Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein „Universelles Verwendungsverfahren inklusive Stromspeicherung zur verbrauchsnahen Stromversorgung mit regenerativen Energiequellen und dessen Anwendung“, welches in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft einsetzbar ist.

Der Wechsel, weg von der Nutzung fossiler Energie zu regenerativen Energiequellen, erfordert eine neue Infrastruktur in der Energieversorgung. Grund-, Mittel- und Spitzenlastkraftwerke übernahmen bisher planbar die Netzlastanpassung, die durch entsprechende Bevorratung in Abhängigkeit des Strombedarfs spezifisch zum Einsatz kamen. Das Dargebot von Wind- und Sonnenenergie als Hauptenergiequellen passen zeitlich nicht mit dem Strom- bedarf zusammen, so dass Speicher funktionsbedingt immer wichtiger wer- den, um einerseits die Frequenzstabilität zu gewährleisten und andererseits überhaupt die erforderlichen Strommengen im Tages- und Nachtverlaufbereit zu stellen.

Die Anforderungen an die einsetzbaren Speichertechnologien sind hoch. Neben Wirtschaftlichkeit, Sicherheit, Umweltverträglichkeit, Langlebigkeit dominieren technische Ansprüche zur energetischen Effizienz der Speicher. Dazu zählen Speicherkapazität, Energiedichte, Speicherdauer, Reaktionszeit, Zyklenfestigkeit und Wirkungsgrad, denn der Erlös aus dem Verhältnis Auf- wand zum Nutzen (Strompreis Input zu Strompreis Output) refinanziert die Kosten für Bau und Betrieb der Speicher. Außer in supraleitenden Spulen oder Kondensatoren bei Sonderanwendungen lässt sich elektrische Energie nicht direkt speichern, was zusätzliche verlust- behaftete Umwandlungen in speicherfähige Energieformen erfordert. Nach dem Stand der Technik haben sich hierfür die potenzielle, elektrochemische, kinetische, chemische und thermische Energie als Zwischenspeicher mit den jeweiligen speziellen Wandlungs verfahren durchgesetzt. Daraus resultieren Unterschiede bezüglich möglicher Kapazität und Speicherdauer, ob diese als Reserve, Kurz- oder Langzeitspeicher einsetzbar sind und wie schnell kann bei hoher Zyklenfestigkeit auf Lastwechsel reagiert werden. Gibt es wie bei Pump- oder Druckluftspeicherwerken spezielle Standortvoraussetzungen oder lässt sich der Speicher in der Nähe wichtiger Netzknotenpunkte aufstellen.

Angetrieben auch durch die E-Mobilität, befindet sich die elektrochemische Energiespeicherung in Batterien bzw. Akkumulatoren auf einem hohen Ent- wicklungsniveau. Die Vorzüge, kurze Reaktionszeiten bei automatischem effizientem Betrieb bei vergleichsweiser hoher Energiedichte, werden durch Selbstentladung, begrenzten Ladezyklen und teuren Rohstoffen getrübt, was die Wirtschaftlichkeit im großtechnischen Maßstab in Frage stellt. Auch ist die Entsorgung verbrauchter Batteriezellen oder besser noch die Recycling- fähigkeit bis jetzt im großen Stil ungelöst.

