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Title:
DESIGN OF INTEGRATED STORAGE AND FREQUENCY TECHNOLOGY IN WIND AND SOLAR FARMS OR IN GRID SECTIONS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/181166
Kind Code:
A1
Abstract:
The energy transition necessitates an expansion of storage capacities. Solar and wind energy are available in abundance, but not at all times. Power generation depends on the weather, the time of day and the season. In order to secure the supply when there is no wind and the sky is cloudy, the energy generated on sunny and windy days must be stored. A wide range of storage facilities is available. One of the cleanest options is provided by pumped-storage power plants, which achieve high efficiency rates and operate 100% regeneratively, specifically with river water. The disadvantage is that they cannot be operated everywhere, because they are dependent on rivers and streams and have strict geological requirements. A variant as a "town" storage facility is described in the laid-open application DE 102019 121 603 A1. The application presented here, no. 20 2020 001 013, describes a special feature of the water turbine drive. The drive of the special feature is partially dissociated from the water turbine drive by a geodetic height. The special feature is expediently designated as a "bivalent current pump". The drive motor and also the geodetic water column build up the water pressure, by constantly alternating, in order to drive the water wheel, i.e. bivalently. The laws governing the behaviour of the centrifugal pump depending on the speed, e.g. Q.1 = Qx (n1/n)2, play a crucial role. With regard to the efficiency rate, this is only slightly lower than in an expanded pumped-storage power plant. The head and the power change as a square or cube of the speed. The general pump formula bivalently determines the proportion of the electric motor power relative to the changing geodetic height of the water level between the current pump and the elevated storage facility. This interaction of the elevated and lower storage facilities and a "current pump" results in a pumped-storage "town" power plant which is dissociated from all geological conditions. This is fully autonomous, due to a single filling with water, and 100% regenerative. Thus the water turbine wheel is no longer driven solely by a waterfall, but by a "current pump" which processes the waterfall and drive current bivalently.

Inventors:
KRECHER JOHANNES JOSEPH (DE)
Application Number:
PCT/IB2021/020013
Publication Date:
September 16, 2021
Filing Date:
March 11, 2021
Export Citation:
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Assignee:
KRECHER JOHANNES JOSEPH (DE)
International Classes:
F03B1/00; E02B9/00; F03B13/06
Foreign References:
AT6970U22004-06-25
FR2371585A11978-06-16
DE102019121603A12020-02-13
DE102011052873A12012-10-25
DE102019121603A12020-02-13
DE202020001013U12020-11-13
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Claims:
Ansprüche

1) Ein nach dem hydraulischen System arbeitendes, regeneratives Pump - Speicher - Stadt - Kraftwerk, welches als Synchronmaschine, kombiniert mit einer Kaltwasser- Hoch und Tief - Speicher - Einheit, volatilen Strom aus Wind - Solar - und Biogas Anlagen , durch physikalische Umwandlung in Regeienergie umsetzt, umfassend aus eine Sondereinheit bestehend mit Bivalenz - Strom - Pumpen mit Wasserdüsen, Wasserturbine und Generator , als wesentliches Merkmal.

2) Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch betriebene Antrieb der Bivalenten Strompumpe von einer Speichereinheit aus Hoch und Tief - Speicher versorgt wird mit Speicherwasser als Betriebsstoff ,mit einer rechnerisch festzulegenden geodätischen Höhe des Hochspeichers.

3) Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bivalente Strompumpe .allumfassend, zum Antrieb elektrischen Strom mengenmäßig entnimmt a) aus dem allgemeinen Netz oder b) aus einem Wind bzw. aus einem Pv. Park. Immer im Verhältnis zur geodätischen Höhe des Wasserstandes im Hochspeicher.

4) Anspruch 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet ,dass die Bivalente Strompumpe, allumfassend, an ihrem Austritt einen konstanten Wasser Druck erzeugt, der mit der erforderlichen Antriebsleistung des Wasserturbinenrades übereinstimmt.

5) Kennzeichnende Merkmale der Ansprüche 1 bis 4, entstehen aus der mathematischen Pumpenformel zur Auslegung der Bivalenten Strompumpe, allumfassend, bezogen auf die erforderliche Antriebsleistung des Wasserturbinenrades. Sowie die Gesetze über das Verhalten von Kreiselpumpen, bei der sich die Förderhöhe und die Leistung quadratisch, bzw. mit der 3. Potenz ändern.

6) Anspruch 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserturbinenrad unabhängig seiner erforderlichen Größe und Festigkeit , mit einer zusätzlichen , in die Festigkeitsrechnung einzubeziehende Masse versehen werden kann, sollte das für eine stabile Drehfrequenz im Sinne des geforderten Sollwertes der Netzstromfrequenz erforderlich sein.

7) Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Sondereinheit vervielfacht , allumfassend, Anwendung findet um die Leistung des regenerativen Pump - Speicher - Stadt - Kraftwerk den Bedürfnissen des Netzstrom Betreibers, als auch des Netzstrom Abnehmers gerecht zu werden.

