DE4301659A1

DE4301659A1 - Energiespeicher

Info

Publication number: DE4301659A1
Application number: DE4301659A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Priesemuth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-01-22
Filing date: 1993-01-22
Publication date: 1994-07-28

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher.

Die Nutzung natürlicher Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie erlebt in zunehmendem Maße ihren Einsatz als Erzeuger elektrischer und mechanischer Energie zum Betrieb diverser elektrischer und mechanischer Ver braucher, sei es im gewerblich, industriellen oder auch im privaten Bereich. Ein wesentliches Problem beim Einsatz derartiger Energiequellen zur Erzeugung elek trischer oder mechanischer Energie liegt daran, daß diese Energien nicht erzeugt werden können, wenn die Sonne nicht scheint, d. h. in Nachtzeiten oder aber bei bedecktem Himmel oder aber wenn der Wind nicht in einem zum Betrieb der verwendeten Energiewandler ausreichendem Maße bläst. Nach wie vor muß in einem derartigen Fall beispielsweise elektrische Energie aus einem Energiever sorgungsnetz entnommen werden, bei dem nutzbare elek trische Energie mittels fossiler, primärer Energieträger wie Kohle, Öl oder Erdgas oder mittels Kernkraft erzeugt wird. Vielfach ist aber Wind als natürlicher Energie träger auch dann, beispielsweise in der Nacht, vorhan den, wenn der Energiebedarf normalerweise sehr niedrig ist.

Man hat versucht, elektrische Energie, die mittels Windkraftanlagen und/oder mittels Solarenergieanlagen erzeugt wird, in Form elektrischer Energie in Akkumula toren zu speichern. Die heutige Akkumulatorentechnik ist aber trotz Einsatzes ausgefeilte Steuerungs- und Rege lungseinrichtungen einerseits und verbesserter Akkumu latorentechnik andererseits nach wie vor nicht in der Lage, auf einfache Weise große Energiemengen zu spei chern und bei Bedarf mit hoher Leistung zur Verfügung zu stellen, beispielsweise zum Betrieb von Fertigungsma schinen, Fertigungsanlagen oder auch für sonstige übliche gewerbliche und/oder private Nutzung. Hinzu kommt noch ein wesentlicher Nachteil, daß nämlich bei der Zwischenspeicherung elektrischer Energie in Akkumu latoren, die per se nur eine Gleichspannung zu liefern imstande sind, diese umgewandelt werden muß wiederum in ein- oder mehrphasige Wechselspannung, was wiederum mit erheblichen Energieverlusten verbunden ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Energie speicher zu schaffen, der in der Lage ist, eine große Energiemenge zu speichern, der in der Lage ist, die große Energiemenge kurzfristig abzugeben, der netzunabhängig betrieben werden kann und leicht und kostengünstig herstellbar und bereitstellbar ist.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch einen sich auf einem vorbestimmten ersten Höhenniveau befind lichen Vorrat flüssigen Mediums, der auf ein vorbe stimmtes zweites, höher als das erste Höhenniveau lie gendes Niveau verbracht wird, wobei die für die Ver bringung benötigte Energie durch natürliche Energie quellen bereitgestellt wird, und daß Energie durch gravitationsbedingten Übergang des Mediumvorrats vom zweiten Höhenniveau auf das erste Höhenniveau durch eine dadurch angetriebene Turbineneinrichtung erzeug- und bereitstellbar ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht im wesentlichen darin, daß prinzipiell die Menge der gespeicherten Leistung durch die Größe des Mediumvorrats bestimmt werden kann, der auf das zweite Höhenniveau verbracht wird zu einer Zeit, wo die von der natürlichen Energiequelle gelieferte Energie nicht anderweitig benötigt wird. Der weitere wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, daß an sich die lösungsgemäß vorgeschlagenen Komponenten für sich bekannt und somit kostengünstig und auf einfache Weise bereitstellbar sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die natürliche Energiequelle Windenergie, die eine Windkraftanlage antreibt. Bei der Verwendung einer Windkraftanlage, d. h. bei Ausnutzung der Windenergie kann der Energiespeicher auch beispielsweise in der Nachtzeit betrieben werden, unter der Voraussetzung, daß in der Nacht Wind in geeigneter Stärke bläst. Am Morgen bzw. am Tage kann dann der Energiespeicher geleert werden, indem der Mediumvorrat unter Einfluß der Gravi tation auf das erste niedrigere Höhenniveau überführt wird und dabei die Turbineneinrichtung zur Erzeugung mechanischer oder elektrischer Energie angetrieben wird.

