Verfahren und Vorrichtung zum Speichern von regenerativer Energie

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speichern von regenerativer Energie.

Als regenerative Energien werden zur Abgrenzung gegenüber fossilen Energiequellen solche Energieträger bezeichnet, die in praktisch unerschöpfbarer Menge zur Verfügung stehen. Beispiele für derartige regenerative Energien sind solare Strah ^¬ lung, die z. B. durch Photovoltaik-Anlagen genutzt werden kann sowie Windkraft oder Wasserkraft, deren Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Obwohl Energie bekanntlich weder erzeugt noch vernichtet, sondern lediglich von einer Form in eine andere Form umgewandelt werden kann, wird in der vorliegenden Anmeldung die allgemein übliche Formulierung „Energieerzeugung" auch für die Umwandlung von Energie verwendet, d. h. die Umwandlung von Energie z. B. in elektrische Energie.

Die Nutzung von regenerativer Energie erfolgt überwiegend derart, dass z. B. solare Strahlung, Wasserkraft oder Wind- kraft in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese wird zu ^¬ meist in ein herkömmliches Stromnetz eingespeist, nachdem Spannung und Frequenz an die Vorgaben des Stromnetzes ange- passt worden sind. Die auf diese Weise in elektrische Energie umgewandelte regenerative Energie kann von Verbrauchern, die an dieses Stromnetz angeschlossen sind, genutzt und verbraucht werden. In der Praxis tritt dabei das Problem auf, dass elektrische Energie praktisch nicht speicherbar ist und unmittelbar nach ihrer Erzeugung verbraucht beziehungsweise umgewandelt werden muss.

Regenerative Energie, z. B. Windenergie, zeichnet sich jedoch dadurch aus, dass die erzeugte Leistung starken zeitlichen Schwankungen unterliegt, wodurch der weitere Ausbau erschwert wird. Bei der Nutzung von solarer Strahlung tritt ebenfalls das Problem auf, dass die erzeugte Leistung nur bei Sonnen ^¬ schein in nennenswertem Umfang zur Verfügung steht, obwohl viele Stromverbraucher rund um die Uhr in variierendem Umfang Strom benötigen. Diese Problematik führt dazu, dass stets be ^¬ trächtliche Reservekapazitäten bereitgehalten werden müssen, z. B. herkömmliche Kraftwerke, die mit fossilen Energien be ^¬ trieben werden, wodurch zusätzliche Kosten entstehen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Speichern von regenerativer Energie anzugeben, das eine zeitversetzte Nutzung dieser Energie ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren mit den folgenden Schritten vorgesehen: Umwandeln von regenerativer Energie in elektrische Energie, Abkühlen eines Kühlmittels mittels der elektrischen Energie, Speichern des abgekühlten Kühlmittels in einem Speicher, und Nutzung des Kühlmittels zum Abkühlen eines Gebäudes oder eines anderen Gegenstands.

Die Erfindung beruht auf der Idee, dass eine besonders effi ^¬ ziente Speicherung von regenerativer Energie möglich ist, indem die in elektrische Energie umgewandelte regenerative Energie zum Abkühlen eines Kühlmittels genutzt wird, das an- schließend gespeichert wird und zeitversetzt, bei entspre ^¬ chendem Kühlbedarf, zum Abkühlen eines Gebäudes oder eines anderen Gegenstands genutzt wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass der umgewandelte beziehungsweise erzeugte elektrische

