DE102008006897A1

DE102008006897A1 - Hydraulisches Hubspeicher Kraftwerk-Variante 3

Info

Publication number: DE102008006897A1
Application number: DE102008006897A
Authority: DE
Inventors: Werner Rau
Original assignee: Rau Werner Dipl-Phys
Current assignee: Rau Werner Dipl-Phys
Priority date: 2007-12-24
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2009-10-29
Also published as: DE102007062672A1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung und Rückgewinnung elektrischer Energie unter Ausnutzung der Schwerkraft mit der Hilfe hydraulischer Hubvorrichtungen. Hydraulische Hubvorrichtungen erzeugen potentielle Energie, indem sie schwere Masseträger unter dem Einsatz elektrischer Energie oder von Treibstoffen anheben. Die potentielle Energie der Masseträger wird vermindert um die Verluste der Vorrichtungen durch Absenken der Masseträger über Generatoren in Strom zurückverwandelt. Das Verfahren wird analog zu den bekannten Pumpspeicher Kraftwerken zur Speicherung elektrischer Energie und zur Stabilisierung der Stromnetze eingesetzt.

Description

Dieser Patentantrag stellt eine dritte, vorteilhafte Ausführung eines Hydraulischen Hubspeicher Kraftwerks gemäß amtlichen Kenzeichen 10 2007 062 672.1 dar.
Die allgemeinen Themen:

– Bedeutung der Stromenergiespeicherung
– Bedeutung der Stromenergie Rückgewinnung (Rekuperation)
– Physikalische Grundlagen
– Stand der Technik
– Probleme beim Stand der Technik
– Lösung

Werden unter dem amtlichen Kennzeichen 10 2007 062 672.1 beschrieben.
Zeichnung 1
Der Elektromotor 4 und der Stromgenerator 8 sind in einer Einheit: Elektromotor/Stromgenerator 4/8 zusammengefasst. Die Hydraulikpumpe 5 und die Turbine 7 sind zu einer Umkehrturbine 5/7 zusammengefasst. Die oberen Zylinderkammern der Hydraulikzylinder 2 dienen als Vorratsbehälter für die Hydraulikflüssigkeit, sie sind über das Rohr 9 mit der Umkehrturbine 5/7 verbunden.
Für den Hub der Masseträger 1 treibt der Elektromotor/Stromgenerator 4/8 eine Umkehrturbine 5/7 an. Die Hydraulikflüssigkeit wird über das gemeinsame Druckrohr 6 zur unteren Kammer der zwei Hydraulikzylindern 2 gepresst. Vor jedem Hydraulikzylinder ist ein Sperrventil 12 angebracht. Beide Sperrventile werden unabhängig voneinander von einer zentralen Steuerung geöffnet oder verschlossen.
Beim Absenken presst das Gewicht der Masseträger 1 die Hydraulikflüssigkeit über das Druckrohr 6 zurück zur Umkehrturbine 5/7. Diese treibt den Stromgenerator 4/8 an, der den erzeugten Strom in das Netz zurückspeist. Die Sperrventile 12 werden wahlweise einzeln nacheinander oder gleichzeitig bei beiden Hydraulikzylindern so weit geöffnet, wie es die vom Stromnetz 10 angeforderte Leistung benötigt.
Die Anordnung kann auf mehrere Hydraulikzylinder erweitert werden. Eine zentrale Steuerung wählt die Hydraulikzylinder aus, deren Masseträger anzuheben oder abzusenken sind. Die zentral gesteuerten Sperrventile regeln zugleich die Durchlaufmenge der Hydraulikflüssigkeit für jeden Hydraulikzylinder so, dass das maximale Leistungsvermögen des Elektromotors/Stromgenerators 4/8 und der Umkehrturbine 5/7 nicht überschritten wird. Innerhalb des Leistungsvermögens der Antriebskomponenten werden die Sperrventile so gesteuert, dass das Leistungsangebot bzw. die Leistungsanforderung des externen Stromnetzes erfüllt werden.
Mit der in Zeichnung 3 dargestellten Variante eines Hydraulischen Hubspeicher Kraftwerks können die folgenden Vorteile zusätzlich erreicht werden:
Nur ein Elektromotor/Stromgenerator und eine Umkehrturbine heben die Masseträger mehrerer Hydraulikzylinder gleichzeitig und/oder nacheinander an. Das Gewicht eines oder mehrer Masseträger presst bei Bedarf die Hydraulikflüssigkeit zurück zur Umkehrturbine und variiert so die Leistungsabgabe des Gesamtsystems.
Die Befüllung (Hub der Masseträger) und die Entleerung (Absenken der Masseträger) des Hubspeichers werden von einer zentralen Steuerung durch das Öffnen oder Verschließen der Sperrventile auf das Angebot bzw. die Anforderung des externen Stromnetzes eingeregelt.
Nur ein Elektromotor/Stromgenerator und eine Umkehrturbine genügen um ein ganzes Feld von Hubmodulen anzutreiben. Die Kosten des Gesamtsystems und damit die spezifischen Kosten des gespeicherten Stroms werden durch die Verwendung nur einer Antriebseinheit deutlich gesenkt.
Das Gesamtsystem des Hydraulischen Hubspeicher Kraftwerks verhält sich gegenüber dem externen Stromnetz sehr ähnlich wie die heute gebräuchlichen Pumpspeicherkraftwerke.
Eine Beispielrechnung veranschaulicht die erzielbaren Speicherkapazitäten:
Die Masseträger bestehen aus Eisen mit der Dichte von ca. 7,8 t pro m³. Die Masseträger haben die Form eines Quaders mit den Kantenlängen H × B × T = 5 × 3 × 3 m, das ergibt ein Volumen von 45 m³. Das Gesamtgewicht eines Masseträgers wird mit 45 m³ × 7,9 t/m³ ~ 360 t angenommen. Das Anheben der Masseträger um 100 m kann mit heutiger Technik erreicht werden. Die potentielle Energie eines Speichermoduls beträgt dann: 360.000 kg × 100 m × 10 Ws/kg·m = 360.000.000 Ws 360.000.000 Ws/3.600 Ws = 100.000 Wh = 100 kWh
Die Grundfläche eines Speichermoduls beträgt 3 × 3 m ~ 10 m². Auf einem ha Grundfläche können somit ca. 1000 Speichereinheiten errichtet werden. Das entspricht einer potentiellen Energie in Höhe von ca. 1.000 × 100 kWh = 100.000 kWh = 100 MWh.
Nur ca. 6 ha Grundfläche genügen, um das Speichervermögen des Pumpspeicher Kraftwerks Hedecke mit einem Speichervermögen i. H. v. 590 MWh zu erreichen. Die Beispielrechnung verdeutlicht, dass hydraulisch betriebene Hubspeicher Kraftwerke die Kapazität von Pumpspeicher Kraftwerken erreichen können.

