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DE102022002129A1 - Universal usage method including electricity storage for near-consumption power supply with renewable energy sources and its application - Google Patents

Universal usage method including electricity storage for near-consumption power supply with renewable energy sources and its application Download PDF

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DE102022002129A1
DE102022002129A1 DE102022002129.3A DE102022002129A DE102022002129A1 DE 102022002129 A1 DE102022002129 A1 DE 102022002129A1 DE 102022002129 A DE102022002129 A DE 102022002129A DE 102022002129 A1 DE102022002129 A1 DE 102022002129A1
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DE
Germany
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storage
lifting
energy
electricity
network
Prior art date
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Application number
DE102022002129.3A
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German (de)
Inventor
auf Antrag nicht genannt. Erfinder
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Rerum Cognitio Produktrealisierungs GmbH
Original Assignee
Rerum Cognitio Produktrealisierungs GmbH
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03GSPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G3/00Other motors, e.g. gravity or inertia motors
    • F03G3/087Gravity or weight motors
    • F03G3/094Gravity or weight motors specially adapted for potential energy power storage stations; combinations of gravity or weight motors with electric motors or generators

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

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. Das Dargebot von Wind- und Sonnenenergie als Hauptenergiequellen passen zeitlich nicht mit dem Strombedarf zusammen, so dass Speicher funktionsbedingt immer wichtiger werden. Das universelle Verwendungsverfahren erzielt durch die Verfahrensmaßnahmen, Speicherung fluktuierender Stromangebote mit kurzen Reaktionszeiten zur Netzlastanpassung, basierend auf vielen separat ansteuerbaren Hubmodulen lageenergienutzend in einem Bauwerk, bei gleichzeitiger doppelter Grundflächennutzung auf dem Dach mittels Photovoltaik und oder Windturbinen, eine neue Anwendungsqualität. Sie besteht in der sicheren, sowohl autarken als auch netzintegrierten Stromversorgung in Verbrauchernähe ohne spezifische Standortvoraussetzung und das bei automatischem, sicherem, fernsteuerbarem Betrieb, hohen Ein- und Ausspeicherzyklen mit kurzen Reaktionszeiten, ohne Selbstentladung, Degeneration, bei geringem Hilfsenergieverbrauch, niedrigen Betriebskosten, hoher Umweltverträglichkeit bei hoher Effizienz und eine an die Gebäude grenzende kalendarische hohe Nutzungsdauer.

Figure DE102022002129A1_0000
The invention relates to a universal usage method including electricity storage for near-consumption power supply with renewable energy sources and its application, which can be used primarily in the field of the energy industry. The change from the use of fossil energy to renewable energy sources requires a new energy supply infrastructure. The supply of wind and solar energy as the main energy sources does not match the demand for electricity, so that storage is becoming increasingly important for functional reasons. The universal usage method achieves a new application quality through the procedural measures, storage of fluctuating electricity supplies with short reaction times for network load adjustment, based on many separately controllable lifting modules, using positional energy in a building, while at the same time doubling the floor space on the roof using photovoltaics and/or wind turbines. It consists of the safe, both self-sufficient and grid-integrated power supply close to the consumer without any specific location requirements and with automatic, safe, remote-controllable operation, high storage and withdrawal cycles with short response times, without self-discharge, degeneration, with low auxiliary energy consumption, low operating costs, and high environmental compatibility with high efficiency and a long calendar lifespan adjacent to the buildings.
Figure DE102022002129A1_0000

Description

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.The invention relates to a “universal use method including electricity storage for near-consumption power supply with renewable energy sources and its application”, which can be used primarily in the energy industry.

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 Strombedarf zusammen, so dass Speicher funktionsbedingt immer wichtiger werden, um einerseits die Frequenzstabilität zu gewährleisten und andererseits überhaupt die erforderlichen Strommengen im Tages- und Nachtverlauf bereit zu stellen.The change from the use of fossil energy to renewable energy sources requires a new energy supply infrastructure. Base, medium and peak load power plants have so far carried out the network load adjustment in a planned manner, which was used specifically through appropriate stockpiling depending on the electricity requirement. The supply of wind and solar energy as the main energy sources does not match the demand for electricity, so that storage is becoming increasingly important for functional reasons, on the one hand to ensure frequency stability and on the other hand to provide the required amounts of electricity throughout the day and night.