Bei einer weiteren anderen vorteilhaften Ausführungsform des Energiespeichers ist die natürliche Energiequelle Solarenergie, die eine elektrische Energie liefernde Solarenergieanlage beaufschlagt. Hiermit kann faktisch am Tage, wenn die Sonne in ausreichendem Maße Solaren ergie liefert, der Energiespeicher durch Verbringung des Mediumvorrats vom ersten niedrigen Höhenniveau auf das zweite hohe Höhenniveau gefüllt werden. Es ist dabei auch denkbar, sowohl Windenergie als auch Sonnenenergie zur Speicherung, d. h. zur Verbringung des Mediumvorrats auf das zweite Höhenniveau kombiniert zu verwenden, wodurch höhere Speicherleistungen erreicht werden können.

Vorteilhaft ist es, die Verbringung des Mediumvorrats auf das zweite Höhenniveau mittels einer Pumpeneinrich tung erfolgen zu lassen, wobei die Pumpeneinrichtungen durch verschiedene Pumpenarten realisiert werden können, beispielsweise in Form einer Kreiselpumpe, Kolbenpumpe usw.

Dabei ist es vorteilhaft, die Turbineneinrichtung bei Antriebsumkehr als Pumpeneinrichtung zu betreiben, wobei bei dieser Ausgestaltung lediglich ein einziges Aggregat zum Betrieb des erfindungsgemäßen Energiespeichers benötigt wird, d. h. eine kostengünstige Realisierung des Energiespeichers möglich ist.

Bei einer weiteren anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Energiespeichers ist die Pumpeneinrichtung mittels eines Elektromotors antreibbar, grundsätzlich ist es aber auch möglich, eine mechanische Kraftkopplung zwischen Pumpeneinrichtung und einer die Windenergie ausnutzenden Windkraftanlage vorzusehen. Das Vorsehen eines Elektromotors hat zudem den Vorteil, daß beispiels weise die Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie abgesetzt von der Position des Elektromotors bzw. der Pumpeneinrichtung vorgesehen werden kann.

Vorzugsweise ist die Turbineneinrichtung mit einem elektrische Energie liefernden Generator gekoppelt, es ist aber auch vorteilhafterweise möglich, daß die Turbineneinrichtung unmittelbar über eine mechanische Kraftkopplung einen geeignet dazu angeordneten Verbrau cher mechanisch unmittelbar antreibt.

Schließlich ist es vorteilhaft, den Elektromotor als Generator und/oder den Generator als Elektromotor betreibbar auszubilden, wobei diese Ausgestaltung den Vorteil hat, daß kein gesondertes Antriebsaggregat bzw. kein gesondertes elektrische Energie lieferndes Aggregat vorgesehen werden muß, vielmehr beide Funktionen von einem Aggregat ausgeführt werden können.

Um den Energiespeicher auf vorbestimmte Weise zu laden bzw. zu entladen, ist es schließlich bei einer weiteren anderen Ausführungsform vorteilhaft, die Verbringung des Mediumvorrats auf das zweite Höhenniveau sowie den Übergang vom zweiten Höhenniveau auf das erste Höhenni veau zeitlich und/oder mengenmäßig automatisch gesteuert erfolgen zu lassen, so daß in Abhängigkeit der Verfüg barkeit der natürlichen Energiequelle, sei es Solaren ergie und/oder Wind, immer eine optimale Ladung des Energiespeichers erfolgen kann, wobei insbesondere diese automatische Steuerung rechnergestützt erfolgen kann und durch entsprechende Programmänderung bzw. Variation unmittelbar an veränderte Umgebungsbedingungen in bezug auf die natürliche Energiequelle eine optimale Anpassung möglich ist.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die einzige nachfolgende schematische Zeichnung anhand eines Aus führungsbeispieles eingehend beschrieben. Diese zeigt
in Form einer Prinzipdarstellung in Verbindung mit einer blockschaltungsmäßigen Darstellung einen Energiespeicher, der mittels natürlicher Energiequellen wie Solarenergie und/oder Windenergie betrieben werden kann.

Der Energiespeicher 10 besteht im wesentlichen aus einem auf einem ersten Höhenniveau 13 bzw. auf einem zweiten Höhenniveau 14 befindlichen Mediumvorrat 11, wobei der Mediumvorrat 11 durch flüssiges Medium 12 gebildet wird. Das flüssige Medium 12 wird in der Regel Wasser sein, grundsätzlich kann auch eine beliebige andere geeignete Flüssigkeit Verwendung finden. Die Struktur 21, in der das erste und das zweite Höhenniveau 13, 14 ausgebildet sind, kann eine natürlich oder künstlich hergestellte geologische Struktur 21 sein, es ist aber auch möglich, die Struktur 21 durch eine in Form eines Bauwerkes aus beliebigen geeigneten Werkstoffen wie Stahl, Holz, Beton und dergleichen auszubilden. Insofern ist in der darge stellten Figur lediglich schematisch die Struktur 21 dargestellt worden, ohne daß konstruktive Einzelheiten, die beliebig geeignet ausgebildet sein können, darge stellt sind.

