Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speichern und Abgaben von Energie in Energiespeichern, welche beispielsweise zur Netzstabilisierung von elektri schen Energienetzen eingesetzt werden können, sowie eine entsprechende Speicher einrichtung. Gleichzeitig wird eine Schwarzstartfähigkeit eines entsprechenden Spei chersystems gewährleistet.

Aufgrund der immer höheren Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien ist es vor teilhaft, in elektrischen Energienetzen in Zeiten eines erhöhten Stromangebotes elekt rische Energie aus dem Energienetz zu speichern und diese in Zeiten eines reduzierten Stromangebotes wieder in das Energienetz abzugeben, um die Frequenz des Energie netzes zu stabilisieren. Hierzu sind entsprechende Speichersysteme notwendig, wie z.B. Akkumulatoren, Lithium-Ion basierte Energiespeicher oder Redox-Flow Batterien. Einige Speichersysteme wie beispielsweise Redox- Flow- Batterien weisen zwar eine hohe Energiedichte auf, benötigen zum Starten Fremdenergie, da sie auf der Umset zung von Elektrolyten in Zellen beruhen, die in die Zellen gefördert werden müssen. Dies erschwert den Einsatz von solchen Systemen zum Wiederaufbau eines Stromnet zes oder Energienetzes nach einem Blackout. Ansätze, diese Probleme für Redox-Flow- Batteriesysteme zu überwinden, sind bekannt, beispielsweise aus der US 2018/0166725 A1 und der US 2014/0220463 A1.

Nachteile von als bekannt angenommenen Batteriesysteme liegen darin, dass diese entweder externe Hilfsenergie, z.B. aus dem Energienetz oder einer weiteren Back up Batterie benötigen, um den erforderlichen Eigenbedarf dem Batteriesystem zuzuführen, oder die Betriebssysteme des Batteriesystems müssen ständig in einem Standby-Zustand auf Teillast betrieben werden. Im letzteren Fall führt dies dazu, dass der dauerhafte Betrieb von Komponenten des Batteriesystems in Teillast sich negativ auf die Energieeffizienz eines solchen Speichersystems auswirkt und die mechani schen Komponenten zudem zumeist nicht auf schnelle Zustandsänderungen, wie sie beispielsweise zur Netzstabilisierung notwendig sind, sondern auf einen Dauerbetrieb ausgelegt sind, was die Reaktionsfähigkeit und Energieeffizienz eines Batteriesystems bzw. Energiespeichersystems beeinträchtigt. Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Speichern und Abgabe von Energie anzugeben, die es er möglichen, den erforderlichen Energiebedarf zum Schwarzstart eines chemischen Speichersystems bereitzustellen, ohne dass auf externe Hilfsenergie oder zusätzliche Energieerzeugungseinheiten zurückgegriffen werden muss.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merk male in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus wer den die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.

Es wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Speichern und Abgeben von Energie vorgeschlagen, wobei elektrische Energie reversibel in einem Speichersystem gespeichert wird, wobei ein erster Teil der elektrischen Energie als potentielle Energie und ein zweiter Teil in einem chemischen Speicher, insbesondere einer Redox-Flow- Batterie, des Speichersystems chemisch gespeichert wird.

Als chemische Speicher werden Speicher bezeichnet, in denen Energie chemisch reversibel speicherbar ist, und die insbesondere dazu ausgelegt sind, Energie durch Ausbildung chemischer Bindungen in Energieträgern zu speichern und durch ablau fende elektrochemische Reaktionen wieder freizusetzen. Als chemischer Speicher werden bevorzugt galvanische Zellen in der Ausführung als Primär-, Sekundär- oder Brennstoffzelle, Redox-Flow Batterien, Wasserstoffbatterien oder -zellen, Brennstoffzel len in Kombination mit Elektrolyseuren, usw. eingesetzt.

Unter dem Begriff Redox- Flow- Batterie (RFB, (Redox-) Flussbatterie) wird ein che mischer Speicher verstanden, bei dem bei der Speicherung Reaktionspartner reagie ren, die in einem Lösungsmittel in gelöster Form vorliegen. Die Reaktionspartner sind bevorzugt zwei energiespeichernden Elektrolyte, die in zwei getrennten Lösungsmit- tel- Kreisläufen zirkulieren. Die Redox- Flow- Batterie umfasst zumindest eine galvani sche Zelle, in der die chemischen Reaktionen beim Speichern und Abgeben von Ener gie ablaufen. Die Elektrolyte werden außerhalb der Zelle in getrennten Tanks mit dem entsprechenden Lösungsmittel gelagert. Damit ist die Redox- Flow- Batterie mit den Tanks für die Elektrolyte ein chemischer Speicher, bei dem die speicherbare Energie menge und Leistung unabhängig voneinander skaliert werden können. Zwischen den zwei getrennten Kreisläufen in der galvanischen Zelle erfolgt der lonenaustausch mit tels einer Membran, an der der Elektrolyt in dem entsprechenden Lösungsmittel vor beifließt. Die galvanische Zelle ist durch die Membran in zwei Halbzellen geteilt, die durch eine Elektrode abgegrenzt ist. Die Membran ist je nach Zelltyp ein mikroporöser Separator, der alle Ionen passieren lässt, oder eine selektive Anionen- oder Kationen tauschmembran, odereine Größenausschlussmembran, die Polymer zurückhält und kleine Ionen passieren lässt. Die Membran soll die Vermischung der beiden Elektrolyte verhindern. Damit die Elektrolyte durch die galvanische Zelle bzw. in den getrennten Kreisläufen fließen können, benötigen Redox-Flow Batterien beispielsweise eine oder mehrere Pumpen, die die Reaktionspartner in dem Lösungsmittel durch die Kreisläufe fördern. Der Betrieb dieser Pumpen benötigt Energie. Somit sind Redox- Flow- Batterien aus sich heraus nicht Schwarzstartfähig, zum Schwarzstart benötigen sie externe Energie aus einem elektrischen Energienetz oder einer Back up Batterie. Bevorzugt werden folgende Elektrolyte in der Redox- Flow- Batterie eingesetzt: anorganische Io nen basierend auf Vanadium (V), Eisen (Fe), Chrom (Cr), Zink (Zn), Brom (B^), lod O2), und/oder Schwefel (S), insbesondere in Schwefelsäure (H2SO4) und/oder Salzsäure

