| P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verbundsystem aus einer Energiequelle und einem elektromechanischen Energiespeicher, wobei die Energiequelle und der elektromechanische Energiespeicher elektrisch miteinander verbunden sind, wobei der elektromechanische Energiespeicher eine Speichermasse (1 ), einen elektrischen Generator (3) und einen Elektromotor (2) aufweist, wobei die Speichermasse (1 ) über eine Befestigungseinrichtung (4, 6) mit einer Welle des elektrischen Generators (3) und einer Welle des Elektromotors (2) verbunden ist, wobei die Speichermasse (1 ) mit Hilfe des Elektromotors (2) so antreibbar ist, dass sie einen Höhenunterschied überwindet und ihre potenzielle Energie zunimmt, und wobei die Speichermasse (1), wenn sie einen Höhenunterschied überwindet, so dass ihre potenzielle Energie abnimmt, den elektrischen Generator (3) antreibt. 2. Verbundsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens zwei elektromechanische Energiespeicher aufweist. 3. Verbundsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequel- Ie eine regenerative Energiequelle ist. 4. Verbundsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse der Speichermasse (1 ) in einem Bereich von 500 t bis 1000 t und bevorzugt mehr als 1000 t beträgt. 5. Verbundsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermasse (1 ) einen maximalen Hub von mindestens 100 m, vorzugsweise jedoch von mehr als 1200 m aufweist. 6. Verbundsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermassen (1 ) auf einer schiefen Ebene geführt werden. 7. Verbundsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermassen (1 ) in oder an einem Hochhaus angeordnet sind. 8. Verbundsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermassen (1 ) in einem oder mehreren Schächten, vorzugsweise in einem Aufzugsschacht, im Inneren des Hochhauses angeordnet sind. 9. Verbundsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die regenerative Energiequelle von photovoltaischen Elementen an der Fassadenfläche des Hochhauses gebildet wird. 10. Verbundsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermassen (1 ) in einem im wesentlichen vertikalen Bergwerksschacht angeordnet sind. 11. Verbundsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanischen Energiespeicher mit einem Schwimmkörper (8) verbunden sind, so dass die Speichermassen (1 ) im Betrieb des Systems unter dem Schwimmkörper im Wasser angeordnet sind. 12. Verbundsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanischen Energiespeicher mit einer Off-shore Plattform verbunden sind, so dass die Speichermassen (8) im Betrieb des Systems unter der Plattform im Wasser angeordnet sind. 13. Verbundsystem nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die regenerative Energiequelle ein Meereswärmekraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Temperaturunterschieden im Meerwasser ist. 14. Verbundsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermassen (1 ) in oder an einem Turm einer Windenergieanlage angeordnet sind. 15. Verbundsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotorwelle der Windenergieanlage mechanisch mit dem elektrischen Generator (3) gekoppelt ist. |
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundsystem zum Speichern von mit Hilfe einer regenerativen Energiequelle erzeugter elektrischer Energie mit Hilfe eines elektromechanischen Ener- giespeichersystems.
Elektrischer Strom hat die Eigenschaft, im selben Moment verbraucht werden zu müssen, in welchem er entsteht, d.h. generiert wird, sei es durch Wärmekraft-Maschinen, Windkraftanlagen, Photovoltaik oder andere Stromerzeuger wie z.B. Wasserkraftanlagen. Anhand von Großvertei- lungssystemen (Netzen), wie sie heute üblich sind, stellt sich ein gewisses Gleichgewicht zwischen erzeugtem und verbrauchtem Strom ein. Dabei wird insbesondere versucht, den Strom bedarfsgerecht zu erzeugen, wobei sich deutliche Schwankungen durch bestimmte Verbraucher- Eigenschaften ergeben.
Schon seit langem wird nach Speichermöglichkeiten gesucht, um solche Schwankungen des Energieverbrauchs auszugleichen. Hierbei sind zu erwähnen: Wasserkraft-Speicheranlagen, in denen in Strom Überschusszeiten Wasser von einem unteren Vorrat in ein höher liegendes Becken gepumpt wird. Diese werden auch als Pumpspeicherwerke bezeichnet. Bei Bedarf wird Wasser wieder nach unten abgelassen und einer Turbine zugeführt, durch die ein Elektrogenera- tor zur Stromversorgung angetrieben wird. Eine andere Möglichkeit der Energiespeicherung sieht man in Pressluft- (Pressgas-) Anlagen, in die in der Hochphase der Stromerzeugung Gas bzw. Luft in unterirdische Kavernen eingepreßt wird, aus denen man es bei Bedarf wieder zum Antrieb von Turbinen und Generatoren ablässt.
Eine einfache Weise, Strom auf chemischem Weg zu speichern, ist eine Batterie bzw. ein Akkumulator, der in dem Moment Strom abgibt, in dem er vom Verbraucher benötigt wird. Jedoch sind die Kapazitäten der derzeit verfügbaren Akkumulatoren bislang zu gering, um sie großtechnisch einzusetzen.
