mit zwei Seilen 29, 30 verbunden,
die auf Höhe
der Fundamentplatte 16 über
jeweils zwei Umlenkrollen 31, 32 bzw. 33, 34 nach
oben umgelenkt werden. Die Seile 29, 30 laufen
längs des
Rotormastes 12 nach oben bis zur (nicht dargestellten)
Gondel. Dort ist für jedes
Seil 29, 30 eine Wickeleinrichtung vorgesehen, auf
denen die Seile 29, 30 auf- und abgewickelt werden
können.
Zum Absenken ist der Auftriebskörper 19 über ein
Getriebe mit dem Windrotor 13 und zum Auftreibenlassen
ebenfalls über
ein Getriebe mit dem Generator kuppelbar, wobei im letzten Fall
der Generator von dem Windrotor 13 abgekuppelt wird.
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Wenn
der Windrotor 13 durch Wind angetrieben wird, können die
Wickelvorrichtungen mit dem Windrotor 13 über das
Getriebe gekuppelt werden. Dann werden die Seile 29, 30 aufgewickelt
mit der Folge, dass der Auftriebskörper 19 aus der gezeigten Position
in Richtung des Pfeils D bis zum unteren Ende der Schienen 27, 28 abgesenkt
wird. In dieser Endposition können
sie beliebig lange verharren. Sobald der Wind nachlässt und
mehr Elektrizität
benötigt
wird, wird der Generator mit den Wickelvorrichtungen verbunden und
von dem Windrotor 13 abgekuppelt. Der Auf triebskörper 19 wird
dann in Richtung des Pfeils E auftreiben gelassen, wodurch im Generator
elektrischer Strom erzeugt wird, der in das Elektrizitätsnetz eingespeist
werden kann.
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Die
Auftriebsgeschwindigkeit liegt bei einem 5 MW Generator bei 0,17
m/s. Der Strömungswiderstand
ist entsprechend gering. Bei 30 m nutzbarer Hähe erreicht der Auftriebskörper 19 den
oberen Endpunkt nach 182 s. Wird in dem Generator nur 1 MW erzeugt,
dauert das Auftreiben über
die gesamte Länge
der Schienen 27, 28 910 s, d.h. mehr als 15 Min.
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In 3 ist
eine Windkraftwerk 41 dargestellt, das einen Rotormast 42 aufweist,
dessen oberer Bereich sowie die darauf sitzende Gondel nicht dargestellt
sind. An der Gondel ist ein Windrotor 43 um eine horizontale
Achse drehbar gelagert. Von dem Windrotor 43 ist hier nur
das untere Ende eines Rotorblattes 44 zu sehen.
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Der
Rotormast 42 teilt sich nach unten hin in drei Fußsäulen 45, 46, 47,
die auseinandergespreizt und im Winkel von 120° zueinander angeordnet sind. Die
Fußsäulen 45, 46 47 tauchen
in ein Wasserreservoir 48 – dies kann ein tiefer See
oder ein Meer sein – ein.
Deren Enden sind über
Seile 49, 50, 51 mit einem Schwimmfundament 52 verbunden.
Links neben der 3 ist eine Meterskala für die Wassertiefe angebracht.
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An
jeder Fußsäule 45, 46, 47 sind
rotationssymmetrische Auftriebskörper 53, 54, 55 vertikal
verfahrbar angebracht. Hierzu sind – wie bei dem Windkraftwerk 11 gemäß 2 – an den
Außenseiten
der Fußsäulen 45, 46, 47 Schienen
vorgesehen, auf denen Laufwerke der Auftriebskörper 53, 54, 55 geführt sind.
Die Auftriebskörper 53 54, 55 können in
derselben Weise aufgebaut sein wie der Auftriebskörper 19 bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2.
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Die
Auftriebskörper 53, 54, 55 sind
untenseitig mit je zwei Seilen 59, 60 bzw. 61, 62 verbunden (bei
dem Auftriebskörper 55 an
der hinteren Fußsäule 47 nicht
dargestellt), die zu am unteren Ende der Fußsäulen 45, 46, 47 angeordneten
Umlenkrollen 63, 64 bzw. 65, 66 führen. In
der Gondel werden die Seile 59, 60, 61, 62 um
180° nach
oben umgelenkt und verlaufen dann an den Fußsäulen 45, 46, 47 und dem
Rotormast 42 entlang nach oben zu der nicht dargestellten
Gondel. Dort ist für
jedes Seil 59, 60, 61, 62 eine
Wickeleinrichtung vorgesehen, auf denen die Seile 59, 60, 61, 62 auf-
und abgewickelt werden können.
Zum Absenken sind die Auftriebskörper 53, 54, 55 über ein
Getriebe mit dem Windrotor 43 und zum Auftreibenlassen
ebenfalls über
ein Getriebe mit dem Generator kuppelbar, wobei im letzteren Fall
der Generator von dem Windrotor 43 abgekuppelt wird.
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Wenn
der Windrotor 43 durch Wind angetrieben wird, können die
Wickelvorrichtungen mit dem Windrotor 43 über das
Ge triebe gekuppelt werden. Dann werden die Seile 59, 60, 61, 62 aufgewickelt
mit der Folge, dass die Auftriebskörper 53, 54, 55 aus der
gezeigten Position in Richtung des Pfeils F bis zum unteren Ende
der Fußsäulen 45, 46, 47 abgesenkt
werden. In dieser Endposition können
sie beliebig lang verharren. Sobald der Wind nachlässt und mehr
Elektrizität
benötigt
wird, wird der Generator mit den Wickelvorrichtungen verbunden und
ggf. von dem Windrotor 43 abgekuppelt. Die Auftriebskörper 53, 54, 55 werden
dann in Richtung des Pfeils G auftreiben gelassen, wodurch im Generator
elektrischer Strom erzeugt wird, der in das Elektrizitätsnetz eingespeist
werden kann.