(HCl), jeweils bevorzugt in wässriger Lösung, gelöst, und/oder organische Moleküle wie beispielsweise Koordinationsverbindungen und organometallische Komplexe, Chinone, Radikale und/oder Polymere, insbesondere gelöst in Butyrolacton (GBL), Acetonitril (ACN), Dimethylacetamid (DMA), und/oder Propylencarbonat (PC), Schwe felsäure (H2SO4), Salzsäure (HCl), Kaliumhydroxid (KOH), Natriumhydroxid (NaOH) und/oder Natriumchlorid (NaCL), insbesondere jeweils in wässriger Lösung.

Unter einem mechanischen Speicher wird ein Energiespeicher verstanden, in dem Energie mechanisch gespeichert wird, beispielsweise durch eine Erhöhung der poten tiellen Energie des mechanischen Speichers. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Anhebung eines Elements relativ zu einem Gravitationsfeld, sodass sich die Lageener gie des Elements erhöht, oder durch die Spannung einer Feder im Hooke'schen Be reich, wodurch sich die in der Feder gespeicherte potentielle Energie erhöht. Mecha nische Speicher erlauben eine zeitlich verzögerte Abgabe der gespeicherten Energie. Weitere Beispiele eines mechanischen Speichers sind Schwungradmassenspeicher, Druckluftspeicher oder Flüssiggasspeicher.

Unter einem Schwarzstart wird das Anfahren eines Speichers verstanden, wenn dies unabhängig vom Stromnetz geschieht. Unter Schwarzstartfähigkeit wird die Fä higkeit des Speichers verstanden, unabhängig vom Stromnetz vom abgeschalteten Zustand ausgehend hochzufahren.

Die potentielle Energie oder Lageenergie beschreibt die Energie eines Körpers in einem physikalischen System, die durch seine Lage in einem Kraftfeld wie einem Gravi tationsfeld, üblicherweise dem der Erde, oder durch seine aktuelle mechanische Kon figuration bestimmt wird. In einem abgeschlossenen System kann die potentielle Energie bei Verschiebung des Körpers, z.B. durch eine Höhenänderung zu- oder ab nehmen. Das Prinzip der mechanischen Energiespeicherung beruht auf der klassi schen Newtonschen Mechanik.

Zur Abgabe der gespeicherten Energie wird die eingespeicherte Energie bei Be darf bevorzugt meistens in elektrische Energie umgewandelt. Idealerweise ist die Energieumwandlung bzw. Energiespeicherung reversibel. Unter einer reversiblen Energiespeicherung versteht man in diesem Zusammenhang, eine flexible umkehrba re Umwandlung von Energieformen ineinander. Reversibel bedeutet also insbesonde re, dass Energie in einem Speicher gespeichert und aus diesem wieder entnommen werden kann.

Bevorzugt sind die eingesetzten Speichersysteme schnell reaktionsfähig und bie ten die Möglichkeit, die potentielle Energie in genügender Menge im mechanischen Speicher vorzuhalten, um eine Schwarzstartfähigkeit des Speichersystems zu gewähr leisten. Diese wird dann beim Schwarzstart zum Starten der Energieentnahme aus oder Energiezufuhr zu dem chemischen Speicher genutzt. Unter Schwarzstart versteht man in diesem Zusammenhang das Aufstarten eines Speichersystems und das Anfah- ren der dazu notwendigen elektronischen und/oder mechanischen Komponenten, wie z.B. Pumpen oder Steuerungseinheiten, so dass das Speichersystem in einen Betriebs zustand versetzt wird, in dem es elektrische Energie abgeben oder aufnehmen kann.

Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die potentielle Energie direkt in elektrische Energie umzuwandeln und diese beispielsweise in ein elektrisches Ener gienetz zur Netzstabilisierung abzugeben. Damit können diese Speichersysteme für die schnelle Netzstabilisierung eines elektrischen Energienetzes, z.B. in der Frequenz haltung, zum Einsatz kommen. Weiterhin ist das Speichersystem schwarzstartfähig, kann also ohne Zuführung von Energie von außen einen Schwarzstart durchführen, so dass ein entsprechendes Speichersystem beispielsweise auch zum Starten eines an deren Verbrauchers, beispielsweise einer Kraftwerksanlage im Falle eines Stromaus falls dienen kann. Alternativ ist es auch möglich, Energie aus einem Energienetz zum Schwarzstart des Speichersystems, insbesondere zum Aufnehmen oder Speichern von Energie, im Speichersystem einzusetzen.