Strom unmittelbar verbraucht werden kann, so dass eine Speicherung in Form von elektrischer Energie entfällt, ebenso wie der verlustbehaftete Transport von elektrischer Energie über weite Strecken. Stattdessen wird mittels der elektrischen Energie sofort das Kühlmittel abgekühlt, das mit vergleichs ^¬ weise geringem Aufwand in einem Speicher oder Reservoir gespeichert werden kann. Auf diese Weise kann auch ein überschüssiger Anteil der in elektrische Energie umgewandelten regenerativen Energie gespeichert werden, um diese Energie zu einem späteren Zeitpunkt, wenn eine Umwandlung von regenerativer Energie nicht möglich ist, zu nutzen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auf den Verbrauch von elektrischer Energie zu einem Zeitpunkt verzichtet werden, wenn keine re ^¬ generative Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Bei herkömmlichen Verfahren ist es hingegen erforderlich, während dieser Zeiten elektrische Energie über ein Stromnetz zu beziehen, die zumeist durch die Nutzung fossiler Energieträger erzeugt wurde. Erfindungsgemäß kann hingegen direkt das in dem Speicher gespeicherte abgekühlte Kühlmittel verwendet werden, so dass keine weitere Energieumwandlung, die stets mit Verlusten behaftet ist, erforderlich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für die Nutzung von solarer Strahlung als regenerative Energie, die mittels einer Photovoltaikanlage in elektrischen Strom umge ^¬ wandelt wird. Erfindungsgemäß wird somit beim Vorhandensein von solarer Strahlung elektrische Energie erzeugt, um das Kühlmittel unmittelbar, das heißt, direkt nach der Erzeugung beziehungsweise Umwandlung, abzukühlen. Das abgekühlte Kühl ^¬ mittel dient dabei als Speicher für die Energie, die zu einem späteren Zeitpunkt wieder genutzt wird. Alternativ kann auch Windenergie als regenerative Energie ge ^¬ nutzt werden, um mittels der erzeugten elektrischen Energie ein Kühlmittel abzukühlen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Umwandlung der Energie vorzugsweise, indem das Kühlmittel in einer elektrisch antreibbaren Kältemaschine abgekühlt wird. In ei ^¬ ner Kältemaschine läuft dazu ein Kreisprozess ab, bei dem elektrische Energie für den Antrieb eines Elektromotors und eines damit gekoppelten Kompressors genutzt wird, um ein Kühlmittel auf ein niedrigeres Temperaturniveau zu bringen.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass das abgekühlte Kühlmittel in einem thermisch isolierten Speicher gespeichert wird. Ein derartiger Speicher ist vorzugsweise allseitig von einem Isoliermaterial umgeben, wodurch eine unerwünschte Er ^¬ wärmung des abgekühlten Kühlmittels verhindert wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es besonders bevorzugt, dass die durch die Photovoltaikanlage umgewandelte elektrische Energie direkt zum Abkühlen des Kühlmittels be ^¬ nutzt wird und dass das abgekühlte Kühlmittel zeitversetzt zum Abkühlen eines Gebäudes oder eines anderen Gegenstands genutzt wird. Beispielsweise wird durch die

Photovoltaikanlage tagsüber elektrischer Strom erzeugt, mit dem das Kühlmittel direkt abgekühlt wird. Das abgekühlte Kühlmittel wird in dem Speicher gespeichert, zeitversetzt wird das abgekühlte gespeicherte Kühlmittel nachts zum Abküh- len eines Gebäudes oder eines anderen Gegenstands genutzt, so dass kein zusätzlicher oder extern über ein Stromnetz zugeführter elektrischer Strom benötigt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch dazu, starke Schwankungen des in ein Stromnetz eingespeisten oder von dem Stromnetz bezogenen Stroms zu verhindern, durch das erfindungsgemäße Verfahren kann somit eine Glättung oder Verringe ^¬ rung von Verbrauchsspitzen erreicht werden.

Daneben betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Speichern von regenerativer Energie. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die folgenden Merkmale auf: einen Energiewandler zum Umwandeln von regenerativer Energie in elektrische Energie, eine Kältemaschine zum Abkühlen eines Kühlmittels mittels der elektrischen Energie, einen Speicher zum Speichern des abgekühlten Kühlmittels, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, ein Gebäude oder einen anderen Gegenstand mittels des Kühlmittels abzukühlen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Energiewandler vorzugsweise als Photovoltaikanlage ausgebildet. Ein wesentlicher Gesichtspunkt der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass sie dazu ausgebildet ist, das Kühlmittel mit ^¬ tels der elektrischen Energie direkt abzukühlen und das Kühlmittel zeitversetzt zum Abkühlen eines Gebäudes oder eines anderen Gegenstands zu nutzen. Vorzugsweise erfolgt die Ab ^¬ kühlung des Kühlmittels tagsüber und die Nutzung des Kühlmit ^¬ tels zum Abkühlen vorzugsweise nachts.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nach- folgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Die Zeichnung ist eine schemati ^¬ sche Darstellung und zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Speichern von regenerativer Energie, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Die in der Figur gezeigte Vorrichtung 1 umfasst einen als Photovoltaikanlage 2 ausgebildeten Energiewandler zum Umwandeln von solarer Strahlung 3 in elektrische Energie. Die Photovoltaikanlage 2 umfasst eine Vielzahl einzelner Zellen, die matrixartig verschaltet sind, um elektrische Energie ei ^¬ ner festgelegten Spannung zu erzeugen. In einem Wandler 4 wird die von der Photovoltaikanlage 2 erzeugte elektrische Energie in eine Wechselspannung mit einer festgelegten Spannung und Frequenz umgewandelt, so dass sie für den Antrieb herkömmlicher Motoren oder Maschinen verwendet werden kann.