In „Power to Gas“ Prozessen erfolgt die Energiespeicherung chemisch im Brennwert des Wasserstoffs, welcher bei der Elektrolyse durch Zuführung von Wasser und Strom neben Sauerstoff entsteht. Ob dieser weiter in einem Hydrierungsverfahren zu synthetischem Methan oder direkt in einer Brenn- stoffzelle bzw. in einem Kraftprozess bei Bedarf rückverstromt wird, hängt von der geplanten Nutzung ab. Mindestens 50% des Strominputs lässt sich jedoch nicht mehr zurück verwandeln, was diese Technologie als reiner Stromspeicher ohne Wärme-Kraftkopplung in Frage stellt. Im Focus der Forschung stehen die sogenannten „Carnot Batterien“ (Physik Journal 14 (2015) Nr. 2), die thermische Energie zur Zwischenspeicherung prognostiziert hocheffizient nutzen. Bei Stromüberangebot soll ein Wärme- pumpenprozess durch Arbeits- und Wärmeaufnahme bei niedrigem Tempera- tumiveau einen speziellen Hochtemperatur Wärmespeicher laden, der dann Verdampfungswärme einem Kraftprozess zufuhrt, wenn Strom zur Lastan- passung gebraucht wird (Patent EP 1987299 Bl 2007). Neben dem unver- meidbaren Temperaturgefälle beim Be- und Entladen des Hochtemperatur Wärmespeichers und dem Aufwand zur Bereitstellung der Niedertemperatur Wärmequelle, entstehen im Dampfkraftprozess hohe Stand By Verluste, um diesen in Betriebsbereitschaft zu halten. Mit zunehmender Speicherdauer sinkt die Reaktionszeit durch längeres hochfahren und durch die Selbstent- ladung die Effizienz, was die Einsatzfähigkeit einschränkt.

Druckluftspeicherkraftwerke nutzen überschüssigen Strom, um Luft zu komprimieren und diese unterirdisch in Kavernen zu speichern. Das vom Verdichter erzeugte gleitende Druckgefälle erhöht die potentielle Energie, welche beim Entspannen eine Turbine zur Rückverstromung antreibt. Das Prinzip ist einfach und die Effizienz erhöht sich noch bei gespeicherter Kompressionswärme, wenn diese die Luft vorm Entspannen vorwärmt. Großtechnisch einsetzbar bei guter Effizienz, wenn es die örtliche Geologie zulässt bspw. auslaugbare Salzstöcke (Kavernen), da sehr große druckfeste Speichervolumina benötigt werden.

Die dominierende Speichertechnologie im großen Maßstab praktizieren Pumpspeicherwerke, die Lageenergiewechsel von Wasser zwischen Ober- und Unterbecken nutzen. Mit sehr guter Effizienz bei schneller Verfügbarkeit und kurzen Ein- und Umschaltzeiten treten kaum Speicherverluste auf, außer durch Systemreibung, Wasserverluste durch Verdunstung bzw. Versickerung sowie durch Abwärme bei der Stromkonvertierung. Der Einsatz bedarf eines erheblichen Landschaftseingriffs in spezieller Geländetopografie, weswegen diese Art der Stromspeicherung limitiert bleibt.

Energiespeicher auf Basis von Lageenergie durch hydraulische Hebung einer Felsmasse wie in DE 10 2010 034 757 B4 beschrieben, erhöhen das Hub- gewicht, erfordern jedoch eine sichere und schwerrealisierbare Abdichtung zwischen Hubzylinder und Erdreich. Im Versagensfall sinkt die Felsmasse zu Boden und das verdrängte Wasser überflutet die Umgebung.

Hubspeicherwerke, wie in DE 10 2007 057 323 Al vorgeschlagen, nutzen ebenfalls Lageenergie zur Zwischenspeicherung von Strom, indem ein Gewicht mittels Hubwerk mechanisch hochgezogen (Laden) oder abgelassen (Entladen) wird, ein Prinzip, welches Uhrenbauer schon sehr lange für den Betrieb von Turmuhren nutzen. Die Idee, eine große Masse tief in die Erde zu lassen, um vorhandene stillgelegte Schächte zu nutzen, macht Sinn, begrenzt jedoch die Anwendung auf ehemalige Bergbaugebiete. Sofern die Wasser- haltungskosten über die Nutzungsdauer des Speichers nicht dessen Erlös zu sehr schmälern, erfüllt die Kombination Hubwerk in Schacht mit Ausnahme der Standortvoraussetzung die meisten Speichertechnologieanforderungen.