Vorteilhafterweise ist es vorgesehen, dass bei diesem Verfahren die Speicherung und Abgabe von potentieller Energie zumindest zeitweise durch eine Veränderung einer Position des chemischen Speichers relativ zu einem Gravitationsfeld, insbeson dere dem Gravitationsfeld der Erde, erfolgt.

Unter einem Gravitationsfeld wird insbesondere das Schwerkraftfeld der Erde ver standen, falls das Speichersystem auf der Erde eingesetzt wird. Unter der Veränderung einer Position des chemischen Speichers relativ zu einem Gravitationsfeld wird insbe sondere verstanden, dass der chemische Speicher relativ zum dominanten Gravitati onsfeld, insbesondere der Erde, zum Speichern von Energie angehoben und zum Ab geben von Energie abgesenkt wird. In diesem Zusammenhang versteht man insbe sondere die dritte Koordinate, bezeichnet als Höhe, als Position des chemischen Spei chers. Das bedeutet, dass bevorzugt die Lage des chemischen Speichers entlang der dritten Koordinate veränderbar ist.

Somit lässt sich zur schnellen Netzstabilisierung in der Anfangsphase der Leis tungsanforderung die notwendige elektrische Energie durch die Veränderung der Lageenergie des chemischen Speichersystems erzeugen, beispielsweise indem durch die Lageänderung ein Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie angetrieben wird. Erst bei längerdauernden Leistungsanforderungen wird auf die im chemischen Speicher gespeicherte Energie zurückgegriffen und diese in elektrische Energie um gewandelt.

Somit ist es möglich, den chemischen Speicher in Zeiten, in denen elektrische Energie gespeichert wird, in eine bestimmte Position anzuheben, bis eine erforderliche potentielle Energie reversibel gespeichert ist, die die Abgabe einer vorgebbaren Men ge Energie ermöglicht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sieht das Verfahren vor, dass das chemi sche Speichersystem in einem ersten Betriebszustand, in dem es elektrische Energie abgibt oder aufnimmt und in einem zweiten Betriebszustand, in dem es keine elektri sche Energie abgibt oder aufnimmt, betreibbar ist, wobei zum Übergang aus dem zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand eine Startenergie zum Aktivie ren des chemischen Speichers aufgebracht wird.

Unter dem zweiten Betriebszustand wird insbesondere auch der Betriebszustand verstanden, in dem keine Speicherung oder Aufnahme von Energie im chemischen Speicher erfolgt, das Speichersystem also ruht. Insbesondere für eine schnelle Netz stabilisierung und zur Schwarzstartermöglichung ist es vorteilhaft möglich, die poten tielle Energie und insbesondere die Position des chemischen Speichers über die Zeit innerhalb eine gewisse Höhenbereich so zu verändern, dass eine ausreichende poten tielle Energie als Startenergie für den Schwarzstart des chemischen Speichers zur Ver fügung steht. Dies kann durch eine einmalige Bewegung geschehen oder durch eine sequenzielle Bewegung des chemischen Speichers, beispielsweise durch eine ent sprechende Hebevorrichtung, bis die potentielle Energie ausreicht, die erforderliche Startenergie aufzubringen. Somit ist es möglich, eigentlich nicht Schwarzstartfähige Systeme wie beispielsweise eine Redox- Flow- Batterie Schwarzstartfähig einsetzen zu können. Gleichzeitig wird vorteilhaft die Masse des chemischen Speichers als Teil des mechanischen Speichers eingesetzt, in dem der chemische Speicher selbst angeho ben oder abgesenkt wird. Somit ist es nicht notwendig, den chemischen Speicher dauerhaft in Teillast be treiben zu müssen, um auf Leistungsanforderungen flexibel reagieren zu können. Durch Vermeiden des dauerhaften Betriebs von mechanischen Komponenten in Teil last wird die Energieeffizienz eines solchen Speichersystems erhöht. Des Weiteren ist es dadurch vorteilhaft möglich, die mechanischen Komponenten wie beispielsweise Pumpen, insbesondere Kreiselpumpen und/oder Membranpumpen, Ventile oder ähn liches des Speichersystems nicht auf schnelle Zustandsänderungen auszulegen und so die Nutzbarkeit z.B. in der Netzstabilisierung weiter zu erhöhen.

Gemäß einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Ver änderung der Position des chemischen Speichers relativ zu einem Gravitationsfeld durch eine Hebevorrichtung. Durch die Hebevorrichtung kann also der chemische Speicher zur Speicherung von Energie relativ zu einer Nullposition angehoben oder zur Abgabe von Energie abgesenkt werden. Durch die Umwandlung von potentieller Energie in elektrische Energie ist das chemischen Speichersystem vorteilhaft in der Lage, mit dieser im mechanischen Speicher gespeicherten Energie im Fall eines Schwarzstartes den chemischen Speicher aufzustarten und zum anderen direkt die im mechanischen Speicher gespeicherte Energie als elektrische Energie abzugeben und dadurch aufgrund der Schnelligkeit der Abgabe zur Netzstabilisierung eines elektri schen Energienetzes beitragen zu können.