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 Aufwand zum Nutzen (Strompreis Input zu Strompreis Output) refinanziert die Kosten für Bau und Betrieb der Speicher.The requirements for the storage technologies that can be used are high. In addition to cost-effectiveness, safety, environmental compatibility and longevity, technical requirements for the energy efficiency of storage systems dominate. These include storage capacity, energy density, storage duration, response time, cycle stability and efficiency, because the proceeds from the ratio of effort to benefit (electricity price input to electricity price output) refinances the costs of building and operating the storage system.

Außer in supraleitenden Spulen oder Kondensatoren bei Sonderanwendungen lässt sich elektrische Energie nicht direkt speichern, was zusätzliche verlustbehaftete 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 Wandlungsverfahren 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.Except in superconducting coils or capacitors for special applications, electrical energy cannot be stored directly, which requires additional lossy conversions into forms of energy that can be stored. According to the state of the art, potential, electrochemical, kinetic, chemical and thermal energy have become established as intermediate storage with the respective special conversion processes. This results in differences in terms of possible capacity and storage duration, whether these can be used as reserve, short-term or long-term storage and how quickly can one react to load changes with high cycle stability. As with pumped or compressed air storage plants, are there special location requirements or can the storage be set up near important network nodes.

Angetrieben auch durch die E-Mobilität, befindet sich die elektrochemische Energiespeicherung in Batterien bzw. Akkumulatoren auf einem hohen Entwicklungsniveau. 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 Recyclingfähigkeit bis jetzt im großen Stil ungelöst.Driven also by e-mobility, electrochemical energy storage in batteries or accumulators is at a high level of development. The advantages of short response times with automatic, efficient operation at a comparatively high energy density are clouded by self-discharge, limited charging cycles and expensive raw materials, which calls into question the economic viability on an industrial scale. The disposal of used battery cells or, better yet, their recyclability has not yet been solved on a large scale.

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 Brennstoffzelle 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.In “Power to Gas” processes, energy is stored chemically in the calorific value of hydrogen, which is created during electrolysis by adding water and electricity in addition to oxygen. Whether this is further converted into electricity in a hydrogenation process to produce synthetic methane or directly in a fuel cell or in a power process if necessary depends on the planned use. However, at least 50% of the electricity input can no longer be converted back, which calls this technology into question as a pure electricity storage without heat and power cogeneration.

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 Wärmepumpenprozess durch Arbeits- und Wärmeaufnahme bei niedrigem Temperaturniveau einen speziellen Hochtemperatur Wärmespeicher laden, der dann Verdampfungswärme einem Kraftprozess zuführt, wenn Strom zur Lastanpassung gebraucht wird (Patent EP 1987299 B1 2007). Neben dem unvermeidbaren 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 Selbstentladung die Effizienz, was die Einsatzfähigkeit einschränkt.The focus of the research is on the so-called “Carnot batteries” (Physik Journal 14 (2015) No. 2), which are predicted to use thermal energy highly efficiently for intermediate storage. When there is an oversupply of electricity, a heat pump process is supposed to load a special high-temperature heat storage device by absorbing work and heat at a low temperature level, which then supplies heat of evaporation to a power process when electricity is needed to adapt the load (patent EP 1987299 B1 2007). In addition to the unavoidable temperature gradient when loading and unloading the high-temperature heat storage and the effort required to provide the low-temperature heat source, high stand-by losses arise in the steam power process in order to keep it operational. As the storage time increases, the response time decreases due to longer start-up times and the efficiency decreases due to self-discharge, which limits the usability.

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.Compressed air storage power plants use excess electricity to compress air and store it underground in caverns. The sliding pressure gradient generated by the compressor increases the potential energy, which drives a turbine to convert electricity back into electricity when it expands. The principle is simple and the efficiency increases with stored compression heat if it preheats the air before expansion. Can be used on an industrial scale with good efficiency if the local geology allows it, for example leachable salt domes (caverns), as very large pressure-resistant storage volumes are required.