Die beiden erstgenannten elektromechanischen Speicherverfahren sind allerdings, im Gegensatz zum Akkumulator, stark verlustbehaftet. Verluste von bis zu 60 % müssen in die Kalkulation zwischen Einspeisung und Wiedergewinnung der elektrischen Energie eingerechnet werden. Außerdem erfordern diese Verfahren erhebliche Investitionen, deren Abschreibungen ebenfalls in die ökonomischen Verluste eingehen. Darüber hinaus weisen diese Systeme einen erheblichen Flächenbedarf auf. Aus diesem Grunde haben sich die genannten Verfahren nur für sehr spezielle Anwendungen, beispielsweise bei der Bahnstromerzeugung, allgemein durchsetzen können.
Besonderen Schwankungen unterliegen Anlagen zur Stromerzeugung aus erneuerbaren bzw. regenerativen Energiequellen, wie Windkraft, Photovoltaik usw. Die Stromgewinnung aus Windkraft setzt Wind voraus, Solarstrom wird nur bei Sonnenschein, also bei Tage, erzeugt. Hinzu kommt umgekehrt, dass womöglich aus diesen Energiequellen Strom gerade dann in größerer Menge erzeugt wird, wenn er gar nicht gebraucht wird, die Anlagen somit sinnwidrig abgeschaltet werden müssen, da derzeit eine effektive Stromspeicherung in dem erforderlichen Umfang nicht möglich ist.
Neuere Überlegungen gehen davon aus, die Vielzahl von Batterien (Akkus) in zukünftigen Elekt- rofahrzeugen als elektrische Puffer bzw. Zwischenspeicher zu verwenden.
Alle diese Verfahren weisen durchweg Mängel auf, weil sie sehr aufwändig sind und zudem schlechte Wirkungsgrade, somit hohe Verluste, aufweisen. Andererseits sind sie an bestimmte geographische Voraussetzungen gebunden, die nicht überall angetroffen werden, zumal in stark besiedelten Gebieten. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass es immer einer längeren Anlaufzeit bedarf, bis diese Systeme ihren Betrieb aufnehmen. Dies in beiden Richtungen: beim Speichervorgang und beim Abruf der gespeicherten Energie. Insbesondere lassen es die genannten Systeme nicht zu, gleichzeitig Energie zu speichern und aus dem Speicher abzugeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt gegenüber diesem Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein System bereitzustellen, welches es ermöglicht, die aus regenerativen Energiequellen kurzfristig bereitgestellte Energie zu speichern, falls keine Nachfrage für die gesamte Energiequelle besteht und die Energie kurzfristig abzugeben, wenn der Energiebedarf durch die regenerative Energiequelle nicht gedeckt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verbundsystem aus einer Energiequelle und einem elektromechanischen Energiespeicher gelöst, wobei die Energiequelle und der elektrome- chanische Energiespeicher elektrisch miteinander verbunden sind, wobei der elektromechani- sche Energiespeicher eine Speichermasse, einen elektrischen Generator und einen Elektromotor aufweist, wobei die Speichermasse über eine Befestigungseinrichtung mit einer Welle des elekt- rischen Generators und einer Welle des Elektromotors verbunden ist, wobei die Speichermasse mit Hilfe des Elektromotors so antreibbar ist, dass sie einen Höhenunterschied überwindet und ihre potenzielle Energie zunimmt und wobei die Speichermasse, wenn sie einen Höhenunterschied überwindet, so dass ihre potenzielle Energie abnimmt, den elektrischen Generator an- treibt. Dabei ist die Energiequelle im Sinne der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine regenerative Energiequelle, d.h. insbesondere eine Wasserkraftanlage, eine Windkraftanlage, eine Photovoltaikanlage, ein Meereswärmekraftwerk, eine Gezeitenkraftwerk oder ein geothermisches Kraftwerk, u.a.
Das Wesen der Erfindung ist es, innerhalb eines Verbundsystems, bestehend aus einer oder mehreren regenerativen Energiequellen auf der Basis erneuerbarer Energien auf der einen Seite und mindestens einer Anlage, welche als Speichervorgang elektrische Energie in potenzielle Energie und umgekehrt die potenzielle Energie bei Bedarf in Bewegungsenergie und diese wie- der zurück in elektrische Energie zu überführen in der Lage ist, im Sinne dieser Anmeldung auch als Energiespeicher bezeichnet, und letztlich aus der Kette von Verbrauchern, wobei in einer Ausführungsform eine zentrale Steuerung die Zuführung und Abführung von Strom je nach Bedarf regelt bzw. steuert, vergleichbar mit einem offenen bzw. geschlossenen Regelkreis.
In einer Ausführungsform der Erfindung bildet der elektromechanische Energiespeicher ein System, bei dem durch elektrische Energie über eine Winde ein Fahrgewicht nach oben gezogen wird (z.B. bei Überschuss von elektrischer Energie) und bei dem dieses Gewicht wiederum ebenfalls über die genannte Winde zum Antrieb eines Elektro-Generators dient, wenn elektrische E- nergie gebraucht wird. Der Übergang von dem einen in den anderen Arbeitsvorgang (Betriebspa- rameter) soll weitgehend verlustfrei und in kürzester Schalt- bzw. Umschaltzeit erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße System mindestens zwei elektromechanische Energiespeicher auf. Eine solche Tandem-Anordnung von mindestens zwei elektromechanischen Energiespeichern in dem erfindungsgemäßen Verbundsystem weist den Vorteil auf, dass Energie gespeichert werden kann, d.h. das eine Speichergewicht nach oben gezogen wird, während gleichzeitig Energie abgegeben wird, d.h. das zweite Speichergewicht abgelassen wird und dabei den elektrischen Generator antreibt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Verbundsystem in vorhandene großenergetische Zusammenhänge, wie sie heute in Gestalt von Stromnetzen üblich sind, integriert, falls größere Entfernungen zwischen den einzelnen Teilnehmern des Verbundsystems aus Energieerzeugung sowie Energiespeicher und den Verbrauchern zu überwinden sind.
Ein wichtiges Erfordernis für die erfindungsgemäße elektromechanische Speicheranlage ist ein möglichst großer Höhenunterschied (Hub) der Speichermassen zwischen oberem und unterem Potenzialpunkt. In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der maximale Höhenunterschied bzw. Hub mindestens 100 m, vorzugsweise jedoch mehr als 1200 m. Die Speicherkapazität des elektromechanischen Energiespeichers wird neben dem Hub auch und vor allem durch die Masse der Speichermasse, welche nach oben und unten bewegt werden soll, bestimmt. Diese sollte, um hohe Speicherkapazitäten zu erreichen, in einem Bereich von 500 t bis 1.000 t, vorzugsweise jedoch mehr als 1.000 t betragen.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind, um den erforderlichen Hub zu erreichen, die Speichermassen in oder an einem Hochhaus angeordnet. Dabei eignen sich insbesondere Schächte innerhalb des Hochhauses, wie sie in konventionellen Bauten bereits in Form von Aufzugschächten vorgesehen sind, um die Speichermassen aufzunehmen. Die lokale Speicherung von elektri- scher Energie mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verbundsystems in Hochhäusern biete sich deshalb an, da in einer Ausführungsform der Erfindung die elektrische Energiequelle beispielsweise durch eine photovoltaische Verglasung oder Fassadenverkleidung des Hochhauses bereitgestellt werden kann, so dass das Hochhaus über eine selbständige Energieversorgung verfügt. Die während des Tages erzeugte elektrische Energie kann, so weit sie nicht unmittelbar dem Verbrauch zugeführt wird, in potenzielle Energiespeichermassen umgesetzt werden, indem diese in oder an dem Hochhaus nach oben gezogen werden. Bei Dunkelheit, wenn die photovoltai- schen Elemente keinen elektrischen Strom mehr erzeugen, wird der elektrische Verbrauch des Hochhauses in dieser Ausführungsform dadurch gedeckt, dass die Speichermassen die mit ihnen verbundenen Generatoren antreiben.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Speichermassen in einem im Wesentlichen vertikalen Bergwerksschacht angeordnet.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundssystems sind die elektromechani- sehen Energiespeicher in stillgelegten Zechenanlagen angeordnet, die ursprünglich der Gewinnung von Kohle, Mineralien u.a. gedient haben. Ehemalige Förderschächte solcher Anlagen können Teufen von über 3000 Metern aufweisen. Zudem können die erfindungsgemäßen elektromechanischen Energiespeicher stabil auf vorhandenem Grund und Boden, also in Erdhöhe, montiert werden, welcher mit entsprechenden Gründungen alle Anforderungen an Stabilität erfüllt, ähnlich wie dies schon bei der ehemaligen Aufzugsanlage der Zeche der Fall war.
Alleine im Ruhrgebiet liegen mehr als 200 ehemalige Kohlezechen still, deren Schächte zur Realisierung der erfindungsgemäßen elektromechanischen Energiespeicher verwendet werden können.
Alternativ können auch neue Schächte zusätzlich zu den vorhandenen Schächten der Zechen abgeteuft werden, welche ein Minimum an Flächenbedarf an der Erdoberfläche aufweisen. Die Niederbringung kann durch gängige Bohrsysteme erfolgen. In einer alternativen Ausführungsform sind die elektromechanischen Energiespeicher mit einem Schwimmkörper verbunden, so dass die Speichermassen im Betrieb des Systems unter dem Schwimmkörper im Wasser angeordnet sind.
Auf diese Weise lassen sich Anlagen realisieren, bei denen die Speichermassen von einem Schwimmkörper aus im Wesentlichen senkrecht nach unten in das darunterliegende Wasser abgelassen werden können. Solche Anlagen werden vorzugsweise off-shore installiert, so dass große Meerestiefen unter dem Schwimmkörper bereitstehen, um den erforderlichen großen Hub und die damit verbundene große Potenzialdifferenz für die Speichermassen vorzusehen.
Ein Schwimmkörper im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Schiff, ein Ponton oder ähnliches.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform können die elektromechanischen Energiespeicher mit einer fest im Meeresboden verankerten Plattform verbunden sein.
In einer Ausführungsform ist der elektromechanische Energiespeicher, insbesondere aber dessen Speichermasse, in oder an einem Turm einer Windenergieanlage angeordnet. Eine solche Ausführungsform ist vorteilhaft, da sie eine Speicherung der elektrischen Energie am Ort ihrer Erzeugung ermöglicht.
Dabei ist eine Ausführungsform zweckmäßig, bei der eine Rotorwelle der Windenergieanlage, d.h. die Welle der Rotorflügel, mechanisch mit dem elektrischen Generator gekoppelt ist. In die- sem Fall sind der Generator der Energiequelle und der Generator des elektromechanischen E- nergiespeichers identisch. Zusätzlich zu dem ohnehin vorhandenen Generator nimmt die Maschinengondel der Anlage in einer Ausführungsform die Winde und den Motor auf.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren deutlich.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen elektromechanischen E- nergiespeichers. Figur 2 zeigt die Anordnung zweier erfindungsgemäßer elektromechanischer Energiespeicher in einem Bergwerksschacht.
Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen elektromechanischen Energiespeicher, wobei die Speichermasse auf einer schiefen Ebene angeordnet ist. Figur 4 zeigt einen erfindungsgemäßen elektromechanischen Energiespeicher in einem
Hochhaus.
Figur 5 zeigt zwei erfindungsgemäße elektromechanische Energiespeicher, die auf einem Schwimmponton angeordnet sind.
Figur 6 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung innerhalb einer Windkraftanlage,
Figur 7 zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundsystems.
Figur 8 zeigt eine detaillierte Ansicht der Zentrale aus Figur 6.
Figur 9 zeigt eine detaillierte Ansicht der Steuereinheit aus Figur 7.
FFiigguurr 1100 zeigt schematisch den Aufbau einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundsystems.
Figur 11 zeigt schematisch den Aufbau einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundsystems,
Figur 12 zeigt drei Grafiken, welche eine Glättung der natürlichen Ausschläge für Anlagen erneuerbarer Energien (z.B. Windkraftanlagen) durch die erfindungsgemäßen
Energiespeichersysteme nachweisen.
Der in Figur 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße elektromechanische Energiespeicher umfasst neben einer Speichermasse, d.h. dem hängenden Fahrgewicht 1 , einen Elektromotor 2, welcher mit elektrischem Strom aus dem Netz oder aus Elektrizität liefernden Systemen, in der dargestellten Ausführungsform aus einer Windkraftanlage angetrieben wird, um das hängende Fahrgewicht 1 nach oben zu befördern, damit es potenzielle Energie aufnimmt.
Ferner umfasst der elektromechanische Energiespeicher einen Elektrogenerator 3, welcher beim Hinabfahren des Fahrgewichts dessen potenzielle Energie aufnimmt und in elektrische Energie umwandelt, welche ihrerseits wiederum ins Stromnetz oder unmittelbar an Verbraucher geliefert wird. Der in Figur 1 dargestellte Generator 3 ist ein Drehstromgenerator, der über eine Netzanpassung für 50 Hertz verfügt.
Eine Seilwinde 4, kann je nach Bedarf durch Wellenkupplungen 5 an den Elektromotor 2 oder an den Elektrogenerator 3 mechanisch oder elektromechanisch kraft- oder formschlüssig angekuppelt werden. Auf die Seilwinde 4 wird das Zugseil 6, welches mit dem hängenden Fahrgewicht 1 verbunden, je nach Bedarf auf- oder abgewickelt. Das Zugseil 6 besteht in der dargestellten Ausführungsform zur Erhöhung der Sicherheit und zur Gewährleistung einer hohen Kraftaufnahme auch aus einem Paket von mehreren Stahlseilen.
Das Fahrgewicht 1 kann frei schwebend oder wie bei der Ausführungsform aus Figur 1 in einem Schienensystem ähnlich einem Aufzugsfahrkorb geführt werden. Letztere Anordnung hat den Vorteil, dass das Fahrgewicht 1 jederzeit und in jeder Höhe unabhängig vom Seilzug angehalten und aus Sicherheitsgründen festgesetzt bzw. arretiert werden kann. Zusätzlich wird eine maximale Erdbebensicherheit erreicht.