Vorteilhaft ist die Hebevorrichtung so ausgebildet, dass der chemische Speicher auf verschiedenen, insbesondere vorgebbaren, Höhen positioniert werden kann. Be vorzugt ist die Hebevorrichtung als eine Art Hebebühne ausgebildet, auf der der che mische Speicher angebracht ist. Durch die Hebevorrichtung ist es einfach möglich, die potentielle Energie durch eine Veränderung der Position des chemischen Speichers zu verändern und durch Vorhalten der erforderlichen Startenergie das Aufstarten des chemischen Speichers zu ermöglichen. Bevorzugt wird der chemische Speicher auf einer Höhe gehalten, die es ermöglicht, einen Schwarzstart des chemischen Speichers zu ermöglichen. Wird mehr potentielle Energie im mechanischen Speicher gespei chert, dann kann diese durch eine direkte Umwandlung in elektrische Energie, bei spielsweise durch Antrieb eines elektrischen Generators, direkt in das elektrische Energienetz abgegeben werden, beispielsweise zur Netzstabilisierung, und trotzdem die Schwarzstartfähigkeit erhalten bleiben.

Bevorzugt wird die potentielle Energie, insbesondere über zumindest einen Gene rator und/oder zumindest einen Elektromotor, in elektrische Energie umgewandelt, welche zum Antreiben der mechanischen und/oder elektronischen Komponenten des chemischen Speichersystems verwendet werden kann. Die erzeugte elektrische Ener gie kann gleichzeitig auch zum Hochfahren weiterer parallel-laufender Verbraucher mit Energieanforderung verwendet werden. Hierbei wird ein Elektromotor extern me chanisch angetrieben und erzeugt dadurch elektrische Spannung, die zum Betreiben von anderen Aggregaten benutzt werden kann.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Speichersys tem zum Speichern und Abgeben von Energie vorgeschlagen, indem elektrische Energie reversibel speicherbar ist, mit einem mechanischen Speicher und einem che mischen Speicher, insbesondere einer Redox- Flow- Batterie, wobei ein erster Teil der elektrischen Energie als potentielle Energie in dem mechanischen Speicher und ein zweiter Teil in dem chemischen Speicher des Speichersystems speicherbar ist.

Vorteilhaft ist das Speichersystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens geeignet und bestimmt.

Bevorzugt ist das Speichersystem durch den mechanischen Speicher zur Speiche rung und Abgabe von potentieller Energie derart ausgebildet, dass zumindest zeitwei se die Position des chemischen Speichers relativ zu einem Gravitationsfeld veränder bar ist.

In einer vorteilhafter Ausführungsform ist das Speichersystem in einem ersten Be triebszustand betreibbar, in dem es elektrische Energie abgibt oder aufnimmt und in einem zweiten Betriebszustand, in dem es keine elektrische Energie abgibt oder auf nimmt, wobei zum Übergang aus dem zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebs zustand eine Startenergie zum Aktivieren des chemischen Speichersystems nötig ist, die durch die Umwandlung von potentieller Energie aus dem mechanischen Speicher in elektrische Energie aufbringbar ist. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Speichersystem weiterhin mindes tens eines der folgenden Elemente: einen Generator und einen Elektromotor zur Um wandlung von potentieller Energie in elektrische Energie. So ist es beispielsweise möglich, eine Hebevorrichtung grundsätzlich bei der Speicherung von Energie im me chanischen Speicher über einen Elektromotor zu verstellen, insbesondere anzuheben und dann im Falle der Abgabe durch die Hebevorrichtung den Elektromotor anzutrei ben, der wiederum elektrische Spannung liefert. Bevorzugt ist grundsätzlich zur Um wandlung von potentieller Energie in elektrische Energie der mechanische Speicher mit dem Generator und/oder dem Elektromotor verbunden.

Vorteilhaft weist der mechanische Speicher des Speichersystems eine Hebevor richtung, insbesondere eine hydraulische Hebevorrichtung, zur Änderung der Lage, insbesondere der Höhe, des chemischen Speichers auf. Vorteilhaft ist die Hebevorrich tung so ausgebildet, dass der chemische Speicher auf verschiedenen Höhen positio nierbar ist. Bevorzugt ist die Hebevorrichtung als eine Art Hebebühne ausgebildet, auf der der chemische Speicher angebracht ist.

Durch die Ausbildung der Hebevorrichtung ist es einfach möglich, in Abhängig keit von der der Menge an erforderlicher Startenergie die potentielle Energie durch eine Veränderung der Position des chemischen Speichers zu verändern und den Schwarzstart des chemischen Speichers zu ermöglichen. Dadurch, dass im Regelbe trieb stets eine Menge an potentieller Energie gespeichert wird, die größer als die Star tenergie ist, ist jederzeit ein Schwarzstart des Speichersystems möglich. Wird mehr potentielle Energie als die Startenergie im mechanischen Speicher gespeichert, dann kann diese durch eine direkte Umwandlung in elektrische Energie, beispielsweise durch Antrieb eines elektrischen Generators, direkt in das elektrische Energienetz ab gegeben werden, beispielsweise zur Netzstabilisierung.

Alternativ oder zusätzlich umfasst der mechanische Speicher mindestens eines der folgenden Elemente: einen Seilzug, eine Feder, einen pneumatischen Zylinder in Kombination mit einem Druckmediumreservoir, einen hydraulischen Zylinder in Kom bination mit einem Reservoir. Alternativ ist es auch bevorzugt, nur Teile des chemi schen Speichers durch die Hebevorrichtung anheben und absenken zu lassen, bei- spielsweise nur die Elektrolyttanks im Falle einer Redox- Flow- Batterie als chemischen Speicher.