Die auf diese Weise erzeugte elektrische Energie wird zum An ^¬ trieb einer Kältemaschine 5 genutzt, die einen elektrisch an ^¬ getriebenen Verdichter aufweist und in der mittels eines Kreisprozesses ein die Kältemaschine 5 durchströmendes Kühl- mittel 6 abgekühlt wird. Das Kühlmittel 6 ist in einem Spei ^¬ cher 7 aufgenommen, der rundherum von einer thermischen Isolierschicht 8 umgeben ist. Über eine Zulaufleitung 9 wird das Kühlmittel 6 der Kältemaschine 5 zugeführt und nach dem Ab ^¬ kühlen über eine Rücklaufleitung 10 auf einem niedrigerem Temperaturniveau wieder dem Kühlmittelvorrat in dem Speicher 7 zugeführt. Wesentlich ist dabei, dass die Erzeugung der elektrischen Energie durch die Photovoltaikanlage 2 und die Abkühlung des Kühlmittels 6 durch die Kältemaschine 5 prak- tisch zeitgleich erfolgen, so dass eine Speicherung der erzeugten elektrischen Energie nicht erforderlich ist.

Hierbei ist eine spezielle Ausführungsform der Erfindung eine Kühlvorrichtung, die speziell mit stark schwankenden Lasten effizient betrieben werden kann. Diese treten speziell bei Photovoltaikanlagen bei wolkigem Himmel häufig auf. Ebenso kann so die überschüssige elektrische Energie einer PV-Anlage nach Abzug von oft stark schwankenden Verbrauchern bzw. Las- ten in kleineren Wohneinheiten genutzt werden, um Kälte für eine spätere Verwendung zu produzieren. Idealerweise ist die Kälteanlage dabei auch kurzfristig überlastfähig, um diese Lastspitzen gut abfangen zu können. Das in dem Speicher 7 gespeicherte Kühlmittel 6 behält seine Temperatur wegen der Isolierschicht 8 über einen längeren Zeitraum, zumindest über mehrere Stunden, nahezu unverändert bei. Das Kühlmittel 6 kann daher zeitversetzt, z. B. nach mehreren Stunden, zur Klimatisierung eines Gebäudes 11 ge- nutzt werden, ebenso ist natürlich auch eine andere Nutzung möglich, beispielsweise kann mittels des Kühlmittels 6 ein Rechenzentrum gekühlt werden. Generell kann das Kühlmittel 6 überall dort eingesetzt werden, wo eine Kühlung von Maschi ^¬ nenteilen, Elektronikbauteilen oder anderen Komponenten er- forderlich ist.

In der Zeichnung ist schematisch dargestellt, dass das Gebäu ^¬ de 11, das über Leitungen 12, 13 mit dem Speicher 7 verbunden ist, temperiert, insbesondere gekühlt werden kann. Die Küh- lung kann dabei sowohl tagsüber, wenn die elektrische Energie von der Photovoltaikanlage 2 erzeugt wird, als auch nachts erfolgen, indem das gespeicherte, abgekühlte Kühlmittel 6 ei ^¬ nem schematisch dargestellten Wärmetauscher 14 in dem Gebäude 11 zugeführt wird.

Im Rahmen einer Optimierung wird die Temperaturdifferenz, die durch die Kältemaschine 5 erzeugt wird, festgelegt. Diese ist unter anderem von dem erwarteten Kühlbedarf abhängig. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so is die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge ^¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .