УСТРОЙСТВА И СПОСОБЫ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
ENERGY STORAGE DEVICES AND METHODS

Изобретение относится к аккумулирующей электростанции, а также к способу аккумулирования энергии.
В общем и целом изобретение относится к области аккумулирования энергии, которая выработана из возобновляемых источников энергии, как например, энергия ветра или солнечная энергия. Так как эти виды выработки электроэнергии, будучи обусловлены погодой, являются нерегулярными, необходимость аккумулирования энергии приобретает все большее значение. Наряду с электрохимическим аккумулированием, которое является относительно дорогостоящим, уже существуют предложения, осуществлять аккумулирование энергии в виде механической энергии, например, в так называемых гидроаккумулирующих электростанциях или пневмоаккумулирующих электростанциях. До сих пор гидроаккумулирующие электростанции частично связаны с геологическими условиями на земной поверхности, и новые проекты за счет очевидного вмешательства в природу наталкиваются на проблемы признания в обществе. Пневмоаккумулирующие электростанции в силу возможности установки пустот под землей являются приемлемыми в обществе, тем не менее они до сих пор имеют относительно низкие коэффициенты полезного действия и таким образом незначительную энергетическую эффективность. Поэтому до сих пор гидроаккумулирующие электростанции реализуются только на местностях с соответствующими перепадами высот. На местностях таких, как например, северогерманская низменность или в открытом море, где производится большая часть ветровой энергии ветра, использование обычных гидроаккумулирующих электростанций оказывается неосуществимым.
Уже существуют предложения, как например в EP 0212692 B1, осуществлять аккумулирование энергии в двух подземных аккумулирующих емкостях, расположенных на различной глубине. Однако осуществление таких предложений терпит неудачу из-за проблем по установке и приведению в действие соответствующих насосных агрегатов на большой глубине под поверхностью земли, для того чтобы перекачивать использованную жидкость из нижней аккумулирующей емкости в верхнюю аккумулирующую емкость. Засасывание жидкости расположенным над землей насосным агрегатом из нижней аккумулирующей емкости, которая расположена относительно глубоко (например, на глубине более 100 или 1000 м), является технически неосуществимым.
Поэтому в основе изобретения лежит задача предоставить устройства и способы аккумулирования энергии, которые с уменьшенными затратами и потому экономически целесообразно делают возможным эффективное аккумулирование больших количеств энергии.
Эта задача решается с помощью устройств и способов согласно независимым пунктам формулы изобретения. Предпочтительно в качестве верхней и нижней аккумулирующей емкости или в качестве первой и второй аккумулирующей емкости могут, в частности, использоваться уже имеющиеся подземные пустоты, например каверны в соляных месторождениях или другие подземные пустоты, созданные уже, например, горнодобывающей промышленностью. Частично могут также использоваться надземные аккумулирующие емкости или имеющиеся сети энергоснабжения, например газораспределительные сети. Изобретение допускает разнообразное использование имеющихся надземных и подземных пустот, а также имеющихся электрических сетей.
В частности, изобретение подходит для краткосрочного, среднесрочного и/или долгосрочного аккумулирования энергии.
В частности, при помощи изобретения может покрываться локальная потребность в аккумулировании энергии, учитывающая и выполняющая технические, экономические и экологические и дополнительно общественные требования. Изобретение может практично осуществляться при помощи имеющихся на рынке в настоящее время технических компонентов и агрегатов. В качестве аккумулирующих емкостей могут использоваться имеющиеся искусственные каверны, которые в прошлом использовались, например, для хранения природного газа, нефти или других веществ, например каверны в естественных соляных месторождениях. Эти каверны могут простым образом создаваться на многочисленных, имеющихся, например, в Северной Германии, соляных месторождениях посредством выщелачивания пресной водой (добыча каменной соли мокрым способом), или могут использоваться имеющиеся больше не эксплуатируемые каверны.
В одном варианте осуществления изобретение относится к гидроаккумулирующей электростанции, которая включает в себя:
- по меньшей мере, одну нижнюю аккумулирующую емкость, которая расположена под землей, и, по меньшей мере, одну верхнюю аккумулирующую емкость, которая отделена от нее и расположена над или под землей, причем нижняя аккумулирующая емкость расположена на большей глубине, чем верхняя аккумулирующая емкость, и
- в каждом случае, по меньшей мере, один жидкостный трубопровод, который проведен в верхнюю аккумулирующую емкость и в нижнюю аккумулирующую емкость и который соединен с, по меньшей мере, одной гидравлической силовой и/или рабочей машиной гидроаккумулирующей электростанции или может соединяться через переключаемые клапаны, включая при необходимости необходимые вспомогательные установки, и
- в каждом случае, по меньшей мере, один трубопровод нагнетаемого газа, который проведен в верхнюю аккумулирующую емкость и в нижнюю аккумулирующую емкость и который соединен с силовой и/или рабочей машиной нагнетаемого газа гидроаккумулирующей электростанции или может соединяться через переключаемые клапаны,
причем гидроаккумулирующая электростанция настроена для того, чтобы перемещать жидкое вещество из верхней аккумулирующей емкости в нижнюю аккумулирующую емкость и наоборот посредством жидкостных трубопроводов и гидравлической силовой и/или рабочей машины, а силовая и/или рабочая машина нагнетаемого газа настроена для создания заданного давления нагнетаемого газа, по меньшей мере, в нижней аккумулирующей емкости, которое может отличаться от давления газа в верхней аккумулирующей емкости.
Понятие «глубина» является горнотехническим обозначением расстояния от поверхности земли. Глубина указывает, насколько глубоко находится точка под землей под определенной опорной точкой на поверхности (вертикальное расстояние между двумя точками), например, по отношению к поверхности земли.
Предпочтительно при помощи силовой и/или рабочей машины нагнетаемого газа может создаваться давление нагнетаемого газа, по меньшей мере, в нижней аккумулирующей емкости, которое может отличаться от давления газа в верхней аккумулирующей емкости, например может быть полностью независимым от давления газа в верхней аккумулирующей емкости. Тем самым верхняя аккумулирующая емкость отсоединена от нижней аккумулирующей емкости с точки зрения давления газа, например вследствие того, что непосредственное соединение между трубопроводами нагнетаемого газа не существует. Это открывает возможность посредством соответствующего повышения давления газа в нижней аккумулирующей емкости оказывать давлением газа поддерживающее воздействие на перемещение жидкого вещества из нижней аккумулирующей емкости в верхнюю аккумулирующую емкость, либо таким образом, что жидкое вещество перекачивается в верхнюю аккумулирующую емкость исключительно посредством повышенного давления газа нижней аккумулирующей емкости, либо при необходимости жидкое вещество перекачивается из нижней аккумулирующей емкости в верхнюю аккумулирующую емкость посредством дополнительной поддержки при помощи жидкостного насоса. В свою очередь это имеет то преимущество, что в области нижней аккумулирующей емкости, которая может находиться на большой глубине под поверхностью земли, жидкостной насос или другие агрегаты не требуются. Напротив, давление газа в нижней аккумулирующей емкости может повышаться посредством расположенных на поверхности земли агрегатов, как например, компрессионная машина. Это упрощает изготовление и монтаж всей установки, а также техническое обслуживание установки. В частности, не должно осуществляться техническое обслуживание машин на большой глубине под поверхностью земли.
Поэтому предпочтительным образом возможно располагать гидравлическую силовую и/или рабочую машину на земле. Силовая и/или рабочая машина нагнетаемого газа может также располагаться на земле. Само собой разумеется, также возможно располагать вышеназванные машины полностью или частично под поверхностью земли, например на незначительной глубине, приблизительно в подвале здания, или также на несколько большей глубине.
В случае если части установки смонтированы на земле, это означает, что эти части установки находятся на поверхности земли или они расположены в целом или частично приблизительно выше и/или приблизительно ниже поверхности земли.
Благодаря различной глубине расположения обеих аккумулирующих емкостей может осуществляться аккумулирование энергии в виде аккумулирования потенциальной энергии. Если энергия должна аккумулироваться, жидкое вещество перемещается из нижней аккумулирующей емкости в верхнюю аккумулирующую емкость. Для этого давление газа в нижней аккумулирующей емкости повышается при помощи силовой и/или рабочей машины нагнетаемого газа. При этом силовая и/или рабочая машина нагнетаемого газа приводится в действие электрической энергией из сети энергоснабжения и/или непосредственно от поставщиков электроэнергии. Если энергия должна выводиться, жидкое вещество перемещается из верхней аккумулирующей емкости в нижнюю аккумулирующую емкость и при этом проводится через гидравлическую силовую и/или рабочую машину, которая преобразует потенциальную энергию жидкого вещества в электрическую энергию, например, посредством турбины с присоединенным генератором и отдает электрическую энергию в сеть энергоснабжения и/или непосредственно потребителю электроэнергии.
Сеть энергоснабжения может быть общедоступной и/или необщедоступной сетью энергоснабжения.
В случае если говорится о верхней и нижней аккумулирующей емкости или о первой и второй аккумулирующей емкости, это включает также в себя возможность дополнительных аккумулирующих емкостей, как например, третья, четвертая и другие дополнительные аккумулирующие емкости. Дополнительные аккумулирующие емкости могут быть расположены по отношению к верхней и нижней аккумулирующей емкости в одном положении или в различных положениях по глубине.
Силовая и/или рабочая машина нагнетаемого газа может быть выполнена, в частности, для создания заданного давления нагнетаемого газа различной величины в каждой из верхней и нижней аккумулирующей емкости, так что в соответствующей аккумулирующей емкости может произвольно устанавливаться любое давление газа. Это имеет то преимущество, что наряду с аккумулированием энергии при помощи жидкого вещества вся установка может также дополнительно использоваться в качестве хранилища нагнетаемого газа, например, для краткосрочного или среднесрочного аккумулирования энергии.
Гидроаккумулирующая электростанция может иметь устройство управления, например, в виде электронного устройства управления, которое управляет действиями отдельных компонентов гидроаккумулирующей электростанции, например, силовой и/или рабочей машиной нагнетаемого газа и при необходимости имеющимися переключаемыми клапанами. При этом устройство управления может быть, в частности, настроено для того, чтобы осуществлять определенные действия, которые указаны в пунктах формулы изобретения, относящихся к способу. Для этого устройство управления может быть выполнено, например программируемым и может выполнять соответствующую программу управления, в которую запрограммированы упомянутые действия или этапы способа. В соответствии с этим изобретение относится также к выполненному в соответствии с этим устройству управления с программой управления, а также к программе управления, которая настроена для осуществления этапов способа, если она выполняется на устройстве управления. Программа управления может быть сохранена на носителе данных.
Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения устройство управления настроено для того, чтобы посредством управления силовой и/или рабочей машиной нагнетаемого газа повышать давление газа в нижней аккумулирующей емкости, если жидкое вещество должно перемещаться из нижней аккумулирующей емкости в верхнюю аккумулирующую емкость. Это требуется, например, если энергия должна аккумулироваться в гидроаккумулирующей электростанции. В этом случае на перемещение жидкого вещества в верхнюю аккумулирующую емкость может оказываться поддерживающее воздействие посредством повышения давления газа в нижней аккумулирующей емкости, или это перемещение и вовсе может полностью осуществляться без дополнительного насоса.
При отдаче энергии из гидроаккумулирующей электростанции жидкое вещество должно перемещаться из верхней аккумулирующей емкости в нижнюю аккумулирующую емкость, что происходит за счет силы тяжести. Так как при этом для отдачи энергии в сеть энергоснабжения и/или для отдачи энергии непосредственным потребителям электроэнергии жидкое вещество должно проводиться через вышеупомянутую гидравлическую силовую и/или рабочую машину, является предпочтительным соединять без утечек и без газовых включений верхнюю аккумулирующую емкость с нижней аккумулирующей емкостью через гидравлическую силовую и/или рабочую машину при помощи жидкостных трубопроводов, если гидравлическая силовая и/или рабочая машина расположена над верхней аккумулирующей емкостью.
Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения жидкостный трубопровод и/или трубопровод нагнетаемого газа введен сверху или сбоку в верхнюю или в нижнюю аккумулирующую емкость. Это имеет то преимущество, что соответствующий трубопровод может простым образом подводиться к аккумулирующей емкости, например, через буровую скважину с поверхности земли, которая может проходить вертикально или с наклоном. Таким образом, можно, в частности, избежать подведенных снизу к аккумулирующей емкости трубопроводов, которые описаны в EP 0212692 B1, что имеет то преимущество, что может предотвращаться чрезвычайно дорогостоящее на практике подведение трубопровода снизу к аккумулирующей емкости. Вследствие этого также предотвращается то, что через соединительный трубопровод твердые вещества могут попадать в силовые машины и насосы.
Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения силовая и/или рабочая машина нагнетаемого газа имеет, по меньшей мере, одну компрессионную машину для создания сжатого нагнетаемого газа и одну расширительную машину для отдачи энергии в общедоступную и/или необщедоступную сеть энергоснабжения и/или для отдачи энергии непосредственно потребителю электроэнергии посредством расширения нагнетаемого газа из верхней или нижней аккумулирующей емкости. Компрессионная машина может быть выполнена, например, в виде приводимого в действие электричеством компрессора. Расширительная машина может быть выполнена, например, в виде газовой турбины с соединенным с ней электрическим генератором. Это имеет то преимущество, что при помощи силовой и/или рабочей машины нагнетаемого газа может создаваться не только сжатый нагнетаемый газ, но и при расширении энергия может также снова вырабатываться из нагнетаемого газа и отдаваться в сеть энергоснабжения и/или непосредственно потребителю электроэнергии. Вследствие этого общая энергетическая эффективность гидроаккумулирующей электростанции дополнительно повышается. Кроме того, улучшается способность гидроаккумулирующей электростанции к краткосрочному и среднесрочному аккумулированию энергии.
Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения устройство управления настроено так, чтобы при расширении сжатого нагнетаемого газа в расширительной машине посредством управления гидравлической силовой и/или рабочей машиной передавать жидкое вещество в ту аккумулирующую емкость, из которой выводится нагнетаемый газ, из другой аккумулирующей емкости. Вследствие этого уменьшается обусловленное расширением падение температуры и увеличивается свободное пространство для эксплуатации каверны, то есть соответствующей аккумулирующей емкости (понижение давления или температуры за единицу времени). В частности, в аккумулирующей емкости давление может поддерживаться, и в аккумулирующей емкости не доходит до падения температуры при процессе расширения. В этом случае в процессе расширения должно подаваться всего лишь тепло, которое требуется в расширительной машине.
Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения устройство управления настроено так, чтобы при расширении сжатого нагнетаемого газа в расширительной машине посредством управления гидравлической силовой и/или рабочей машиной вводить в ту аккумулирующую емкость, из которой выводится нагнетаемый газ, такое количество жидкого вещества, что давление газа в этой аккумулирующей емкости по существу остается неизменным или понижается, по меньшей мере, незначительно. С помощью этого может реализовываться предпочтительный, по существу изобарный режим работы аккумулирующей емкости. При этом устройство управления имеет соответствующие датчики, или оно соединено с соответствующими датчиками, для того чтобы осуществлять это действие.
Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения устройство управления настроено для того, чтобы при расширении сжатого нагнетаемого газа в расширительной машине посредством управления гидравлической силовой и/или рабочей машиной вводить в ту аккумулирующую емкость, из которой выводится нагнетаемый газ, такое количество жидкого вещества, что температура нагнетаемого газа в этой аккумулирующей емкости повышается. При этом устройство управления имеет соответствующие датчики, или оно соединено с соответствующими датчиками, для того чтобы осуществлять это действие.
Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения имеется тепловая циркуляция, которая имеет, по меньшей мере, один теплообменник, через который протекает нагнетаемый газ, и, по меньшей мере, один теплообменник, через который протекает жидкое вещество, причем теплообменники, будучи управляемы, могут соединяться таким образом, что возникшее при сжатии нагнетаемого газа тепло переносится в жидкое вещество и/или тепло переносится из жидкого вещества в нагнетаемый газ при расширении нагнетаемого газа. Вследствие этого, в частности, возникающие благодаря сжатию и расширению нагнетаемого газа изменения температуры могут использоваться в качестве энергии, соответственно временно аккумулироваться жидким веществом и снова отдаваться в нагнетаемый газ в другой момент времени.
Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения устройство управления настроено так, чтобы во время расширения нагнетаемого газа из нижней аккумулирующей емкости посредством управления тепловой циркуляцией подогревать при помощи теплообменников нагнетаемый газ в противотоке с жидким веществом, которое выведено из верхней аккумулирующей емкости. Это имеет то преимущество, что происходящее во время расширения нагнетаемого газа понижение температуры может компенсироваться полностью или частично, так что может реализовываться эффективное изотермическое расширение.
Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения устройство управления настроено так, чтобы ограничивать временное изменение давления нагнетаемого газа предопределенной предельной величиной. Это имеет то преимущество, что аккумулирующие емкости, которые заполнены нагнетаемым газом, при изменении давления газа не используются и соблюдаются заданные предельные нагрузки.
Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения устройство управления настроено так, чтобы принимать и обрабатывать запросы по аккумулированию энергии и, если согласно запросу по аккумулированию энергии требуется кратковременное аккумулирование энергии, повышать давление нагнетаемого газа в верхней и/или в нижней аккумулирующей емкости, а в случае запроса по аккумулированию энергии, который требует большую продолжительность аккумулирования энергии, чем кратковременное аккумулирование энергии, перемещать жидкое вещество из нижней аккумулирующей емкости в верхнюю аккумулирующую емкость. Это имеет то преимущество, что в зависимости от предполагаемой продолжительности аккумулирования энергии может использоваться наиболее подходящий способ аккумулирования энергии, а именно при кратковременном аккумулировании энергии аккумулирование в виде повышенного давления газа, а при большей продолжительности аккумулирования энергии аккумулирование энергии при помощи потенциальной энергии жидкого вещества. Вследствие этого можно дополнительно повысить энергетическую эффективность гидроаккумулирующей электростанции. Запросы по аккумулированию энергии могут передаваться в устройство управления, например, с пункта управления электростанции, или с других электростанций, или от пользователей сетью энергоснабжения, например, через сеть передачи данных.
Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения жидкое вещество является солевым раствором, содержащей солевой раствор жидкой смесью или другой жидкой смесью. Нагнетаемый газ является нагнетаемым воздухом или другим газом или газовой смесью. В частности, солевой раствор может быть насыщенным солевым раствором. Это имеет то преимущество, что в качестве жидкого вещества может использоваться вещество, которое и так уже имеется в подземных кавернах, в частности в соляных месторождениях.
Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения в верхней и/или в нижней аккумулирующей емкости расположены один или несколько погружных насосов для перекачки жидкого вещества. Это имеет то преимущество, что насосы могут легко устанавливаться, так как они могут опускаться с поверхности земли в аккумулирующую емкость, например, через жидкостный трубопровод или через предусмотренную для этого шахту. Благодаря осуществлению в виде погружного насоса насос немедленно готов к использованию, если он находится в жидком веществе. Тем самым особая установка насоса не требуется, в частности не требуется установка в обособленном машинном отделении поблизости от аккумулирующей емкости.
Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения между жидким веществом и нагнетаемым газом находится механический и/или химический разделительный слой. Механический разделительный слой может быть выполнен, например, в виде мембраны, например, из эластичного или неэластичного материала.
В дальнейшем варианте осуществления изобретение относится к электростанции, в частности гидроаккумулирующей электростанции по любому из предыдущих пунктов формулы изобретения или пневмоаккумулирующей электростанции, включающей в себя:
- по меньшей мере, одну первую и отделенную от нее вторую аккумулирующую емкость в одинаковом или различном положении по глубине, и
- в каждом случае, по меньшей мере, один трубопровод нагнетаемого газа, который проведен в первую аккумулирующую емкость и во вторую аккумулирующую емкость и который соединен с силовой и/или рабочей машиной нагнетаемого газа электростанции или может соединяться через переключаемые клапаны, причем силовая и/или рабочая машина нагнетаемого газа настроена для создания заданного давления нагнетаемого газа различной величины в первой и во второй аккумулирующей емкости, и
- устройство управления, которое настроено так, чтобы при расширении нагнетаемого газа из одной аккумулирующей емкости переносить расширенный нагнетаемый газ в другую аккумулирующую емкость.
Это имеет то преимущество, что для хранения нагнетаемого газа имеется замкнутая система из первой и второй аккумулирующей емкости, так что нагнетаемый газ не должен выпускаться в атмосферу, как при известных пневмоаккумулирующих электростанциях. Напротив, нагнетаемый газ может перекачиваться вперед и назад из одной аккумулирующей емкости в другую. Это имеет то преимущество, что в качестве нагнетаемого газа могут также использоваться другие газы, чем воздух, например природный газ. Дальнейшим преимуществом является то, что вследствие этого создается замкнутая система нагнетаемого газа, в которой обе аккумулирующие емкости или все имеющиеся аккумулирующие емкости постоянно находятся под определенным давлением. В частности электростанция может также реализовываться без компонентов гидроаккумулирования, то есть без циркуляции жидкости. В случае если электростанция реализована в виде ранее описанной гидроаккумулирующей электростанции, нижняя аккумулирующая емкость может служить, например, в качестве первой аккумулирующей емкости, а верхняя аккумулирующая емкость в качестве второй аккумулирующей емкости или наоборот. Также могут быть предусмотрены отдельные аккумулирующие емкости для циркуляции нагнетаемого газа и циркуляции жидкости.
Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения устройство управления настроено так, чтобы при расширении нагнетаемого газа из одной аккумулирующей емкости не позволять опускаться давлению газа в этой аккумулирующей емкости ниже предопределенного минимального значения давления, например ниже значения от 60 до 100 бар. Это имеет то преимущество, что энергетическая эффективность аккумулирования посредством давления газа может значительно повышаться по сравнению с обычными пневмоаккумулирующими электростанциями. По существу это обосновано физическим эффектом, что для сжатия одного моля газа, например, с 1 бар до 10 бар образуется точно такое же количество тепла, как при повышении давления с 10 бар до 100 бар, причем содержащаяся в газе энергия сжатия p·V при более высоком уровне давления является соответственно пропорционально более высокой. Вследствие того, что при помощи соответствующей изобретению электростанции аккумулирование посредством давления газа и расширение могут постоянно осуществляться на в целом относительно высоких уровнях давления, может реализовываться относительно высокая энергия сжатия при возникающих в то же время лишь незначительных перепадах температур, так что при подобном режиме эксплуатации возникает более низкая тепловая и механическая нагрузка каверн, трубопроводов и силовых машин.
Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения устройство управления настроено так, чтобы создавать в первой аккумулирующей емкости более высокое давление, чем во второй аккумулирующей емкости, а при расширении нагнетаемого газа нагнетаемый газ выводить из аккумулирующей емкости с более высоким давлением, проводить через расширительную машину и переносить расширенный нагнетаемый газ в другую аккумулирующую емкость.
Далее изобретение разъясняется более подробно с помощью примеров осуществления с использованием чертежа.
На чертежах:
фиг. 1 показывает схематическое изображение гидроаккумулирующей электростанции, и
фиг. 2 показывает схематическое изображение электростанции без циркуляции жидкости.
На фигурах одинаковые ссылочные позиции используются для соответствующих друг другу элементов.
Фиг. 1 показывает гидроаккумулирующую электростанцию 1, которая соединена при помощи электрических проводов 20 с общедоступной и/или необщедоступной электрической сетью 2 энергоснабжения, которая может также включать в себя непосредственных поставщиков электроэнергии или потребителей электроэнергии. Гидроаккумулирующая электростанция 1 настроена для того, чтобы в краткосрочной, среднесрочной или долгосрочной перспективе аккумулировать избыточную в сети 2 энергоснабжения энергию, а при дополнительной потребности энергии в сети 2 энергоснабжения снова отдавать электрическую энергию в сеть 2 энергоснабжения.