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.The dominant storage technology on a large scale is pumped storage plants, which use the positional energy changes of water between the upper and lower basins. With very good efficiency with fast availability and short inputs and switchover times, there are hardly any storage losses, except through system friction, water losses through evaporation or seepage and waste heat from electricity conversion. The use requires significant landscape intervention in special terrain topography, which is why this type of electricity storage remains limited.

Energiespeicher auf Basis von Lageenergie durch hydraulische Hebung einer Felsmasse wie in DE 10 2010 034 757 B4 beschrieben, erhöhen das Hubgewicht, 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.Energy storage based on positional energy through hydraulic lifting of a rock mass as in DE 10 2010 034 757 B4 described, increase the lifting weight, but require a secure and difficult seal between the lifting cylinder and the ground. In the event of failure, the rock mass sinks to the ground and the displaced water floods the surrounding area.

Hubspeicherwerke, wie in DE 10 2007 057 323 A1 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 Wasserhaltungskosten über die Nutzungsdauer des Speichers nicht dessen Erlös zu sehr schmälern, erfüllt die Kombination Hubwerk in Schacht mit Ausnahme der Standortvoraussetzung die meisten Speichertechnologieanforderungen.Hub storage plants, as in DE 10 2007 057 323 A1 proposed, also use positional energy to temporarily store electricity by mechanically raising (loading) or lowering (unloading) a weight using a hoist, a principle that clock makers have been using for a long time to operate tower clocks. The idea of sinking a large mass deep into the earth to utilize existing disused shafts makes sense, but limits application to former mining areas. As long as the dewatering costs over the service life of the storage facility do not reduce its revenue too much, the combination of hoisting gear in a shaft meets most of the storage technology requirements, with the exception of the location requirements.

Obwohl Stromspeicher funktionell immer wichtiger werden, weil große Turbinen schrittweise vom Netz gehen, die mit ihren Rotormassen Frequenzschwankungen glätten konnten, sind die Markt- und Ertragsbedingungen für die Speicherbetreiber auch durch Netzentgelte, Umlagen, Steuern, Eigenverbrauch und Abgaben schwierig. Die gesetzlichen Rahmenbedingungen sind im ständigen Wandel, was langfristiges monetäres Planen erschwert und hohe Flexibilität verlangt.Although electricity storage is becoming more and more important functionally because large turbines that were able to smooth out frequency fluctuations with their rotor masses are gradually being taken off the grid, the market and earnings conditions for storage operators are also difficult due to network fees, levies, taxes, own consumption and levies. The legal framework is constantly changing, which makes long-term monetary planning difficult and requires a high level of flexibility.

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 Netzverbund betrieben werden kann,
  • • flexibler Anpassung an sich ändernde Markt- und Ertragsbedingungen 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 Selbstentladung bei automatischem fernsteuerbarem Betrieb,
  • • einer hohen Umweltverträglichkeit bei der Herstellung, Nutzung und beim Rückbau (vollständige Recyclingfähigkeit),
  • • geringen Betriebskosten bei niedrigem Hilfsenergieverbrauch.
The fictitious energy technology expert knows the storage technologies with all the advantages and disadvantages, improves efficiency, knows the economic constraints and the location requirements of the individual variants. However, solutions to the underlying requirements for the tasks of the invention according to the prior art are missing. These consist of:
  • • flexible choice of location, taking into account urban development guidelines for a consumption-oriented, frequency-stable power supply with renewable energy sources that can be operated independently and/or in a network network,
  • • flexible adaptation to changing market and earnings conditions through possible changes in operating mode,
  • • a long calendar lifespan with a consistently high level of system utilization,
  • • high operational reliability with low potential for damage,
  • • very short response times with a small-scale, modulable power supply to adapt to the network load,
  • • a high number of storage and withdrawal cycles without self-discharge with automatic, remote-controllable operation,
  • • high environmental compatibility during production, use and dismantling (complete recyclability),
  • • Low operating costs with low auxiliary energy consumption.

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 Stromangebote 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 Stromversorgung in Verbrauchernähe mit regenerativen Energiequellen ohne spezifische Standortvoraussetzung.According to the invention, the tasks are essentially solved by the features characterizing claims 1 to 7. The universal usage method including electricity storage for near-consumption power supply with renewable energy sources and its application achieved through the procedural measures, storage of fluctuating electricity supplies with short reaction times for network load adjustment, based on many separately controllable lifting modules, using positional energy in a protected structure, with simultaneous double use of the base area through photovoltaics and/or wind turbines, a new application quality. It consists of a secure, self-sufficient and grid-integrated power supply close to the consumer using renewable energy sources without any specific location requirements.

Mechanische Hubspeicher nutzen bekannterweise hocheffizient und selbstentladungsfrei 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 Bauwerk, lässt sich somit die Stromspeicherung und die Stromgenerierung platzsparend und effizient unterbringen, wodurch eine lastgängige Stromversorgung für fluktuierende Energiequellen entsteht.As is well known, mechanical hub storage uses the positional energy to temporarily store electricity in a highly efficient and self-discharge-free manner. The losses per cycle are less than 10% for power conversion and friction. Instead of moving a heavy lifting storage facility into deep, limited old shafts, it becomes location independent if the lifting height is reduced to a building format. With the same capacity, the number of lifting modules and the associated space requirement increase significantly. Photovoltaic systems also require large installation areas that do not allow for dual use except on roofs. In an appropriately designed tall structure, electricity storage and generation can be accommodated in a space-saving and efficient manner, creating a load-bearing power supply for fluctuating energy sources.

Ein Hubmodul 4 besteht aus einer Winde, an deren Seil- bzw. Kettenende ein Gewicht hängt, welches in Abhängigkeit vom Motor/Generatorbetrieb angehoben 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 sekundenschnell, 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 Handhabung auch noch in 100 Jahren Bestand hat.A lifting module 4 consists of a winch, at the end of which a rope or chain hangs a weight which is raised or lowered depending on the motor/generator operation. Each module interacts with the network as a separately controllable individual cell, has its own power conversion with a data bus connection and feeds in or withdraws power in a matter of seconds, depending on the requirements. Rope and chain winches are at a high technical level due to elevator and crane construction. Modern control and regulation technology combined with tried-and-tested mechanics result in a flexible storage technology that will still exist in 100 years in terms of efficiency and handling.

Aus wirtschaftlicher Sicht gibt es für die lastgängige Stromversorgung mit fluktuierenden Energiequellen inklusive Speicherung verschiedene Optionen, die Einfluss auf die Gestehungskosten nehmen. Bei gleicher Speicherkapazität 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/m3, aus Beton mit 2,4 t/m3 oder aus einem mit Wasser gefülltem Gefäß mit 1 t/m3 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 Grundfläche 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 Speicherladestand und vom Wetter aktivieren. Für die Frequenzstabilität sorgen lastabhängig 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.From an economic perspective, there are various options for the load-bearing power supply with fluctuating energy sources, including storage, which influence the production costs. With the same storage capacity, both the lifting height and the lifting weight of the individual modules determine the required floor space. The choice of material determines the number of lifting modules and thus the price, whether the weight consists of iron with 7.8 t/m 3 , concrete with 2.4 t/m 3 or a vessel filled with water with 1 t/m 3 . Is a clad steel structure sufficient as a building or does it have to be a solid concrete structure that has to fit into the urban planning context in terms of height and design. In addition to the price advantage due to large quantities of the same lifting modules at the respective location, these factors enable a high degree of monetary variability. The dual use of the floor space through storage and photovoltaics on the roof with the additional option of a south wall improves the profitability through mixed calculations and supplies its own electricity, which can be increased by wind turbines on the corners of the building. If there is also a biomass power plant nearby as a reserve for calm periods, it can be activated depending on the storage charge level and the weather. The many individually controllable hub modules ensure frequency stability depending on the load, meaning that the power grid remains functionally reliable even with fluctuating renewable energy sources, whether operated independently or in a network. An important prerequisite for the flexible power supply of the future in order to be able to do without fossil or nuclear energy sources.