Description:
Konzept einer integrierten Speicher- und Frequenztechnik in Wind-und Solar-Parks oder in Netz-Abschnitten

Stand der Technik

Die Energiewende verändert die Stromversorgung in Deutschland und Europa grundlegend. Marktteilnehmer und Netzbetreiber müssen neuen Anforderungen gerecht werden, um die sogenannten Systemdienstleistungen für einen stabilen Betrieb des Stromversorgungssystems zu erbringen. Systemdienstleistungen dienen zur Frequenzhaltung, Spannungshaltung, Versorgungswideraufbau und Betriebsführung. Ein wichtiges Produkt zur Frequenzhaltung, ist die Regelleistung. Die Regeileistung benötigt ein Elektrizitätsnetz, um Ungleichgewichte zwischen ein- und Ausspeisungen auszugleichen. Sie bringt die Netzfrequenz wieder auf ihren Sollwert. Eine wichtige Maßnahme zur Spannungshaltung ist die Bereitstellung von Blindleistung. Traditionell wurden diese zentralen Systemdienstleistungen durch konventionelle Kraftwerke bereitgestellt. Da diese konventionellen Kraftwerke nach und nach wegfallen, entfällt auch ein entscheidender Faktor weg, der die beiden Systeme konventionell- und regenerativ unterscheidet. Die konventionellen Kraftwerke bewegen große Massenkräfte, wie Turbinen und Generatoren. Mit diesen Schwungmassen, lässt sich die Stromfrequenz von 50 Hz in Deutschland gut regeln auf ihren Sollwert. Anders ist es bei den dezentralen, regenerativen Energien, die wenige bis gar keine Massenkräfte aufweisen und dadurch einen volatilen Strom erzeugen. Dies gilt im Übertragungsnetz ebenso wie im Verteilernetz. Es müssen daher verstärkt alternative Quellen wie dezentrale Erzeugungsanlagen oder alternative Konzepte, beispielsweise Regelenergie und Blindleistung genutzt werden. Offenbarung der Erfindung

Ein Konzept, dass Regeienergie gut bereit halten kann zeigt die Offenlegungsschrift DE 10 2019 121 603 A1, mit der Bezeichnung Turbine - Generator - Pump - Stadt - Kraftwerk. Die hier vorgelegte Gebrauchsmuster Anmeldung Nr. 202020001 013, beschreibt dazu eine, in sich operierende Sonderfunktion der zuvor benannten Offenlegungsschrift, das mit frequenzgeregelten Hochdruck - Wasser -Turbinen - Pumpen , im Folgenden als Bivalent - Strom - Pumpen bezeichnet (bivalent current pump), mit auf das Wasserrad gerichteten Wasserdüsen und Wasserturbinen allumfassend, vornehmlich als Pelton Rad konzipiert, mit einem gekoppelten Generator , diese Sonderfunktion bilden. Die Sonderfunktion ersetzt praktisch die Maschinenteile, die in obiger Offenlegungsschrift die Wasserturbinen mit natürlichem Wassergefälle antreiben. Dazu kommt eine ausgeprägte , zusätzliche Schwungmasse am Peltonrad, zu einer noch besseren Absicherung der Systemleistungen für einen stabilen Betrieb des zukünftigen Stromversorgungssystems. Traditionell wurden diese zentralen Systemdienstleistungen vor allem durch konventionelle Kraftwerke bereitgestellt, weil diese konventionellen Kraftwerke genug Massenmomente besitzen, um die Netzfrequenz von 50 Hz zu Garantieren. Wind und Pv - Anlagen besitzen wenig, bzw. keine Massenmomente, sodass die Regelleistung nicht mehr gewährleistet ist bei fortschreitender Umstellung auf regenerativer Energie. Integriert wird diese Sonderfunktion in einem „Pump - Speicher - Stadt - Kraftwerk", welches an jedem Ort, unabhängig jeglicher geologischer Vorkommen, aufgestellt werden kann. Es besteht aus einem mit Wasser gefüllten Tiefspeicher und einem gestützten Hochspeicher. Mit einer einmaligen Wasserfüllung im System, wird das Wasser durch Hochdruck Wasser Turbinen Pumpen vom Tiefspeicher zum Hochspeicher gepumpt als offener oder geschlossener Kreislauf entsprechend der obigen Offenlegungsschrift. Die bivalend - Strom - Pumpen mit Wasserdüsen, allumfassend, zum Antrieb des Wasser - Turbinen - Rades, werden mit dem Wasser aus dem Hochspeicher (geodätische Höhe) versorgt, andererseits mit elektrischen Strom aus dem öffentlichen Netz. Der Motorstrom Antrieb und die geodätische Höhe des Wasserfalls aus dem Hochspeicher ergänzen sich zum optimalen Antrieb für Wasser - Turbinen ~ Räder, durch die Bivalenz der Strompumpe, in einer als Sonderfunktion deklarierten Erfindung. Dabei spielen die mathematischen Gesetze über das Verhalten von Kreiselpumpen eine entscheidende Rolle. Die Förderhöhe, geodätische Höhe genannt und die E- Motorleistung ändern sich quadratisch bzw. mit der 3. Potenz der Drehzahl. Unabhängig dieser als Sonderfunktion deklarierten Erfindung, regulieren weitere Hochdruck - Wasser _ Turbinen - Pumpen den geodätischen Wasserstand im Hochbehälter, der als Speicher in der obigen Offenlegungsschrift beschrieben ist. Forteilhafte Wirkungen ergeben sich durch die bivalente Strom - Pumpe in sofern, dass damit auf eine natürliche Wasser- Gefällehöhe verzichtet werden kann, da die „bivalent current pump", den nötigen Wasserdruck erzeugt auf die Wasserturbine. Damit wird die geologische Vorbedingung die bisher für ein Pump - Speicher - Kraftwerk Voraussetzung war, legalisiert. Das heißt auch, dass der Weg frei ist für eine umfangreiche Speicherung von regenerativ erzeugten Strom im ganzen Land , an jedem Ort. Der Hochbehälter als physikalischer Speicher , verbunden mit der als Sonderfunktion deklarierten Erfindung erreicht eine Kapazität, mit der man eine Stadt oder sonstige Objekte, rund um die Uhr ,24 Stunden mit 100 % regenerativer Energie ais Regelleistung, versorgen kann.