Obwohl Stromspeicher funktionell immer wichtiger werden, weil große Turbinen schrittweise vom Netz gehen, die mit ihren Rotormassen Frequenz- schwankungen glätten konnten, sind die Markt- und Ertragsbedingungen für die Speicherbetreiber auch durch Netzentgelte, Umlagen, Steuern, Eigen- verbrauch und Abgaben schwierig. Die gesetzlichen Rahmenbedingungen sind im ständigen Wandel, was langfristiges monetäres Planen erschwert und hohe Flexibilität verlangt.

Der fiktive Fachmann der Energietechnik kennt die Speichertechnologien mit allen Vor- und Nachteilen, verbessert die Effizienz, kennt die wirtschaftlichen Zwänge und die Standortvoraussetzung der einzelnen Varianten. Lösungen der zugrunde liegenden Anforderungen an die Aufgaben der Erfindung nach dem Stand der Technik fehlen jedoch. Diese bestehen in:

• flexibler Standortwahl unter Beachtung städtebaulicher Richtlinien für eine verbrauchsnahe, frequenzstabile Stromversorgung mit regenerativen Energiequellen, die Autark und oder im Netz- verbund betrieben werden kann,

• flexibler Anpassung an sich ändernde Markt- und Ertrags- bedingungen durch möglichen Betriebsmoduswechsel,

• einer hohen kalendarischen Lebensdauer bei gleichbleibendem hohem Systemnutzungsgrad,

• einer hohen Betriebssicherheit mit geringem Schadenspotenzial,

• sehr kurzen Reaktionszeiten mit einer zur Netzlastanpassung kleinteiligen modulierbaren Strommengeneinspeisung,

• einer hohen Anzahl an Ein- und Ausspeicherzyklen ohne Selbst- entladung bei automatischem femsteuerbarem Betrieb,

• einer hohen Umweltverträglichkeit bei der Herstellung, Nutzung und beim Rückbau (vollständige Recyclingfahigkeit),

• geringen Betriebskosten bei niedrigem Hilfsenergieverbrauch.

Die Aufgaben werden erfindungsgemäß im Wesentlichen durch die in den Ansprüchen 1 bis 7 kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Das universelle Verwendungsverfahren inklusive Stromspeicherung zur verbrauchsnahen Stromversorgung mit regenerativen Energiequellen und dessen Anwendung erzielt durch die Verfahrensmaßnahmen, Speicherung fluktuierender Strom- angebote mit kurzen Reaktionszeiten zur Netzlastanpassung, basierend auf vielen separat ansteuerbaren Hubmodulen lageenergienutzend in einem geschützten Bauwerk, bei gleichzeitiger doppelter Grundflächennutzung durch Photovoltaik und oder Windturbinen, eine neue Anwendungsqualität. Sie besteht in der sicheren, sowohl autarken als auch netzintegrierten Strom- Versorgung in Verbrauchemähe mit regenerativen Energiequellen ohne spezifische Standortvoraussetzung.

Mechanische Hubspeicher nutzen bekannterweise hocheffizient und selbst- entladungsfrei die Lageenergie zur Stromzwischenspeicherung. Pro Zyklus liegen die Verluste unter 10% für Stromkonvertierung und Reibung. Statt ein Hubspeicher mit großem Gewicht in tiefe limitierte Altschächte zu bewegen, macht es ortsunabhängig, wenn die Hubhöhe auf ein Gebäudeformat reduziert wird. Bei gleicher Kapazität erhöhen sich dadurch markant die Anzahl der Hubmodule und der damit verbundene Flächenbedarf. Photovoltaikanlagen benötigen gleichfalls große Aufstellflächen, die außer auf Dächern keine Doppelnutzung zulassen. In einem entsprechend konzipierten hohem Bau- werk, lässt sich somit die Stromspeicherung und die Stromgenerierung platz- sparend und effizient unterbringen, wodurch eine lastgängige Stromversor- gung für fluktuierende Energiequellen entsteht.