Das universelle Verwendungsverfahren 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, fernsteuerbaren Betrieb, hohe Ein- und Ausspeicherzyklen bei sehr kurzen Reaktionszeiten und das alles ohne Selbstentladung, Degeneration, geringem Hilfsenergieverbrauch, niedrigen Betriebskosten, hoher Effizienz, hoher Umweltverträglichkeit und eine an die Gebäude grenzende kalendarische hohe Nutzungsdauer bei vollständiger Recyclingfähigkeit danach.The universal usage method including electricity storage for near-consumption power supply with renewable energy sources and its application also meets the other requirements. It does not require a terrain-specific topology and can be flexibly adapted to changing market and yield conditions, as storage, photovoltaics and wind power can be operated dependently or independently of one another depending on the market situation. It enables automatic, safe, remote-controllable operation, high storage and withdrawal cycles with very short response times and all of this without self-discharge, degeneration, low auxiliary energy consumption, low operating costs, high efficiency, high environmental compatibility and a long service life adjoining the buildings with complete recyclability afterwards .

1 stellt das prinzipielle universelle Verwendungsverfahren inklusive Stromspeicherung zur verbrauchsnahen Stromversorgung mit regenerativen Energiequellen und dessen Anwendung dar. 1 represents the basic universal usage method including electricity storage for near-consumption power supply with renewable energy sources and its application.

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. Südseite 3, von Windturbinen 7, vom Biomassenkraftwerk 8 oder vom Stromüberschuss 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 Verwendungsverfahren 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.Depending on the planned storage capacity and in accordance with monetary considerations, many individually controllable lifting modules 4 are installed in the building 1, which are connected to the central computer-aided control unit 5 by means of power lines 11 and data bus line 12. The input current reaches the central computer-aided control unit 5 via power lines 11 and comes from the photovoltaics 6 on the roof 2 or south side 3, from wind turbines 7, from the biomass power plant 8 or from the surplus electricity from the network 9. Depending on the operating mode, whether self-sufficient Remote control 10 from the network operator is possible on an island network or in a network. The central computer-aided control unit 5 can be flexibly programmed depending on the market and yield conditions as to whether the input stream from 6, 7 and or 8 is forwarded and billed as output via the network 9, or whether a part is temporarily stored via the hub modules 4 to be able to feed it in more profitably later when the load is reduced. The same also applies to cheap surplus electricity from the grid. A capability that is particularly important for operators during the transition period on the way to renewable energy supply. This means that each network can automatically operate at a stable frequency with a long service life and consistently high efficiency, even if the large rotor masses of the turbines are missing. The tasks are now completely solved. The universal usage method is particularly suitable for the strongly fluctuating load changes in railway operations when e-locks start up or feed in electricity when braking. The location near the railway network does not require any other requirements other than the required floor space.

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 Salzstöcke 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.With the combination of storage, control and self-generated electricity using renewable energy sources in one place in a building, which neither require topological conditions like pumped storage plants, nor geological ones like compressed air power plants, which rely on leachable salt domes for the pressure storage, there is no problem additional space required for photovoltaics, with appropriate dimensions, a functionally reliable, highly flexible, long-lasting, highly efficient power supply is available. With a steel framework construction, the material value also increases after a possible 100 years of use. Another option is for former open brown coal opencast mine extinguishers, which, instead of being flooded with water, use the cavity up to the earth's surface through appropriate large-scale lifting structures for storage and photovoltaics.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
BauwerkBuilding
22
DachRoof
33
SüdseiteSouth side
44
HubmodulHub module
55
rechnergestützte zentrale Steuereinheitcomputer-aided central control unit
66
PhotovoltaikPhotovoltaics
77
WindturbinenWind turbines
88th
BiomassekraftwerkBiomass power plant
99
Netznetwork
1010
FernsteuerungRemote control
1111
Stromleitungpower line
1212
DatenbusleitungData bus line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1987299 B1 [0007]EP 1987299 B1 [0007]
  • DE 102010034757 B4 [0010]DE 102010034757 B4 [0010]
  • DE 102007057323 A1 [0011]DE 102007057323 A1 [0011]

Claims (7)