Das chemische Speichersystem ist also beispielsweise an ein Seilzug aufgehängt, welcher mit einem Generator und/odereinem Elektromotorsoverbunden ist, dass beim Herablassen des chemischen Speichers von einer bestimmten Höhe der Genera tor und/oder Elektromotor durch das Zugseil aktiviert (gedreht) und die potentielle Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.

In einerweiteren Ausführungsform ist die Hebevorrichtung eine hydraulische He bevorrichtung. Die Anhebung durch eine hydraulische Hebevorrichtung erfolgt durch Aktivierung eine hydraulische Pumpe. Insbesondere bei einem chemischen Speicher, der als Redox- Flow- Batterie ausgebildet ist, wird beim Herablassen des chemischen Speichersystems die potentielle Energie durch einen Generator und/oder Elektromotor in elektrische Energie umgewandelt und durch diese eine oder mehrere Pumpen an getrieben, die die Redox- Flow- Batterie mit Elektrolyten versorgen, so dass das Spei chersystem Schwarzstartfähig ist.

Vorteilhaft kann die Verbindung zwischen Hebevorrichtung und dem Generator und/oder Elektromotor durch andere mechanische Komponenten/Lösungen herge stellt werden, wie z.B. eine Feder, ein Hydrauliksystem mit hydraulischem Zylinder und einem entsprechenden Reservoir für ein Hydraulikmedium und/odereinem Pneuma tik-System mit einem pneumatischen Zylinder und einem entsprechenden Reservoir für ein Pneumatikmedium, insbesondere Luft.

Vorteilhaft umfasst der chemische Speicher mindestens eines der folgenden Ele mente: eine Redox-Flow Batterie, eine Lithium-Ionen Batterie, eine Natrium-Schwefel Batterie und eine Brennstoffzelle zur Wasserstoff-Rückverstromung. Brennstoffzellen mit Wasserstoff Rückverstromung sind eine Art Energiespeicher, die die Elektrizität in Form von Wasserstoff Zwischenspeichern und diesen zu einem späteren Zeitpunkt wieder durch die Brennstoffzelle rückverstromen, also durch die Brennstoffzelle elekt rische Energie erzeugen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Speichersys tem weiterhin eine Regelungseinheit, die insbesondere die Stoffströme und dabei ins- besondere Pumpen zur Förderung von Reaktanden/Elektrolyten, Temperaturen, und/oder die Speicherung oder Abgabe von potentieller Energie im oder aus dem me chanischen Speicher, insbesondere durch ein Anheben oder Absenken des chemi schen Speichers, regelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung wer den bevorzugt zur Stabilisierung der Netzfrequenz eines Energienetzes verwendet werden.

In vorteilhafter Weise ist die Vorrichtung in direkter Kombination mit einer Wind kraftanlage ausgebildet, beispielsweise direkt im Fuß (z.B. innerhalb der unteren 10 Meter) innerhalb des Turms der Windkraftanlage integriert. So wird die vorhandene Grundfläche sowie ein Teil des Turms der Windkraftanlage genutzt, um die Vorrich tung vor Umwelteinflüssen zu schützen. Damit wird die Stabilität des Turms vorteilhaft nicht beeinflusst, da die Vorrichtung nur auf einem Bruchteil der Gesamthöhe des Turms installiert werden kann. Auch eine höhere Positionierung ist denkbar, die dann beispielsweise bei einer Sturmwarnung abgesenkt werden kann, um den Schwer punkt der Windkraftanlage in Richtung Erdboden zu verlagern. So kann die Vorrich tung direkt zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt werden, die lokal in der Windkraftanlage erzeugt wird. Die Windkraftanlage ist, unabhängig von der erfin dungsgemäßen Vorrichtung, mit dem elektrischen Energienetz verbunden, so dass eine einfache Anbindung der Vorrichtung an das elektrische Energienetz unter Aus nutzung der bestehenden Anbindung der Windkraftanlage möglich ist. Alternativ kann eine Ausbildung beispielsweise auch in ausgedienten Minenschächten oder in Tür men erfolgen. Alternativ ist auch eine Ausgestaltung, bei der der mechanische Spei chereinen Wagen, beispielsweise eine Lore, umfasst, der von einem Elektromo tor/Generator, beispielsweise übereinen Seilzug, eine schiefe Ebene zum Speichern von Energie hinaufgezogen und zum Abgeben von Energie abgelassen wird.

Die Erfindung, sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Fi guren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeig ten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuter ten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnis- sen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Beispiel eines Speichersystems; Fig. 2 ein zweites Beispiel eines Speichersystems; Fig. 3 ein erstes Beispiel einer Verfahrensführung mit unterschiedlichen Posi tionen eines chemischen Speichers;

Fig. 4 die gespeicherte potentielle Energie im ersten Beispiel der Verfahrens führung;

Fig. 5 ein zweites Beispiel einer Verfahrensführung mit unterschiedlichen Posi- tionen eines chemischen Speichers;

Fig. 6 die gespeicherte potentielle Energie im zweiten Beispiel der Verfahrens führung; und

Fig. 7 einen Entscheidungsbaum eines Beispiels einer Verfahrensführung zur Speicherung von elektrischer Energie im Speichersystem. Fig. 1 zeigt schematisch ein Speichersystem 1 zum Speichern und Abgeben von

Energie, in dem elektrische Energie reversibel speicherbar ist. Das Speichersystem 1 umfasst einen chemischen Speicher 3, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus drei Redox- Flow- Batterien 2 aufgebaut ist mit jeweils einer oder mehreren galvani schen Zellen und entsprechenden Aggregaten wie Pumpen, die der Förderung von Reaktionspartnern in eine galvanische Zelle der jeweiligen Redox- Flow- Batterie 3 die nen, sowie entsprechende Speicher für die Reaktionspartner, Elektrolyten und Lö sungsmittel, aufgebaut ist.