Ein Hubmodul 4 besteht aus einer Winde, an deren Seil- bzw. Kettenende ein Gewicht hängt, welches in Abhängigkeit vom Motor/Generatorbetrieb ange- hoben bzw. abgesenkt wird. Jedes Modul interagiert als separat ansteuerbare Einzelzelle mit dem Netz, besitzt seine eigene Stromkonvertierung mit einer Datenbusverbindung und speist Strom ein oder entnimmt welchen sekunden- schnell, je nach Anforderung. Seil- bzw. Kettenwinden befinden sich durch den Fahrstuhl- und Kranbau auf einem hohen technischen Niveau. Moderne Steuerungs- und Regelungstechnik kombiniert mit altbewährter Mechanik ergeben eine flexible Speichertechnologie, die bezüglich Effizienz und Hand- habung auch noch in 100 Jahren Bestand hat.

Aus wirtschaftlicher Sicht gibt es für die lastgängige Stromversorgung mit fluktuierenden Energiequellen inklusive Speicherung verschiedene Optionen, die Einfluss auf die Gestehungskosten nehmen. Bei gleicher Speicherkapazi- tät entscheidet über die erforderliche Grundfläche sowohl die Hubhöhe als auch das Hubgewicht der Einzelmodule. Die Materialwahl bestimmt die Anzahl der Hubmodule und somit den Preis, ob das Gewicht aus Eisen mit 7,8 t/m ³ , aus Beton mit 2,4 t/m ³ oder aus einem mit Wasser gefülltem Gefäß mit 1 t/m ³ besteht. Reicht eine verkleidete Stahlkonstruktion als Baukörper aus oder muss es ein solider Betonbau sein, der sich städtebaulich bezüglich Bauhöhe und Design einordnen muss. Diese Faktoren ermöglichen neben dem Preisvorteil durch große Stückzahlen gleicher Hubmodule beim jeweiligen Standort eine hohe monetäre Variabilität. Die Doppelnutzung der Grund- fläche durch Speicher und Photovoltaik auf dem Dach mit der zusätzlichen Option Südwand, verbessert durch Mischkalkulation die Ertragslage, liefert eigenen Strom, der sich noch durch Windturbinen an Gebäudeecken erhöhen lässt. Steht außerdem ein Biomassekraftwerk im näheren Bereich als Reserve für Flauten in Bereitschaft, lässt sich dieses in Abhängigkeit vom Speicher- ladestand und vom Wetter aktivieren. Für die Frequenzstabilität sorgen last- abhängig die vielen einzelansteuerbaren Hubmodule, wodurch das Stromnetz selbst bei den fluktuierenden regenerierbaren Energiequellen funktionssicher bleibt, ob Autark betrieben oder im Verbund. Eine wichtige Voraussetzung für die flexible Stromversorgung der Zukunft, um auf fossile oder nukleare Energiequellen verzichten zu können.

Das universelle Verwendungs verfahren inklusive Stromspeicherung zur verbrauchsnahen Stromversorgung mit regenerativen Energiequellen und dessen Anwendung erfüllt auch die weiteren Anforderungen. Es benötigt keine geländespezifische Topologie, lässt sich flexibel an sich ändernde Markt- und Ertragsbedingungen anpassen, da Speicher, Photovoltaik und Windstrom abhängig als auch unabhängig voneinander je nach Marktlage betreibbar sind. Es ermöglicht automatischen, sicheren, femsteuerbaren Betrieb, hohe Ein- und Ausspeicherzyklen bei sehr kurzen Reaktionszeiten und das alles ohne Selbstentladung, Degeneration, geringem Hilfsenergie- verbrauch, niedrigen Betriebskosten, hoher Effizienz, hoher Umweltverträg- lichkeit und eine an die Gebäude grenzende kalendarische hohe Nutzungs- dauer bei vollständiger Recyclingfähigkeit danach.