Der Mediumvorrat 11 ist in der Figur als Becken schema tisch dargestellt, es ist aber auch möglich, den Mediumvorrat 11 beispielsweise in Form von Tanks oder dergleichen mit zylindrischem Querschnitt, kugelförmige Tanks oder auf sonstige beliebige geeignete Weise auszubilden.

Der auf dem ersten, niedrigeren Höhenniveau 13 und das auf dem zweiten, höheren Höhenniveau 14, in der Figur als oberes zweites Höhenniveau 14 dargestellt, befind liche Mediumvorrat 11 ist über eine Förderleitung 22 miteinander verbunden, so daß das den jeweiligen Medium vorrat 11 bildende flüssige Medium wahlweise vom sich auf dem ersten, niedrigeren Höhenniveau 13 befindlichen Mediumvorrat 11 auf den zweiten, höheren Höhenniveau 14 befindlichen Mediumvorrat 11 und umgekehrt verbracht werden kann.

In die Förderleitung 22 ist eine Pumpeneinrichtung 17 geschaltet, die bei der in der Figur dargestellten Ausführungsform mit einem Elektromotor 18 gekoppelt ist, wobei die Pumpeneinrichtung 17, angetrieben durch den Elektromotor 18 das flüssige Medium 12 vom ersten Höhenniveau 13 auf das zweite Höhenniveau 14 verbringen kann. Gleichzeitig kann in die Förderleitung 22 eine Turbineneinrichtung 16 geschaltet sein, die bei der hier dargestellten Ausführungsform mit einem eine elektrische Spannung erzeugenden Generator 19 gekoppelt ist, so daß beim Übergang des flüssigen Mediums 12 vom zweiten Höhenniveau 14 auf das erste Höhenniveau 13 infolge der Gravitation das flüssige Medium 12 eine Beschleunigung erfährt, die auf an sich bekannte Weise über die Turbi neneinrichtung 16 den Generator 19 antreibt, der nach folgend eine elektrische Spannung 23 liefert, die beliebige Verbraucher versorgen kann. Bei dem in der Figur dargestellten Energiespeicher 10 sind die Turbi neneinrichtung 16 und die Pumpeneinrichtung 17 eine Einheit, d. h. die Turbineneinrichtung 16 kann in ange triebenem Zustand als Pumpeneinrichtung 17 und umgekehrt wirken. Das gleiche gilt für den Elektromotor 18 und den Generator 19, die beide ebenfalls eine Einheit bilden können, d. h. im durch die Turbineneinrichtung 16 ange triebenen Zustand wirkt der Elektromotor 18 als Genera tor 19, während der Generator 19 in angetriebenem Zustand als Elektromotor 18 zum Antrieb der Pumpenein richtung 17 dient.

Die Turbineneinrichtung 16 und die Pumpeneinrichtung 17 einerseits sowie der Elektromotor 18 und der Generator 19 andererseits sind auf geeignete Weise mit einer Steuerung 20 verbunden, die einerseits eine elektro nische steuerungs- und regelungstechnische Komponente umfaßt und andererseits eine elektrische Komponente für die Zufuhr einer elektrischen Spannung 24 zum Betrieb der Pumpenrichtung 17 bzw. des die Pumpeneinrichtung antreibenden Elektromotors 18 und für die schon erwähn te, vom Energiespeicher 10 gelieferte elektrische Spannung 23.

Die zugeführte elektrische Spannung 24 wird durch natürliche Energiequellen 15 wie Wind über eine Wind kraftanlage 150 oder aber über Solarenergie mittels einer Solarenergieanlage 151 geliefert, wobei es möglich ist, sowohl Wind als auch Solarenergie gleichzeitig auszunutzen, um die Förderleistung bei der Verbringung des flüssigen Mediums 12 vom ersten Höhenniveau 13 auf das zweite Höhenniveau 14 zu bewirken. Für die wahlweise Um- bzw. Zuschaltung der von der Windkraftanlage 150 bzw. von der Solarenergieanlage 151 gelieferten elek trischen Energie zum Betrieb der Pumpeneinrichtung 17 bzw. des die Pumpeneinrichtung 17 antreibenden Elektro motors 18 ist eine Schalt- und Steuereinrichtung 25 vorgesehen, die mit der Steuerung 20 schaltungsmäßig verbunden ist. Die Steuerung 20 kann eine rechnerge stützte Steuerung sein, die in Abhängigkeit von hier nicht gesondert dargestellten Windmeß- und/oder Sonnen energiemeßeinrichtungen Steuerungsparameter geliefert bekommt, um einen optimierten Betrieb des Energiespei chers beim Ladevorgang, d. h. bei der Verbringung des flüssigen Mediums 12 vom ersten Höhenniveau 13 auf das zweite Höhenniveau 14 zu gewährleisten. Dabei kann der Betrieb des Energiespeichers 10 vollständig automatisch erfolgen, so daß sich der Energiespeicher 10 auch beispielsweise zum Einsatz in abgelegenen Gebieten eignet, beispielsweise im Gebirge, ohne daß eine konti nuierliche Überwachung durch Personen erforderlich ist.