Для этого гидроаккумулирующая электростанция 1 имеет нижнюю аккумулирующую емкость 11, которая расположена под землей, то есть на значительной глубине под поверхностью 3 земли, а также верхнюю аккумулирующую емкость 12, которая может быть расположена равным образом под землей или над землей или в области поверхности 3 земли. Гидроаккумулирующая электростанция 1 настроена для того, чтобы использовать для аккумулирования энергии потенциальную энергию находящегося в циркуляции жидкого вещества 5, 7. Поэтому нижняя аккумулирующая емкость 11 расположена на большей глубине, то есть на большей глубине под поверхностью 3 земли, чем верхняя аккумулирующая емкость 12. Как изображено на фиг. 1, в нижней аккумулирующей емкости 11 находится жидкое вещество 5, в верхней аккумулирующей емкости 12 находится жидкое вещество 7, причем в условиях обычной эксплуатации жидкие вещества 5, 7 являются теми веществами, которые перемещаются вперед и назад между аккумулирующими емкостями 11, 12, если энергия должна аккумулироваться или выдаваться. Между уровнями жидкостей 5, 7 имеется перепад 8 высот, благодаря которому совместно с массой жидкого вещества 7, находящегося в верхней аккумулирующей емкости 12, получается накопленная в данный момент потенциальная энергия.
В нижней аккумулирующей емкости 11 над жидким веществом 5 находится нагнетаемый газ 4. В верхней аккумулирующей емкости 12 над жидким веществом 7 находится нагнетаемый газ 6, который в условиях обычной эксплуатации является тем же газом, который является нагнетаемым газом 4. В нижнюю аккумулирующую емкость 11 проведен жидкостный трубопровод 15, который соединен с расположенными над землей агрегатами, которые будут еще разъяснены позже. Кроме того, в нижнюю аккумулирующую емкость 11 проведен трубопровод 17 нагнетаемого газа, который также соединен на поверхности земли с агрегатами. Как можно увидеть, жидкостный трубопровод 15 введен в нижнюю аккумулирующую емкость 11 приблизительно до ее нижней области. Трубопровод 17 нагнетаемого газа оканчивается в верхней области нижней аккумулирующей емкости 11. Равным образом в верхнюю аккумулирующую емкость 12 проведены жидкостный трубопровод 16 и трубопровод 18 нагнетаемого газа, которые также соединены с расположенными над землей агрегатами. В свою очередь жидкостный трубопровод 16 проведен приблизительно до нижней области верхней аккумулирующей емкости 12, а трубопровод 18 нагнетаемого газа оканчивается в верхней области верхней аккумулирующей емкости 12.
Гидроаккумулирующая электростанция 1 имеет ряд агрегатов, которые расположены в качестве примера на фиг. 1 над землей, то есть над поверхностью 3 земли, и которые могут быть объединены в энергетическом блоке 10. Энергетический блок 10 может быть выполнен, например, в виде здания электростанции. Само собой разумеется, отдельные или все агрегаты могут быть также расположены под поверхностью 3 земли поблизости от нее или также на большей глубине. Тем не менее, по причинам возможности целесообразного осуществления гидроаккумулирующей электростанции преимуществом является расположение агрегатов над землей.
В энергетическом блоке 10 находится устройство 13 управления, которое может быть выполнено, например, в виде управляющей вычислительной машины или центральной вычислительной машины гидроаккумулирующей электростанции 1, например, в виде компьютера. Устройство 13 управления соединено с отдельными агрегатами при помощи символично изображенных электрических проводов 14, для того чтобы управлять ими или для того чтобы принимать от них данные измерений (фактические данные). Кроме того, устройство 13 управления соединено посредством электрических проводов 14 с интерфейсом энергетических запросов, при помощи которого могут извне приниматься запросы по аккумулированию энергии и запросы по отдаче энергии, например от эксплуатирующих электростанцию предприятий или поставщиков электроэнергии. Устройство 13 управления обрабатывает эти запросы и управляет агрегатами в зависимости от запросов таким образом, что электрическая энергия из сети 2 энергоснабжения либо аккумулируется в гидроаккумулирующей электростанции 1, либо снова отдается из нее в сеть 2 энергоснабжения.
В частности, гидроаккумулирующая электростанция 1 имеет следующие агрегаты. Жидкостный трубопровод 15 соединен с гидравлической силовой и/или рабочей машиной 26, 27 при помощи управляемой системы 28 клапанов. Жидкостный трубопровод 16 соединен с гидравлической силовой и/или рабочей машиной 26, 27 при помощи управляемой системы 29 клапанов. Гидравлическая силовая и/или рабочая машина 26, 27 может иметь, например, жидкостную турбину 26 (например, водяную турбину) с генератором для выработки электрической энергии, которая отдается в сеть 2 энергоснабжения, а также приводимый в действие электричеством насос 27, который при помощи действия по перекачки может содействовать перемещению жидкого вещества из нижней аккумулирующей емкости 11 в верхнюю аккумулирующую емкость 12. В зависимости от направления перемещения жидкого вещества, как обозначено стрелками на жидкостной турбине 26 и насосе 27, управляемые клапаны 28, 29, включая требуемые при необходимости вспомогательные установки 19, соответствующим образом переключаются устройством 13 управления, либо для того чтобы перемещать жидкое вещество из верхней аккумулирующей емкости 12 в нижнюю аккумулирующую емкость 11, если энергия должна отдаваться в сеть 2 энергоснабжения, либо для того чтобы перемещать жидкое вещество из нижней аккумулирующей емкости 11 в верхнюю аккумулирующую емкость 12, если энергия из сети 2 энергоснабжения должна аккумулироваться в гидроаккумулирующей электростанции 1.
Тем самым компоненты 11, 12, 15, 16, 26, 27, 28, 29 образуют контур циркуляции жидкости.
Трубопровод 17 нагнетаемого газа соединен с силовой и/или рабочей машиной 21, 22 нагнетаемого газа при помощи управляемой системы 24 клапанов. Трубопровод 18 нагнетаемого газа соединен с силовой и/или рабочей машиной 21, 22 нагнетаемого газа при помощи управляемой системы 25 клапанов. Силовая и/или рабочая машина 21, 22 нагнетаемого газа может иметь, например, расширительную машину 21, например, в виде газовой турбины с генератором и компрессионную машину 22, например, в виде приводимого в действие электричеством компрессора. Компрессионная машина 22 обозначена двухсторонней стрелкой, так как она, в зависимости от управления управляемыми системами 24, 25 клапанов посредством устройства 13 управления, находится в положении, чтобы перекачивать нагнетаемый газ из нижней аккумулирующей емкости 11 в верхнюю аккумулирующую емкость 12 и при этом повышать давление газа в нижней аккумулирующей емкости 11, и соответственно наоборот, чтобы перекачивать нагнетаемый газ из верхней аккумулирующей емкости 12 в нижнюю аккумулирующую емкость 11 и при этом повышать давление газа в верхней аккумулирующей емкости 12. При этом давление газа в нижней аккумулирующей емкости 11 и в верхней аккумулирующей емкости 12 может в каждом случае устанавливаться отдельно, причем компрессионная машина 22 постоянно активируется в том случае, если нагнетаемый газ должен перемещаться из аккумулирующей емкости с более низким давлением газа в аккумулирующую емкость с более высоким давлением газа. Компрессионная машина 22 может быть соединена, например, с присоединительным элементом 23, через который дополнительный нагнетаемый газ может при необходимости вводиться в циркуляцию нагнетаемого газа из атмосферы или из газовой сети, которая связана с присоединительным элементом 23.
В случае если нагнетаемый газ должен перемещаться из аккумулирующей емкости с более высоким давлением газа в аккумулирующую емкость с более низким давлением газа, активируется расширительная машина 21 посредством управления управляемыми системами 24, 25 клапанов. Благодаря протекающему через расширительную машину 21 расширяющемуся нагнетаемому газу электрическая энергия может вырабатываться при помощи расширительной машины 21 и отдаваться в сеть 2 энергоснабжения. Расширительная машина 21 также может быть соединена или может соединяться с присоединительным элементом 23, для того чтобы сбрасывать слишком большие количества газа, которые возможно имеются в системе нагнетаемого газа.
Тем самым компоненты 11, 12, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 25 образуют контур циркуляции нагнетаемого газа.
С одной стороны, контур циркуляции нагнетаемого газа гидроаккумулирующей электростанции 1 может использоваться для того, чтобы вследствие избыточного давления газа вызывать перекачивание жидкого вещества 5 из нижней аккумулирующей емкости 11 в верхнюю аккумулирующую емкость 12 или, по меньшей мере, оказывать поддержку работе насоса 27 (гидравлический режим работы электростанции). С другой стороны, циркуляция нагнетаемого газа может использоваться для того, чтобы энергию временно аккумулировать из сети 2 энергоснабжения в виде повышенного давления газа в гидроаккумулирующей электростанции 1, а при необходимости посредством расширения в расширительной машине 21 снова отдавать в сеть 2 энергоснабжения. Таким образом, может реализовываться комбинированная гидропневмоаккумулирующая электростанция (турборежим работы электростанции).
Наряду с контуром циркуляции жидкости и циркуляции нагнетаемого газа в гидроаккумулирующей электростанции 1 предусмотрен третий контур циркуляция, а именно контур 30 тепловой циркуляции. Контур 30 тепловой циркуляции термически соединяет жидкостные трубопроводы 15, 16 с трубопроводами 17, 18 нагнетаемого газа. Как можно видеть на фиг. 1, контур 30 тепловой циркуляции может образовываться, например, посредством теплообменника 32, через который протекает жидкое вещество, и посредством теплообменника 33, через который проходит нагнетаемый газ, причем теплообменники 32, 33 соединены друг с другом. Посредством управляемого устройством 13 управления насоса 31 контур тепловой циркуляции через теплообменники 32, 33 может перекачиваться вещество теплообменников, как правило, жидкое вещество, для того чтобы осуществлять теплообмен между контуром циркуляции жидкости и контуром циркуляции нагнетаемого газа. Устройство 13 управления может при необходимости включать и выключать насос 31 контура тепловой циркуляции.
Контур 30 тепловой циркуляции может также реализовываться другим образом, чем изображен на фиг. 1, так например, за счет того, что соответствующий жидкостный трубопровод 15, 16 расположен внутри соответствующего трубопровода 17, 18 нагнетаемого газа, так что нагнетаемый газ перемещается в остающемся кольцевом пространстве.
Фиг. 2 показывает электростанцию 9, которая имеет только ранее описанный контур циркуляции нагнетаемого газа, то есть не имеет контур циркуляции жидкости. В этом случае электростанция эксплуатируется в так называемом аэрорежиме. Изображенные на фиг. 2 компоненты, чьи ссылочные позиции соответствуют ссылочным позициям фиг. 1, соответствуют компонентам, которые уже описаны с помощью фиг. 1. В отличие от гидроаккумулирующей электростанции согласно фиг. 1 у электростанции 9 согласно фиг. 2 аккумулирующие емкости 11, 12 могут располагаться под землей или при необходимости также над землей в любых положениях по глубине, так что могут также использоваться другие имеющиеся формации для возведения электростанции 9. В противоположность известным пневмоаккумулирующим электростанциям электростанция 9 имеет в основном замкнутый контур циркуляции нагнетаемого газа с двумя аккумулирующими емкостями 11, 12, между которыми нагнетаемый газ 4, 6 может «перекачиваться». Вследствие замкнутой системы может постоянно поддерживаться определенное минимальное давление нагнетаемого газа 4, 6 в аккумулирующих емкостях 11, 12, так что может реализовываться режим аккумулирования энергии со значительно более высокой энергетической эффективностью, чем у известных пневмоаккумулирующих электростанций, у которых имеется только одна аккумулирующая емкость, и накопленный воздух постоянно сжимается от уровня атмосферного давления и снова расширяется до уровня атмосферного давления.
Далее приводятся дополнительные примеры эксплуатации гидроаккумулирующей электростанции 1 или электростанции 9. Ранее упомянутые аккумулирующие емкости 11, 12 обозначаются также как каверны.