Die in Figur 1 dargestellte Motor/Generator-Einheit mit Seilwinde 2, 3, 4 wird in den nachfolgenden Figuren 2 bis 6 nur schematisch durch die Bezugszeichen 2, 3 und 4 dargestellt.
In diesen Figur2 bis 6 ist jeweils auch eine Umlenkrolle für den Seilzug dargestellt. Die Konstruktion kann alternativ, soweit dies die geometrischen Verhältnisse erlauben, auch ohne eine Um- lenkrolle ausgeführt werden. Diese bietet jedoch den Vorteil, dass die Motor/Generator-Einheit mit Seilwinde auf festem Grund und Boden errichtet werden kann und keine besondere Tragkonstruktion oberhalb des Schachtes angeordnet werden muss.
Das erfindungsgemäße System mit zwei (oder alternativ mehr) Fahrgewichten 1 , so wie es bei- spielhaft in Figur 2 gezeigt ist, weist zwei elektromechanische Speicheranlagen, d.h. parallel laufende Systeme A und B auf, wobei das eine z.B. A zu einem Zeitpunkt elektrische Energie (Strom) aufnimmt, während das andere B aber elektrische Energie (Strom) abgibt.
Dabei spielt es keine Rolle, auf welcher Hubhöhe der Fahrgewichte 1A, 1 B dies gerade ge- schieht. Dies bedeutet, dass die Fahrgewichte 1A, 1 B nicht unbedingt immer bis zum oberen oder unteren Totpunkt gefahren werden müssen. Sie können ihren Weg auch an jeder beliebigen Stelle in die Gegenrichtung umkehren, je nach Bedarf der elektrischen Anforderungs-Situation.
Es lässt sich leicht ermessen, welche gewaltige Speicherkapazität durch die Einbeziehung von 100 oder 200 ehemaligen Zechen und ggf. noch zusätzlich niedergebrachten neuen Schächten erreicht werden kann, die zu dem erfindungsgemäßen elektrischen Verbundsystem verschaltet sind. Hervorzuheben ist nochmals die große Flexibilität eines solchen Verbundsystems, welches sich sekundengenau an die jeweilige Lieferungs- und Verbrauchssituation für elektrische Energie anzupassen vermag.
Nachfolgend werden einige Zahlenbeispiele angegeben:
Ein Fahrgewicht 1 mit einer Masse von beispielsweise 1000 Tonnen Gewicht ist aus Gussstahl gefertigt. Es hat bei einem Querschnitt von 4 mal 4 Metern eine senkrechte Länge von etwa 8 Metern und passt mit diesen Abmessungen gut in einen ehemaligen Zechenschacht. Ein alternatives Fahrgewicht 1 aus Beton hat bei gleichem Querschnitt eine Länge von etwa 22 Metern. Ein solches Fahrgewicht 1 führt zu einer speicherbaren potenziellen elektrischen Energie von 8.000 kWh und mehr. Bei beispielsweise 200 zusammen geschalteten Schachtsystemen sind dies bis zu etwa 1 .600 MWh an verfügbarer elektrischer Speicherkapazität, welche sekundenschnell abgerufen werden kann.
Die elektromechanischen Verluste eines solchen Systems der erfindungsgemäßen elektrome- chanischen Speicheranlage betragen nicht mehr als etwa 5 % bis 8 %.
Der Einsatz eines solchen Verbundsystems könnte zur Speicherung der nahezu gesamten in Norddeutschland erzeugten elektrischen Windenergie genutzt werden, die dann vorzugsweise nicht direkt ins Netz mit den damit verbundenen Nachteilen eingespeist wird, sondern in das beschriebene Verbundspeichersystem mit allen verfügbaren Schachtanlagen, in denen die erfindungsgemäßen elektromechanischen Energiespeicher installiert sind, um eine kontinuierliche Stromlieferung aus erneuerbarer Energie sicher zu stellen. Dies steht im Gegensatz zur jetzigen Situation, bei der nur eine diskontinuierliche Einspeisung ins Netz mit allen damit verbundenen Nachteilen möglich ist.
Die elektromechanische Speicheranlage gemäß der Figuren 1 bis 6 ist mit einer elektronischen Steuerung ausgestattet, mit deren Hilfe alle zu überwachenden Daten erfasst werden können, insbesondere die jeweilige Position der Fahrgewichte 1 sowie die jeweiligen elektrischen Daten, die einem automatisch ablaufenden Fahrbetrieb dienen. Dabei werden alle elektrischen und mechanischen Ist- und Soll-Werte erfasst.
Eine Schachtanlage gemäß Figur 2 ist in einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform mit einer zusätzlichen Einrichtung zur Gewinnung von Erdwärme ausgestattet.
Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform wird das Fahrgewicht 1 in Gestalt einer Lore auf Schienen 7 oder Walzen nicht senkrecht, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, sondern auf einer schiefen Ebene geführt, wie sie sich aus einer entsprechenden Geländeformation (Berghang) ergibt.
Figur 4 zeigt eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen elektromechanischen Energiespeichers: Dieser wird in diesem Fall in einem oder mehreren zusätzlich freigestellten oder gebauten Aufzugsschächten eines Hochhauses installiert. Dieser Einsatzbereich hat den Vorteil, dass ein solches Hochhaus unabhängig von einer externen Versorgung an elektrischer Energie aus dem Versorgungsnetz geführt werden kann, indem z.B. auf den Fenster- und sonstigen Flächen installierte Photovoltaikmodule, in der dargestellten Ausführungsform durchsichtige Polymermodule, über Tage und an Wochenenden elektrische Energie (Strom) liefern, welche mit den elektromechanischen Speicheranlagen gekoppelt sind und so elektrische Energie speichern, welche während der Büro- und Betriebszeiten abgerufen und genutzt werden kann. Ein solches Hochhaus wäre autark von der öffentliche Elektroversorgung.
Die Führung der Fahrgewichte 1 kann in einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform nicht nur innerhalb des Hochhauses in den genannten Schächten, sondern auch außerhalb, z.B. entlang der Fassade, erfolgen.
Die Fahrgewichte 1 weisen bei der beschriebenen Anwendung im oder am Hochhaus geringere Massen auf als oben für die großtechnischen Anlagen ausgeführt.
Bei der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundsystems sind die elektromechanischen Energiespeicher auf einem Schwimmponton 8 installiert, um die darunter befindliche Meerestiefe für die Fahrgewichte 1 zu nutzen. Die Betriebsweise ist mit den oben genannten Beispielen vergleichbar, wobei das Schiff bzw. der Ponton durch eine geeignete Verankerung und/oder durch GPS automatisch mit bekannter Technologie auf See in Position gehalten wird. Weitere Technologien, die aus der marinen Erdölförderung für Offshore-Bohrplattformen bekannt sind (Jack-up, Halbtaucher, Bohrschiff) können zum Einsatz kommen.
In der dargestellten Ausführungsform sind die elektromechanischen Energiespeicher mit einem Meereswärmekraftwerk (OTEC-Technologie; Ocean Thermal Energy Conversion) verbunden, um die aus dem Temperaturgradienten des Wassers gewonnene elektrische Energie zu speichern. Zahlreiche solcher marinen Systeme können zu einem Verbundsystem großtechnisch zusammengefaßt werden, wie dies für Systeme an Land vorstehend aufgezeigt wurde.
In Figur 6 wurde die bisher aufgezeigte Anordnung gem. Figur 1 mit einem Fahrgewicht 1 direkt in einer Windkraftanlage zusätzlich zu den schon bestehenden Aggregaten eingebaut, so dass an Ort und Stelle, wo die witterungsbedingte Überschuss- und Unterschussleistung anfällt, eine Glättung der Leistungsausschläge vorgenommen wird. Sowie Überschussleistung anfällt, wird das Fahrgewicht 1 emporgezogen, bei Unterschussleistung wird durch Niederfahren des Fahrgewichts zusätzlich Strom erzeugt und eingespeist.
Dabei ist in der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform die Welle des Generators 3 je nach Betriebszustand der Anlage mit der Rotorwelle oder mit der Welle der Winde 4 gekoppelt. Die Ro- torwelle treibt bei entsprechend an den Flügeln anstehendem Wind die Welle des Generators 3. Gleichzeitig ist die Welle des Motors 2 mit der Welle der Winde gekoppelt. Die Ausgangsleistung des Generators 3 wird in das Versorgungsnetz eingespeist und treibt gleichzeitig oder alternativ den Motor 2, um das Fahrgewicht 1 emporzuziehen. Fällt die durch den Wind erzeugte Leistung unter ein bestimmtes Niveau, so wird die Kopplung zwischen Motor 2 und Winde 4 aufgehoben und statt dessen die Welle des Generators 3 an die Winde 4 gekoppelt, so daß die Winde 4 bei ablaufendem Fahrgewicht 1 statt oder zusätzlich zu dem Windkraftrotor den Generator 3 treibt. Das Fahrgewicht 1 weist in diesem Falle selbstverständlich eine geringere Masse als in den zu- vor aufgezeigten Fällen von beispielsweise 100 Tonnen auf, der Hub zwischen oberem und unterem Totpunkt entspricht in etwa der Bauhöhe des Turms der Windkraftanlage. Diese beträgt gegenwärtig durchaus 100 Meter und mehr. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass sogleich an Ort und Stelle, wo die naturbedingten Energiedifferenzen auftreten, ohne Einsatz eines Stromverteilungs-Netzes bereits Speicherkapazität bereitgestellt wird, so dass Strom in bereits geglätteter Form, also ohne starke Leistungsschwankungen, die Windkraftanlage verlässt.