Universelles Verwendungsverfahren inklusive Stromspeicherung zur verbrauchsnahen Stromversorgung mit regenerativen Energiequellen und dessen Anwendung, bestehend aus den bekannten technologischen Verfahren zur Lageenergienutzung mittels Hubspeicherwerk, Sonnenenergienutzung mittels Photovoltaik, Windenergienutzung mittels Windturbine und Biomassenutzung mittels thermischen Kraftwerks, die mit einem Stromverbundnetz und oder einem autarken Stromnetz interagieren, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Hubhöhe eines Hubspeicherwerks von örtlich zulässigen Gebäudeformaten bestimmt wird, b) dass die sich aus der geplanten Speicherkapazität und der Hubhöhe ergebende Gesamthublast auf einzelne Hubmodule aufgeteilt wird, c) dass ein Hubmodul (4) aus einer Winde mit Motor-/Generatorbetrieb und einem vertikal geführten Hubgewicht besteht, welches durch ein Seil bzw. einer Kette mit der Winde verbunden wird, d) dass jedes Hubmodul (4) mit eigener Stromkonvertierung ausgerüstet und über eine Datenbusverbindung separat gesteuert wird, e) dass die Einzelgröße eines Hubmoduls (4) kostenoptimiert durch die Abwägung zwischen Materialwahl des Hubgewichtes und der standardisierbaren Serienfertigung der Winden in großen Stückzahlen bestimmt wird, f) dass mit dem wählbaren Flächen- Höhenverhältnis der Hubmodulgewichte der kostenrelevante umbaute Raum des Bauwerks (1) bestimmt wird, g) dass mit der Anzahl der Hubmodule (4) der Grundflächenbedarf für das Bauwerk (1) des Hubspeicherwerks bestimmt wird, h) dass die Grundfläche des Bauwerks (1) durch die besonnten Flächen auf dem Dach (2) doppelt und die Südseite (3) zusätzlich mittels Photovoltaik genutzt wird, i) dass es in Verbrauchernähe universell ohne geologische, spezifische oder topologische Standortvoraussetzung nutzbar wird, j) dass durch den modularen Aufbau eine universelle Skalierung der Speicherkapazität bei gleichbleibender Effizienz erreicht wird, k) dass die separate Stromkonvertierung mit Datenbusansteuerung der jeweiligen Hubmodule (4) direkt von einer rechnergestützten zentralen Steuereinheit (5) mit dem zu regelnden Netz (9) verbunden wird, 1) dass von einer rechnergestützten zentralen Steuereinheit (5) aus über die Datenbusleitung (12) mit der Einzelansteuerung der Hubmodule (4) sekundenschnell, flexibel, punktgenau, fernsteuerbar und automatisch im Bereich von 0 - 100% der Speicherleistung kleinteilig durch modulierbare Einspeisestrommengen die Netzlast geregelt wird, m) dass Strom, ob von Photovoltaik (6), von Windturbinen (7), vom Biomassekraftwerk (8) aus der Eigengenerierung oder Stromüberschuss aus dem Netz (9), in den Hubmodulen (4) sortenrein gespeichert und je nach Markt- und Ertragsbedingungen bezüglich Netzentgelte, Umlagen, Steuern, Eigenverbrauch oder Abgaben flexibel zurück gespeist wird, n) dass durch die hohe Anzahl der Hubmodule (4), selbst bei Ausfall einzelner, eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet wird. Universal usage method including electricity storage for near-consumption power supply with renewable energy sources and its application, consisting of the known technological methods for the use of positional energy using a lifting storage plant, using solar energy using photovoltaics, using wind energy using a wind turbine and using biomass using a thermal power plant, which interact with an interconnected electricity network and/or a self-sufficient power network, thereby characterized , a) that the lifting height of a lifting storage plant is determined by locally permissible building formats, b) that the total lifting load resulting from the planned storage capacity and the lifting height is divided among individual lifting modules, c) that a lifting module (4) consists of a winch with motor /Generator operation and a vertically guided lifting weight, which is connected to the winch by a rope or chain, d) that each lifting module (4) is equipped with its own power conversion and is controlled separately via a data bus connection, e) that the individual size of a lifting module (4) is determined in a cost-optimized manner by weighing up the choice of material for the lifting weight and the standardizable series production of the winches in large quantities, f) that the cost-relevant enclosed space of the building (1) is determined with the selectable area-height ratio of the lifting module weights, g) that with the number of lifting modules (4) determines the floor area requirement for the building (1) of the lifting storage plant, h) that the floor area of the building (1) is doubled by the sunny areas on the roof (2) and