Das Speichersystem 1 umfasst weiterhin einen mechanischen Speicher 4. Der me chanische Speicher 4 umfasst im ersten Beispiel einen Seilzug 5, einen Elektromo- tor/Generator 6 und eine Halterung 7, auf der die Redox-Flow Batterien 3 befestigt sind. Der Seilzug 5 ist einerseits an der Halterung 6 befestigt und andererseits am Elektromotor/Generator 6. Der Elektromotor/Generator 6 kann als Elektromotor betrie ben werden, der den Seilzug 5 aufwickelt und als Generator, der vom ablaufenden Seilzug 5 angetrieben wird. Durch das Aufwickeln und Ablaufen des Seilzugs 5 wird die potentielle Energie des mechanischen Speichers 4 verändert, da die Halterung 7 und mit ihr das chemische System 3 relativ zum und im Gravitationsfeld der Erde an gehoben und abgesenkt wird. So kann im Speicherfall elektrische Energie im mecha nischen Speicher 4 gespeichert werden, in dem durch die Betätigung des Elektromo tors/Generators 6 als Elektromotor der Seilzug aufgewickelt und dadurch die Halte rung 7 angehoben wird. Soll nun mechanische Energie aus dem mechanischen Spei cher 4 abgegeben werden, wird der Seilzug 5 mit der Halterung 7 zum Antreiben des als Generator arbeitenden Elektromotors/Generators 6 eingesetzt, so dass der Elekt romotor/Generator 6 elektrische Energie abgibt.

Gleichzeitig kann Energie chemisch im chemischen Speicher 3 gespeichert wer den. Ist nun das Speichersystem 1 mit einem elektrischen Energienetz verbunden, kann so das Speichersystem 1 zum reversiblen Speichern von Energie genutzt wer den. Die im Speichersystem 1 gespeicherte Energie kann beispielsweise zur Netzstabi lisierung des elektrischen Energienetzes eingesetzt werden, indem beispielsweise die im Abgabefall des mechanischen Speichers 4 im Elektromotor/Generator 6 erzeugte elektrische Energie in das Energienetz eingespeist wird. So kann die Netzfrequenz des elektrischen Energienetzes erhöht werden, um sie im Bereich der Sollfrequenz des entsprechenden Energienetzes zu halten. Durch den Einsatz der in dem mechani schen Speicher 4 gespeicherten Energie zur Netzstabilisierung kann so schnell auf die Netzfrequenz Einfluss genommen werden.

Im Speicherfall kann die elektrische Energie einerseits dazu genutzt werden, die potentielle Energie im mechanischen Speicher 4 durch Aufrollen des Seilzugs 5 und damit Anheben der Halterung 6 und der Redox- Flow- Batterien 3 zu erhöhen und ande rerseits kann die Energie chemisch im chemischen Speicher 3 gespeichert werden. Im Realfall ist ein großer Teil der gespeicherten Energie im chemischen Speicher 3 ge speichert und nur ein geringer Teil im mechanischen Speicher 4.

Redox-Flow-Batterien 2 können in einem ersten Betriebszustand betrieben wer den, in dem sie Energie abgeben oder aufnehmen und in einem zweiten Betriebszu stand, in dem sie keine Energie abgeben und keine Energie speichern. Zum Übergang vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand zur Abgabe oder Aufnah- me von Energie ist es notwendig, eine Startenergie in die Redox- Flow- Batterie 2 einzu bringen, die ausreichend ist, die Redox- Flow- Batterien 2 in einen betriebsbereiten Zu stand zu versetzen. Dies umfasst z.B. das Anfahren der entsprechenden Pumpen und der entsprechenden Regelung und ggf. auch die Temperierung, wenn die Umge bungstemperatur der Redox- Flow- Batterien 2 ungünstig ist. Hier wird die potentielle Energie, die im mechanischen Speicher 4 gespeichert ist, zum Aufbringen dieser Star tenergie genutzt, indem beispielsweise die im Abgabefall des mechanischen Spei chers 4 im Elektromotor/Generator 6 erzeugte elektrische Energie zum Antreiben der entsprechenden Pumpen genutzt wird. Seilzug 5, Elektromotor/Generator 6 und ge gebenenfalls die Halterung 7 können gemeinsam als Hebevorrichtung 8 verstanden werden.

In einem einfachen Bespiel wird ein einzelnes Redox-Flow Batteriemodul - eine Redox- Flow- Batterie 2 - betrachtet. Dieser chemische Speicher s mit beispielsweise einem Gewicht von 2.700 kg [Kilogramm] erzeugt beim Absenken um 10 m [Meter] beispielsweise eine Energie von ca. 0.074 kWh [Kilowattstunden] durch die abgege bene potentielle Energie. Wenn der chemische Speicher 3 innerhalb von 30 s [Sekun den] über die genannten 10 m bewegt wird, wird eine Leistung von 8,8 kW [Kilowatt] erzeugt. Bei beispielsweise einem Startenergiebedarf von 500 W [Watt] kann der me chanische Speicher 4 in diesem Beispiel die die Startenergie für 9 Minuten bereitstel len, so dass das Speichersystem 1 Schwarzstartfähig ist.