Zum Betrieb des Energiespeichers 10 wird der sich auf dem vorbestimmten ersten Höhenniveau 13 befindliche Mediumvorrat 12 mittels der Pumpeneinrichtung 17, angetrieben durch den Elektromotor 18, auf das zweite Höhenniveau 14 verbracht. Die Niveaudifferenz 26 kann ebenso wie die Menge des Mediumvorrats 11 aufgrund geologischer und/oder konstruktiver Gegebenheiten grundsätzlich festgelegt bzw. bestimmt werden. Die für die Verbringung benötigte Energie wird beispielsweise durch die von natürlichen Energiequellen 15 (Windkraft, Solarenergie) hier im Beispiel in Form einer elek trischen Spannung 24 zugeführt. Der Energiespeicher 10 liefert Energie, hier beispielsweise in Form einer elektrischen Spannung 23, wenn das flüssige Medium 12 infolge der Gravitation beim Übergang vom zweiten Höhenniveau 14 auf das erste Höhenniveau 13 die Turbi neneinrichtung 16 antreibt. Der Abgriff mechanischer Energie an der Turbineneinrichtung ist ebenfalls mög lich. Der Abruf für den Betriebszustand "Energieerzeugung" kann automatisch oder auf bedarfs mäßige Veranlassung eingeleitet werden.

Bezugszeichenliste

10 Energiespeicher
11 Mediumvorrat
12 flüssiges Medium
13 erstes Höhenniveau
14 zweites Höhenniveau
15 Energiequelle (Sonnenenergie, Wind)
150 Windkraftanlage
151 Solarenergieanlage
16 Turbineneinrichtung
17 Pumpeneinrichtung
18 Elektromotor
19 Generator
20 Steuerung
21 Struktur
22 Förderleitung
23 elektrische Spannung
24 zugeführte elektrische Spannung
25 Schalt- und Steuereinrichtung
26 Niveaudifferenz

Claims

1. Energiespeicher, gekennzeichnet durch einen sich auf einem vorbestimmten ersten Höhenniveau (13) befindlichen Vorrat flüssigen Mediums (12), der auf ein vorbestimmtes zweites (14), höher als das erste Höhenniveau (13) liegendes Niveau verbracht wird, wobei die für die Verbringung benötigte Energie durch natürliche Energie quellen (15) bereitgestellt wird, und daß die Energie durch gravitationsbedingten Übergang des Mediumvorrats (11) vom zweiten Höhenniveau (14) auf das erste Höhen niveau (13) durch eine dadurch angetriebene Turbinen einrichtung (16) erzeug- und bereitstellbar ist.

2. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die natürliche Energiequelle (15) Winden ergie ist, die eine Windkraftanlage (150) antreibt.

3. Energiespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Windkraftanlage (150) elektrische Energie liefert.

4. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die natürliche Energiequelle (15) Solar energie ist, die eine elektrische Energie liefernde Solarenergieanlage (151) beaufschlagt.

5. Energiespeicher nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver bringung des Mediumvorrats (15) auf das zweite Höhen niveau (14) mittels einer Pumpeneinrichtung (17) er folgt.

6. Energiespeicher nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbi neneinrichtung (16) bei Antriebsumkehr als Pumpenein richtung (17) betreibbar ist.

7. Energiespeicher nach einem oder beiden der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenein richtung (17) mittels eine Elektromotors (18) antreibbar ist.

8. Energiespeicher nach einem oder mehreren der An sprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbi neneinrichtung (16) mit einem elektrische Energie liefernden Generator (19) gekoppelt ist.

9. Energiespeicher nach einem oder beiden der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (18) als Generator (19) und/oder der Generator (19) als Elektromotor (18) betreibbar ist.

10. Energiespeicher nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver bringung des Mediumvorrats (11) auf das zweite Höhen niveau (14) sowie der Übergang vom zweiten Höhenniveau (14) auf das erste Höhenniveau (13) zeitlich und/oder mengenmäßig automatisch gesteuert erfolgt.