the south side (3) is also doubled using photovoltaics is used, i) that it can be used universally near the consumer without any geological, specific or topological location requirements, j) that the modular structure achieves universal scaling of the storage capacity with constant efficiency, k) that the separate power conversion with data bus control of the respective hub modules ( 4) is connected directly from a computer-aided central control unit (5) to the network (9) to be regulated, 1) that from a computer-aided central control unit (5) via the data bus line (12) with the individual control of the hub modules (4) in a matter of seconds, Flexible, precise, remotely controllable and automatically in the range of 0 - 100% of the storage capacity, the network load is regulated in small parts through modulable feed-in current quantities, m) that electricity, whether from photovoltaics (6), from wind turbines (7), from the biomass power plant (8) from the Self-generation or surplus electricity from the network (9), stored in the hub modules (4) and flexibly fed back depending on market and yield conditions with regard to network fees, levies, taxes, own consumption or levies, n) that due to the high number of hub modules ( 4), even if individual failures occur, a high level of operational reliability is guaranteed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Windturbinen auf dem Dach (2) oder um das Bauwerk (1) an geeigneten Stellen zur Erhöhung der örtlichen Stromgenerierung Windenergie genutzt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that wind energy is used by wind turbines on the roof (2) or around the building (1) at suitable locations to increase local electricity generation. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überbrückung einer längeren Energiequellenflaute der Stromengpass durch witterungsgeführte zuschaltbare thermische Biomassekraftwerke zur Stabilisierung ausgeglichen wird.Method according to one or more of claims 1 to 2, characterized in that, in order to bridge a prolonged lull in energy sources, the electricity bottleneck is compensated for stabilization by weather-controlled, switchable thermal biomass power plants. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die hohe Effizienz bis zum Ablauf der Nutzungsdauer und wegen der recyclefähigen Bau- und Werkstoffe die Umwelt gering belastet wird.Method according to one or more of the Claims 1 until 3 , characterized in that due to the high efficiency until the end of the useful life and because of the recyclable building and materials, there is little impact on the environment. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Wahl der Hubhöhe, den qualitativen Anspruch an das jeweilige Bauwerk (1) und die Dimensionierung des Einzelmoduls eine hohe fallbezogene monetäre Variabilität bezüglich Maße und Material erreicht wird,Method according to one or more of the Claims 1 until 4 , characterized in that with the choice of the lifting height, the qualitative demands on the respective structure (1) and the dimensioning of the individual module, a high case-related monetary variability in terms of dimensions and material is achieved, Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es ohne zusätzliche Hilfsenergie startfähig ist und der Ladezustand bei Nichtnutzung verlustfrei erhalten wird.Method according to one or more of the Claims 1 until 5 , characterized in that it can be started without additional auxiliary energy and the state of charge is maintained without loss when not in use. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Hubspeichers die Netzlastanpassung regelt, während gleichzeitig im anderen Teil Überschussstrom gespeichert wird.Method according to one or more of the Claims 1 until 6 , characterized in that one part of the hub storage regulates the network load adjustment, while at the same time excess electricity is stored in the other part.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102007057323A1 (en) 2007-11-29 2009-06-04 Jürgen Dipl.-Ing. Pesch Hub reservoir power station for power supply to e.g. household application, has hub mass moved vertically downwards for energy production such that generator is powered for production and energy recovery is carried out in electrical network
EP1987299B1 (en) 2006-02-16 2009-08-26 Thermea.Energiesysteme GmbH Method for storing and recovering energy
DE102010034757B4 (en) 2010-08-19 2013-02-14 Prof. Dr. Eduard Heindl Energy storage based on positional energy by hydraulic lifting of a rock mass

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