Fig. 2 zeigt schematisch ein zweites Beispiel eines Speichersystems 1. Hier sollen nur die Unterschiede zum ersten Beispiel des Speichersystems 1 beschrieben werden, ansonsten wird auf die obige Beschreibung zum ersten Beispiel verwiesen. Hier um fasst der mechanische Speicher 4 eine hydraulische Hebevorrichtung 8, durch welche die Halterung 7 angehoben und abgesenkt werden kann. Die hydraulische Hebevor richtung 8 umfasst zwei hydraulische Zylinder 9, die durch eine Erhöhung des Drucks eines Hydraulikmediums in dem jeweiligen Zylinder 9 ein Ausfahren von Kolben 10 der Zylinder 9 bewirkt, während eine Absenkung des Drucks im Zylinder 9 ein Einfah ren des Kolbens 10 des Zylinders bewirkt, sodass die Halterung 7 mit den Redox-Flow- Batterien 2 angehoben und abgesenkt werden kann, wodurch sich die potentielle Energie im mechanischen Speicher 4 erhöht oder erniedrigt. Der hydraulische Druck in den Zylindern 10 wird dabei durch eine Hydraulikpum pe 11 beeinflusst, durch die Hydraulikmedium in die Zylinder 10 gefördert werden kann. Die Hydraulikpumpe 11 wird im Falle der Speicherung von potentieller Energie, also dem Anheben der Halterung 7 durch die Hebevorrichtung 8, durch einen Elekt romotor/Generator 6 angetrieben. Im Abgabefall, also beim Absenken der Halterung 7, treibt das rückströmende Hydraulikmedium die Hydraulikpumpe 11 und damit den Elektromotor/Generator 6 zur Erzeugung von elektrischer Energie an.

Fig. 3 zeigt ein erstes Beispiel einer Verfahrensführung mit unterschiedlichen Posi tionen h, hier Höhen h in willkürlichen Einheiten eines chemischen Speichers 3 gemäß dem oben beschriebenen ersten und zweiten Beispiel eines Speichersystems 1, Fig. 4 zeigt die entsprechend gespeicherte potentielle Energie E in willkürlichen Einheiten im mechanischen Speicher 4, jeweils gegen die Zeit t. Der mechanische Speicher 4 weist bauartbedingt eine minimale Höhe 12 und eine maximale Höhe 13 auf. Gezeigt wer den Beispiele, bei denen die Halterung 7 zunächst eine erste Höhe 14 aufweist, dann unter Abgabe von Energie auf eine zweite Höhe 15 abgesenkt wird, dann auf eine drit te Höhe 16, die der maximalen Höhe 13 entspricht, unter Speicherung von Energie angehoben wird und dann in eine vierte Höhe 17, die der minimalen Höhe 12 ent spricht, abgesenkt wird. Dies entspricht einem Energieverlauf wie in Fig. 4 angegeben. Der mechanische Speicher 4 weist also eine erste potentielle Energie 18 auf, wenn die Halterung 7 auf der ersten Höhe 14 ist, die sich auf eine zweite potentielle Energie 19 reduziert, wenn die Halterung 7 und damit der chemische Speicher 3 auf die zweite Höhe 15 abgesenkt wird. Hierdurch wird eine erste Energiedifferenz 20 freigegeben und kann entweder zum Schwarzstart des chemischen Speichers 4 oder zur Abgabe in das elektrische Energienetz genutzt werden. Beim Anheben der Halterung 7 auf die dritte Höhe 16 wird eine zweite Energiedifferenz 22 im mechanischen Speicher 4 ge speichert. Beim Absenken auf die vierte Höhe 17 wird die Energie im mechanischen Speicher 4 auf eine vierte potentielle Energie 23 abgesenkt und dabei eine dritte Energiedifferenz 24 freigegeben, die entweder als elektrische Energie in das elektri sche Energienetz eingespeist werden kann oder die zum Schwarzstart des chemi schen Speichers 3 genutzt werden kann. Weiterhin zeigt Fig. 4 eine Startenergie 25, die notwendig ist, um den chemischen Speicher 3 schwarz zu starten. Wird also die potentielle Energie E im mechanischen Speicher 4 in einen schraffiert gezeigten Be reich 26 geführt, so reicht die im mechanischen Speicher 4 gespeicherte Energie nicht mehr für den Schwarzstart des chemischen Speichers 3 aus.

Fig. 5 und 6 zeigen analog ein zweites Beispiel der Verfahrensführung. Um Wie derholungen zu vermeiden, wird deshalb auf die Beschreibung zu Fig. 3 und 4 verwie sen, hier werden nur die Unterschiede erläutert. Im Unterschied zum ersten Beispiel sind die Höhenunterschiede zwischen einer fünften Höhe 27, einer sechsten Höhe 28, einer siebten Höhe 29 und einer achten Höhe 30 der Halterung 7 und damit des che mischen Speichers 3 kleiner, sodass die abgegebenen und aufgenommenen Energie differenzen kleiner sind. Fig. 6 zeigt erneut die entsprechende potentielle Energie E des mechanischen Speichers 4, wobei eine fünfte potentielle Energie 31 der fünften Höhe 27, eine sechste potentielle Energie 32 der sechsten Höhe 28, eine siebte poten tielle Energie 33 der siebten Höhe 29 und eine achte potentielle Energie 34 der achten Höhe 30 der Halterung 7 und damit des chemischen Speichers 3 entspricht. Der Über sichtlichkeit halber ist nur eine beispielhafte Energiedifferenz 35 angegeben, die beim Absenken des chemischen Speichers von der siebten Höhe 29 auf die achte Höhe 30 freigesetzt wird.