Перекачивание вперед и назад жидкостей между двумя пустыми пространствами на различном положении по глубине является проблематичным. Как правило, для этого насос размещается под нижним резервуаром. Причиной этого является то, что насос нуждается в давлении подкачки, чтобы жидкость могла поступать в насос, преодолевая перепад высот. Насосы могут только создавать давление и перекачивать жидкость вверх. Всасывание жидкостей насосом по физическим причинам возможно только до высоты приблизительно 8-10 м. При больших перепадах высот течение прервалось бы и насос работал бы вхолостую.
Ранее описывался и в дальнейшем описывается способ аккумулирования потенциальной энергии в подземной гидроаккумулирующей электростанции. Как уже было изложено, необходимые для гидроаккумулирования верхние и нижние резервуары могут выполняться в виде подземных пустых пространств. Недостаток, что жидкость не может без проблем перемещаться между обоими резервуарами при помощи расположенных над землей насосов, что, однако, является желательным с технической, а также экономической точки зрения, компенсируется в описанном здесь способе за счет того, что обе каверны соединяются дополнительным трубопроводом и каверны нагружаются давлением газа. Это давление газа в кавернах может быть настолько высоким, что для жидкости в других трубопроводах создается давление в насосе, которое является достаточно высоким, чтобы делать возможным перекачивание жидкости. Это давление должно быть выше, чем преобладающее на поверхности атмосферное давление, более точные значения приводятся в последующем описании примера.
Введение сжатого газа в систему также подразумевает значительный расход энергии, который может также использоваться для аккумулирования энергии. В описанном здесь изобретении эта накопленная энергия может также преобразовываться в работу в приводимой в движение газом турбине (турбине сброса давления). Необходимое в системе давление газа создается компрессором.
Если имеющийся в системе газ должен сжиматься и расширяться, то это может также происходить при перемещении от одной в другую каверну. Для этого в одной из каверн устанавливается более высокое давление, предпочтительно в нижней каверне. Это может производиться посредством имеющегося компрессора или же посредством перекачки жидкости, причем каверны надлежащим образом отделяются друг от друга.
Если сжатие производится при помощи компрессора, то образуется тепло. Это тепло при помощи теплообменника может отдаваться в протекающую в противотоке жидкость и аккумулироваться в ней. При расширении тепло может снова выводиться из обратного потока жидкости, подводиться к газу и преобразовываться в работу в турбине сброса давления. В качестве теплообменника может выбираться подходящее техническое устройство, или же теплообмен может производиться в буровых скважинах, если и газ, и жидкость протекают только в одной буровой скважине, причем жидкость протекает в напорной трубе, а газ в кольцевом пространстве. Подобные расположения используются в качестве стандарта при хранении нефти и природного газа. Газ и жидкость протекают в буровых скважинах в противотоке.
Дальнейшее преимущество описанной до этого системы заключается также в том, что газ расширяется не полностью, а аккумулируется во второй каверне в уже сжатом состоянии. Если газ не сжимается от атмосферного давления, а сжимается начиная с более высокого давления, то значительно больше энергии аккумулируется в работе объема и не преобразовывается в тепло, что представляется положительным фактором с точки зрения коэффициента полезного действия. Это преимущество также разъясняется в последующем примере.
3
Пустые пространства, называемые в дальнейшем кавернами, создаются на различных глубинах. Верхняя часть верхней каверны 12 должна находиться на глубине в 900 м, верхняя часть нижней каверны 11 на глубине 1650 м. Каверны 11, 12 должны иметь в каждом случае объем 500000 м. В каждую из каверн пробуриваются две буровые скважины, причем одна буровая скважина может уже иметься в наличии после процесса создания каверн посредством добычи соли методом растворения. Буровые скважины, в которых должна перекачиваться жидкость, имеют эффективный диаметр в 30 дюймов (762 мм), а буровые скважины, в которых должен «перекачиваться» сжатый газ, в 20 дюймов (508 мм).
3
Подобные буровые скважины можно создавать в соответствии со стандартом; по этой причине были также использованы общепринятые в буровой промышленности американские единицы измерения в дюймах. Используемая в системе жидкость должна иметь плотность 1250 кг/м. Вследствие этого образуется созданное столбом жидкости давление в верхней части нижней каверны приблизительно 202 бар. Для того чтобы обеспечивать давление столба жидкости на поверхности земли 4 бар, нижняя каверна должна в итоге нагружаться давлением газа, измеренным в верхней части каверны, приблизительно 206 бар. Тем самым в верхней каверне образуется давление (измеренное в верхней части каверны) приблизительно 187 бар, если в качестве газа используется, например, воздух. Максимальное давление, с которым может нагружаться верхняя каверна, составляет приблизительно 190 бар. Это давление ограничено горно-механическими свойствами горной породы и может отличаться от указанного здесь значения. Это максимальное давление должно поддерживаться при любых обстоятельствах. Максимально допустимое рабочее давление нижней каверны также поддерживается при этих условиях.
Обе каверны соединяются трубопроводом, в котором перекачивается жидкость, и трубопроводом, в котором может «перекачиваться» газ. Нижняя каверна может нагружаться давлением через этот трубопровод. Если давление в системе поддерживается посредством сжатого воздуха выше гидростатического давления жидкости, жидкость может перекачиваться при помощи установленного на земле насоса из нижней каверны в верхнюю каверну. В дальнейшем для выработки электроэнергии жидкость может проводиться из верхней каверны через турбину.
Падение давления в трубопроводах составляет для газа и для жидкости приблизительно 3 бар, скорость протекания для газа составляет приблизительно 8 м/c, для жидкости приблизительно 3,5 м/c.
В системе можно аккумулировать приблизительно 1200 мегаватт-часов в виде потенциальной энергии в жидкости. При указанных пропускных способностях мощность на турбине 26 составит приблизительно 10 МВт при продолжительности в 84 часа для разрядки. Эта система предпочтительно подходит для долговременного аккумулирования в течение нескольких дней. Повышение мощности может достигаться вследствие того, что используются буровые скважины с большим диаметром или же используются несколько параллельных буровых скважин.
Для аккумулирования электроэнергии должны покрываться как длительные аккумулирующие промежутки времени (несколько дней), так и кратковременные аккумулирующие циклы (день/ночь) или же кратковременные пиковые мощности.
Система может также использоваться для кратковременного обеспечения мощности. Если, например, посредством накачивания водой давление в нижней каверне 11 повышается на 20 бар, то благодаря последующему сбросу давления система может обеспечивать мощность приблизительно в 50 МВт приблизительно на 2 часа, причем изменение температуры в каверне приблизительно составит лишь 10°С. Этот процесс может использоваться для кратковременного обеспечения мощности.
При сжатии газа образуется тепло, если газ не совершает работу, наоборот, при расширении энергия в виде тепла должна подводиться, чтобы газ мог совершать работу и при этом не слишком сильно охлаждался. В предлагаемых до сих пор процессах для аккумулирования энергии воздух сжимался из атмосферы и накапливался в пустом пространстве. Это пустое пространство является в промышленном масштабе, например, соляной каверной, как описано выше. В этом случае давление в такой каверне составляет в зависимости от глубины приблизительно от 150 до 250 бар.
3
Если газ сжимается от атмосферного давления (около 1 бар) до 150 бар, то он испытывает повышение температуры приблизительно на 530 К. Если этот сжатый газ накапливается в объеме 1 м, приблизительно 25 киловатт-часов тепла образовываются при этом процессе. Энергия (p·V) газа под давлением приблизительно составляет лишь 4,2 киловатт-часов. При полном расширении должно снова подводиться такое же количество тепла, так как в противном случае в установке возникают процессы замерзания. Если возникающее при сжатии тепло не может аккумулироваться и не может снова подаваться в процесс при расширении, то процесс имеет очень низкий коэффициент полезного действия, приблизительно 14%, причем коэффициент полезного действия получается (4,2/(25+4,2)) из соотношения механической работы w и полностью израсходованной энергии (тепло q плюс работа w).
Сжатие газа от атмосферного давления происходит в промышленном масштабе за счет сильного поэтапного нагрева, причем газ должен охлаждаться между этапами. Это можно проиллюстрировать на примере изотермического сжатия. Возникающее при изотермическом сжатии количество тепла рассчитывается по формуле:
1
2
Q=nRT·ln(p/p),
1
2
где q - количество тепла, n - количество газа в молях, R - универсальная газовая постоянная, T - температура, p- давление на входе, p- давление на выходе.
Это означает, что для сжатия одного моля газа с 1 бар до 10 бар образуется точно такое же количество тепла, как для сжатия с 10 бар до 100 бар, причем энергия сжатия газа p·V (где p - давление, а V - объем) ниже на первом этапе, чем на втором, а изменение температуры является одинаковым.
Из этих соображений получается, что для аккумулирования энергии предпочтительно исходить из более высокого уровня давления.
3
Это может достигаться, если процесс не происходит между, например, 1 бар и 150 бар, а происходит, например, между 130 бар и 150 бар. Получающийся при расширении газ должен в таком случае накапливаться в дополнительном пустом пространстве, где он снова находился бы в распоряжении для сжатия. При этом процессе возникающее количество тепла по отношению к 1 м объема пустого пространства было бы равным 0,7 киловатт-часов, а энергия сжатия составила бы приблизительно 0,6 киловатт-часов. Коэффициент полезного действия был бы равным в этом случае 46%.
Для этого вида аккумулирования энергии могут использоваться описанные выше каверны, причем жидкость и необходимые для нее устройства и трубопроводы могут исключаться. Равным образом не требуется то, что каверны располагаются на различной глубине, тем не менее это может быть преимуществом, для того чтобы лучше соответствовать горно-механическим требованиям. В случае описанной здесь системы нижняя каверна 11 должна доводиться до давления в 280 бар, в этом случае давление на поверхности составляет приблизительно 230 бар. Давление в каверне должно понижаться на 20 бар вследствие того, что газ выводится из каверны с высокой скоростью. Изменение температуры в каверне составляет приблизительно 7°С. Этот газ подается к турбине 21 сброса давления и там расширяется с перепадом давления в 70 бар. При этом газ испытывает дальнейшее понижение температуры приблизительно на 35°С. При этом процессе совершается работа, а мощность при пропускной способности в 2 миллиона нормальных кубических метров в час составляет приблизительно 30 МВт.
Затем газ накапливается во второй каверне 12 при давлении приблизительно между 130 и 150 бар, если эта каверна имеет такую же величину, как и первая каверна.
Затем из второй каверны 12 газ может снова доводиться до высокого давления в первой каверне, причем изменения температуры и давления происходят в обратном направлении.
Этот процесс имеет то преимущество, что в кавернах возникают изменения температуры и давления, которые являются допустимыми в соответствии с директивами, которые имеют в настоящее время силу для подземного хранения природного газа. Охлаждение и подогрев газа могут исключаться, а надземные установки, как и буровые скважины и каверны, не нагружаются чрезмерными изменениями температуры и давления.
Список ссылочных позиций
1 гидроаккумулирующая электростанция
2 сеть энергоснабжения и/или непосредственные поставщики и потребители электроэнергии
3 поверхность земли
4 нагнетаемый газ
5 жидкое вещество
6 нагнетаемый газ
7 жидкое вещество
8 перепад высот
9 электростанция
10 энергетический блок
11 нижняя или первая аккумулирующая емкость
12 верхняя или вторая аккумулирующая емкость
13 устройство управления
14 электрические провода
15 жидкостный трубопровод
16 жидкостный трубопровод
17 трубопровод нагнетаемого газа
18 трубопровод нагнетаемого газа
19 вспомогательные установки
20 электрические провода
21 расширительная машина
22 компрессионная машина
23 присоединительный элемент для нагнетаемого газа
24 управляемая система клапанов
25 управляемая система клапанов
26 жидкостная турбина
27 насос
28 управляемая система клапанов
29 управляемая система клапанов
30 контур тепловой циркуляции
31 насос контура тепловой циркуляции
32 теплообменник
33 теплообменник