Figur. 1 stellt das prinzipielle universelle Verwendungsverfahren inklusive Stromspeicherung zur verbrauchsnahen Stromversorgung mit regenerativen Energiequellen und dessen Anwendung dar.

Im Bauwerk 1 sind in Abhängigkeit von der geplanten Speicherkapazität im Einklang mit monetären Abwägungen viele einzelansteuerbare Hubmodule 4 installiert, die mit der zentralen rechnergestützten Steuereinheit 5 mittels Stromleitungen 11 und Datenbusleitung 12 verbunden sind. Der Inputstrom gelangt über Stromleitungen 11 zur zentralen rechnergestützten Steuereinheit 5 und stammt sowohl als auch von der Photovoltaik 6 auf Dach 2 bzw. Süd- seite 3, von Windturbinen 7, vom Biomassenkraftwerk 8 oder vom Strom- überschuss aus dem Netz 9. Je nach Betriebsmodus, ob Autark als Inselnetz oder im Verbund, ist eine Fernsteuerung 10 des Netzbetreibers möglich. Die zentrale rechnergestützte Steuereinheit 5 ist in Abhängigkeit von den Markt- und Ertragsbedingungen flexibel programmierbar, ob der Inputstrom aus 6, 7 und oder 8 über das Netz 9 als Output weitergeleitet und verrechnet wird, oder ob ein Teil über die Hubmodule 4 zwischengespeichert wird, um diesen später ertragsreicher bei einer Lastsenke einspeisen zu können. Gleiches gilt auch für günstigen Überschussstrom aus dem Netz. Eine Fähigkeit, die für Betreiber besonders in der Übergangszeit auf dem Weg zur regenerativen Energieversorgung wichtig ist. Danach lässt sich bei einer hohen Lebensdauer bei gleichbleibend hoher Effizienz jedes Netz automatisch frequenzstabil betreiben auch dann, wenn die großen Rotormassen der Turbinen fehlen. Damit sind die Aufgaben vollständig gelöst. Das universelle Verwendungs- verfahren eignet sich im Besonderen für die starkschwankenden Lastwechsel im Bahnbetrieb, wenn E-Locks anfahren oder Strom beim Bremsen einspeisen. Der Standort in Bahnnetznähe verlangt außer die erforderliche Grundfläche keine weiteren Voraussetzungen. Mit der Kombination Speicherung, Regelung und Eigenstromgenerierung mittels regenerativer Energiequellen an einem Ort in einem Bauwerk, die weder topologische Voraussetzungen wie die Pumpspeicherwerke benötigen, noch geologische wie die Druckluftkraftwerke, die auf auslaugbare Salz- stöcke für die Druckspeicher angewiesen sind, steht ohne zusätzlichen Flächenbedarf für die Photovoltaik bei entsprechender Dimensionierung eine funktionssichere hochflexible langlebige hocheffiziente Stromversorgung zur Verfügung. Bei einer Stahlfachwerkskonstruktion steigt nach einer möglichen 100-jährigen Nutzung auch noch der Materialwert. Eine weitere Option besteht für ehemalige offene Braunkohlen Tagebaulöscher, die statt mit Wasser geflutet zu werden den Hohlraum bis zur Erdoberfläche durch entsprechende großflächige Hubbauwerke zur Speicherung und Photovoltaik nutzen.

Universelles Verwendungsverfahren inklusive Stromspeicherung zur verbrauchsnahen Stromversorgung mit regenerativen Energiequellen und dessen Anwendung

Bezugszeichenliste

1 Bauwerk

2 Dach

3 Südseite

4 Hubmodul

5 rechnergestützte zentrale Steuereinheit

6 Photovoltaik

7 Windturbinen

8 Biomassekraftwerk

9 Netz

10 Fernsteuerung

11 Stromleitung

12 Datenbusleitung