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, dass die Anlage nicht mehr wegen Ü- berschussleistung, z.B. durch zu hohe Windgeschwindigkeiten oder bei fehlendem Strombedarf, abgeschaltet werden muss. Der Überschussstrom geht direkt in die anlageneigene Speicheran- läge. Zusätzlich ist anzumerken, dass die Zugkraft des Fahrgewichts 1 zur Stabilisierung des Systems Windkraftanlage beiträgt. Zudem kann an diesem Fahrgewicht 1 ein Fahrkorb angebracht werden, der als Aufzug für Wartungspersonal dienen kann (nicht eingezeichnet). Ebenfalls nicht eingezeichnet sind Führungsschienen, die selbstverständlich zur seitlichen Sicherung und Stabilisierung des Fahrgewichts 1 erforderlich sind. Erwähnt werden sollte auch, dass die Steig- leiter innerhalb des Turms so eingebaut sein muss, dass die Bewegungen des Fahrgewichts 1 nicht behindert werden.
Eine weitere mögliche Anordnung des Fahrgewichts 1 , oder eines zusätzlichen Fahrgewichts, ist außerhalb des Turms ringförmig denkbar (nicht eingezeichnet).
Figur 7 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundsystems aus einer Windenergieanlage WEA, einer Photovoltaikanlage PVA, einem elektromechanischen E- nergiespeicher EES sowie einer Mehrzahl von Verbrauchern bzw. Abnehmern ABN. Die Stromerzeuger WEA, PVA und die Abnehmer ABN sind über eine Zentrale ZEN miteinander verbun- den.
Dabei arbeitet die Zentrale ZEN als Verteiler der elektrischen Energie. In der Zentrale wird der aktuelle Bedarf an elektrischer Energie der Verbraucher ABN ebenso erfasst, wie die zum jeweiligen Zeitpunkt von den regenerativen Energiequellen PVA, DEA erzeugte elektrische Energie. Ist die von den Erzeugern PVA, WEA bereitgestellte Energiemenge größer als der momentane Bedarf der Abnehmer ABN, so wird Energie in dem elektromechanischen Energiespeicher EES in der in Bezug auf die Figuren 1 bis 5 beschriebenen Weise zwischengespeichert. In Fällen, in denen die Nachfrage nach elektrischer Energie durch die Verbraucher ABN größer ist als die derzeit von den regenerativen Energiequellen PVA, WEA bereitgestellte Energiemenge, so sorgt die Zentrale dafür, dass weitere Energie aus dem elektromechanischen Energiespeicher EES abgerufen wird, indem die potenzielle Energie einer oder mehrerer Speichermassen in elektrische Energie umgewandelt wird, welche den Verbrauchern ABN zur Verfügung gestellt wird.
Das in Figur 7 schematisch dargestellte Verbundsystem zeigt eine Kleinanlage, die in dem dargestellten Beispiel für eine einzelne kleine Gemeinde vorgesehen ist, der es auf diese Weise ermöglicht wird, sich weitgehend autark mit elektrischem Strom aus erneuerbaren Energiequellen zu versorgen.
Figur 8 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Zentrale ZEN aus Figur 7. Diese arbeitet als Verteilereinheit und weist Zugänge an elektrischer Energie (Strom) aus den Energiequellen WEA und PVA, ein Element zu deren Zusammenfassung sowie eine Steuereinheit 1 auf. Die Steuereinheit 1 verfügt über Zu- und Abgänge für den elektromechanischen Energiespeicher EES, sowie Ab- gänge zu den Abnehmern/Verbrauchern ABN. Steuersysteme bieten sich dabei an von EFR (Europäische Funkrundsteuerung) auf Langwellen-Funkbasis und auf Basis SMART GRID. Beide Systeme sollen hier an dieser Stelle nicht weiter beschrieben werden.
In Figur 9 wiederum ist die Steuereinheit 1 aus Figur 8 vergrößert dargestellt und deren Funktion vereinfacht angedeutet.
In Figur 10 ist eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbundsystems dargestellt, wobei gegenüber dem in Figur 7 dargestellten System das in Figur 10 gezeigte für eine großtechnische Anwendung zur Versorgung ganzer Landstriche oder Länder vorgesehen ist. Dazu weist das System eine Vielzahl von regenerativen Energiequellen, hier Photovoltaikanlagen PVA und Windenergieanlagen WEA sowie eine Vielzahl von Abnehmern bzw. Verbrauchern ABN und eine Mehrzahl von elektromechanischen Energiespeichern auf. Das in Figur 10 gezeigte Verbundsystem ist in ein vorhandenes Stromversorgungsnetz integrierbar, so dass beispielsweise vorhandene Leitungen zwischen den Verbrauchern ABN und einer Zentrale ZEN verwendet werden können. So können parallele Strukturen und damit verbundene erhöhte Kosten vermieden werden. Vor allem hier und in dem System gem. Figur 11 sind die genannten Steuerungssysteme EFR und SMART GRID vorteilhaft einsetzbar.