1: Gewicht (Masseträger)
2: Hydraulikzylinder
3: Hydraulikkolben mit Schaft
4: Elektromotor
5: Hydraulikpumpe
6: Druckrohr untere Zylinderkammern
7: Turbine
8: Stromgenerator
9: Rohr obere Zylinderkammern = Vorratsbehälter Hydraulikflüssigkeit
10: Stromnetz
11: Fundament
12: Sperrventil

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung und Speicherung elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass beliebige Masseträger angehoben werden und deren potentielle Energie in Höhe von 9,81 Ws/kg·m verringert um die spezifischen Verluste der Vorrichtungen mit der Hilfe von Stromgeneratoren in elektrische Energie umgewandelt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Speicherung oder Rückgewinnung elektrischer Energie dadurch gekennzeichnet, dass der Masseträger aus einem Behälter besteht, der mit schweren Materialien (z. B. Gestein, Beton, Sand, Eisen) gefüllt ist und mit der Hilfe eines elektrischen Antriebs über eine hydraulische Hubvorrichtung angehoben wird. Der Strom zum Antrieb des Elektromotors wird dem Netz entnommen. Das Gewicht des Masseträgers treibt beim Absenken über die Hydraulikvorrichtung eine Turbine an, die über einen Stromgenerator den erzeugten Strom in das Netz zurückspeist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikflüssigkeit über ein gemeinsames Druckrohr zu mehreren Hydraulikzylindern gepresst wird, wobei der Hub eines jeden Hydraulikzylinders durch das Öffnen eines Sperrventils aktiviert wird.
Verfahren und Vorrichtungen nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Absenkgeschwindigkeit der Masseträger über Sperrventile verlustarm eingeregelt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Hub- und Absenkgeschwindigkeit der Hydraulikmodule auf das Leistungsangebot bzw. an die Leistungsanforderung des Stromnetzes eingeregelt werden.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass ein Algorithmus die Leistungsaufnahme sowie Leistungsabgabe des Gesamtspeichersystems nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten dadurch optimiert, dass die Bewegungen der einzelnen Hubvorrichtungen unabhängig voneinander gesteuert werden.