Das zweite Beispiel zeigt den Einsatz des Verfahrens und des Speichersystems 1 zur Stabilisierung der Netzfrequenz eines angeschlossenen elektrischen Versor gungsnetzes. Hierbei werden immer wieder bei zu hoher Netzfrequenz kleinere Ener giemengen im mechanischen Speicher 4 gespeichert, beispielsweise beim Anheben des chemischen Speichers 3 von der sechsten Höhe 28 auf die siebte Höhe 29 oder bei zu niedriger Netzfrequenz aus dem mechanischen Speicher 4 in das elektrische Energienetz abgegeben, beispielsweise beim Absenken des chemischen Speichers 4 von der siebten Höhe 29 auf die achte Höhe 30. Die Umsetzung der Energiedifferenz 34 erfolgt schnell sowohl im Speicher- als auch im Abgabefall, sodass das Speichersys tem 1 zur Netzstabilisierung eingesetzt werden kann.

Fig. 7 zeigt einen Entscheidungsbaum 36 eines Beispiels einer Verfahrensführung zur Speicherung von elektrischer Energie im Speichersystem 1. Hierbei liegt zu einem Zeitpunkt i, also bei t=i, eine Leistungsanforderung P vor, die größer als null ist, das heißt, das Speichersystem 1 muss Energie E abgegeben. Hierbei wird zunächst in ei- ner ersten Prüfung 37 geprüft, ob die im mechanischen Speicher 4 gespeicherte po tentielle Energie E größer als die Startenergie 25 ist. Wenn dies nicht der Fall ist, erfolg te eine Leistungsabgabe 38 aus dem chemischen Speicher 3. Ist dies der Fall wird in einer zweiten Prüfung 39 geprüft, ob die Leistungsanforderung P kleiner als ein vor gegebener Leistungsgrenzwert ist. Ist dies nicht der Fall, ist also die Leistungsanforde rung P größer als der vorgegebene Leistungsgrenzwert, erfolgt eine Leistungsabgabe 40 aus dem chemischen Speicher 3. Ist die Leistungsanforderung P kleiner als der Leistungsgrenzwert, so erfolgt eine Leistungsabgabe 41 aus dem mechanischen Speicher 4. Hierbei wird der Leistungsgrenzwert so gewählt, dass dann, wenn die Leis tungsanforderung P kleiner als der Leistungsgrenzwert ist, von einer Netzstabilisierung ausgegangen werden kann und/oder die Leistungsanforderung P kleiner als ein vor- gebbarer Effizienzgrenzwert ist, bei dessen Unterschreitung Energie nur sehr ineffi zient aus dem chemischen Speicher 3 abgegeben werden kann, die rein aus dem me chanischen Speicher 4 bedient werden kann. Identische Entscheidungsbäume 36 werden auch zu Zeitpunkten i+1 und weiteren Zeitpunkten durchgeführt.

Das Speichersystem 1 und das entsprechende Verfahren zum Speichern und Ab geben von Energie vereinfachen die Nutzung von grundsätzlich nicht Schwarzstartfä higen chemischen Speichern 3 wie insbesondere Redox- Flow- Batterien 2 sowohl zum Einsatz zur Netzstabilisierung von elektrischen Energienetzen als auch als eigenkaltfä hige Speichersysteme 1, da Energie, beispielsweise die zum Schwarzstart des chemi schen Speichers 3 erforderliche Startenergie 25 odereine kleinere Energiemenge zur Netzstabilisierung aus dem mechanischen Speicher 4 entnehmbar ist. Das bevorzugte Beispiel eines solchen mechanischen Speichers 4 umfasst eine Halterung 7 für den chemischen Speicher 3, dessen Höhe h zum Speichern von Energie erhöht und zum Abgeben von Energie abgesenkt wird. Durch eine entsprechende Kopplung mit einem Elektromotor/Generator 6, beispielsweise übereinen Seilzug 5, kann so elektrische Energie erzeugt oder gespeichert werden. Bezugszeichenliste

1 Speichersystem

2 Redox- Flow- Batterie

3 chemischer Speicher

4 mechanischer Speicher

5 Seilzug

6 Elektromotor/Generator

7 Halterung

8 Hebevorrichtung

9 hydraulischer Zylinder

10 Kolben

11 Hydraulikpumpe

12 minimale Höhe

13 maximale Höhe

14 erste Höhe

15 zweite Höhe

16 dritte Höhe

17 vierte Höhe

18 erste potentielle Energie

19 zweite potentielle Energie

20 erste Energiedifferenz

21 dritte potentielle Energie

22 zweite Energiedifferenz

23 dritte potentielle Energie

24 dritte Energiedifferenz

25 Startenergie

26 schraffierter Bereich

27 fünfte Höhe

28 sechste Höhe

29 siebte Höhe

30 achte Höhe 31 fünfte potentielle Energie

32 sechste potentielle Energie

33 siebte potentielle Energie

34 achte potentielle Energie 35 Energiedifferenz

36 Entscheidungsbaum

37 erste Prüfung

38 Leistungsabgabe

39 zweite Prüfung 40 Leistungsabgabe

41 Leistungsabgabe

E potentielle Energie h Höhe, Position i Zeitpunkt i+1 Zeitpunkt

P Leistungsanforderung t Zeit