Die in den Figur 7 und 10 gezeigten Verbundsysteme weisen eine Parallelschaltung der einzel- nen regenerativen Energiequellen WEA, PVA, der elektromechanischen Energiespeicher EES sowie der Abnehmer ABN auf, d.h. das ganze Verbundsystem hat eine sternförmige Struktur, in welcher jedes Element PVA, WEA, ABN, EES über eine gesonderte Leitung mit der Zentrale ZEN verbunden ist. Demgegenüber zeigt die alternative Anordnung des Verbundsystems aus Figur 11 eine Reihenschaltung, bei welcher zunächst die einzelnen Energiequellen PVA, WEA, die einzelnen Abnehmer ABN sowie die einzelnen elektromechanischen Energiespeichersysteme EES untereinander verbunden sind. Dabei ist eine Mehrzahl von Quellen PVA, WEA, Abnehmern ABN und Energiespeichern EES jeweils nur über eine einzige zentrale Leitung mit der Zentrale ZEN verbunden.
Die in Figuren 7, 10 und 11 dargestellten erfindungsgemäßen Verbundsysteme sind Wechselstromsysteme, wobei durchaus alternative Ausführungsformen möglich sind, die mit Gleichstrom oder Drehstrom arbeiten. Dabei sind insbesondere Gleichstromsysteme zu erwähnen, da die meisten regenerativen Energiequellen Gleichstrom bereitstellen und zudem größere Entfernungen kostengünstig mit Gleichstrom überbrückt werden können.
Bei der Anforderung von Wechselstrom kann in einer Ausführungsform das elektromechanische Energiespeichersystem als elektromechanischer Wechselrichter wirken. Während beispielsweise Photovoltaikanlagen als regenerative Energiequellen Gleichstrom erzeugen, der dazu verwendet wird, die Speichermassen des elektromechanischen Energiespeichersystems (Fahrgewicht 1 ) mit Hilfe von Gleichstrommotoren anzuheben, können bei der Entnahme von elektrischer Energie aus dem elektromechanischen Energiespeichersystem die Speichermassen einen Wechselstromgenerator betreiben.
In Figur 12 sind drei Leistungszustände A, B, C zu sehen, wobei auf der Abszisse die Zeitabschnitte 0-1 , 0-10 und 0-100 nur Größenordnungen andeuten sollen. In der Graphik A sieht man den zeitlichen Verlauf der abgegebene Leistung W, wie er sich z.B. bei einer Windkraftanlage aufgrund der Schwankungen der Luftbewegungen ergibt. Die stark schwankende Leistungsab- gäbe ist in einem Stromnetz nur schwer verwertbar. Die Einspeisung der erzeugten Leistung stellt den Netzbetreiber vor erhebliche Probleme. Mit einem erfindungsgemäßen Stromspeichersystem, z.B. .wie in Figur 6 gezeigt innerhalb einer Windkraftanlage, kann der zeitlich stark schwankende Kurvenverlauf vorteilhaft geglättet werden (Kurve bei n). Man könnte bei diesem Speichersystem auch von einem Leistungspuffer sprechen, da n weit oberhalb der Null-Leistung liegt. Dies bedeutet, dass die Leistung unterhalb von n als Dauerleistung zu betrachten ist.
Die Grafik B fasst eine Vielzahl von Leistungskurven gemäß Grafik A zusammen, wie sie sich beim Betrieb einer Mehrzahl von Windkraftanlagen mit Speichereinheit gemäß Figur 6 ergibt Die Glättung der Leistungseinspeisung in das Stromnetz wird durch ein Speichersystem gem. Figur 2 erbracht, das rein rechnerisch die Leistung von etwa 100 Windkraftanlagen gemäß Figur 6 zu- sammenfasst und glättet. Die Kurven n-i, n 2 und n 3 sollen verschiedene Bedarfskurven andeuten, auf die das System angesprochen hat und die geliefert werden. Die Graphik C endlich zeigt den Verlauf nach Einsatz von einer Vielzahl von Windkraftanlagen oder anderen Systemen der erneuerbaren Energien und einer Vielzahl von Speichersystemen, wie dies die Figuren 10 und 1 1 für ein umfassendes Großsystem andeuten. Die Einspeisung e- lektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen in das Stromnetz wird durch das erfin- dungsgemäße Verbundsystem im Wesentlichen konstant.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung we- gen verzichtet.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche defi- niert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort "aufweisen" nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel "eine" oder "ein" schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
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