WO2023156677A1

WO2023156677A1 - Anordnung zur stabilisierung von elektrizitätsnetzen mit kaverne zur gasspeicherung

Info

Publication number: WO2023156677A1
Application number: PCT/EP2023/054286
Authority: WO
Inventors: Oliver Feller
Original assignee: Stablegrid Engineers GmbH
Priority date: 2022-02-21
Filing date: 2023-02-21
Publication date: 2023-08-24
Also published as: DE102022104030A1

Abstract

Anordnung zur Stabilisierung eines Elektrizitätsnetzes (91) mittels eines Energiespeichers. Der Energiespeicher umfasst einen von dem Elektrizitätsnetz gespeisten Gasgenerator (2) für einen gasförmigen Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, und eine Kaverne (6) mit einem in die Kaverne (6) reichenden Anschlussrohr (4). Zum Einspeichern von Energie über das Anschlussrohr (4) wird von dem Gasgenerator (2) erzeugter gasförmiger Brennstoff in die Kaverne (6) eingebracht und zum Ausspeichern von Energie aus der Kaverne (6) entnommen. Erfindungsgemäß ist das Anschlussrohr (4) als in die Kaverne (6) reichende Dual-Direktional-Leitung (5) ausgeführt, die jeweils eine Befüllungsleitung (51) sowie eine gesonderte Entnahmeleitung (52) umfasst. Damit ist es ermöglicht, den gasförmigen Brennstoff in die Kaverne (6) einzuspeisen und negative Regelleistung gegenüber dem Elektrizitätsnetz (91) bereitzustellen, sowie gleichzeitig auch mittels der gesonderten Entnahmeleitung (52) den gasförmigen Brennstoff aus der Kaverne (6) zu entnehmen für eine der Verwendungseinheiten (3), um Methan zu erzeugen mittels der Methanisieranlage (33) oder zur Rückverstromung (31). Umständliche Umschaltvorgänge an den Leitungen sind nicht erforderlich, so dass schnell die Regelleistung bereitgestellt werden kann. Die Befüllungsleitung (51) und Entnahmeleitung (52) sind vorzugsweise benachbart in zwei, ggf. einem, Bohrschacht zur Kaverne (6) geführt.

Description

Anordnung zur Stabilisierung von Elektrizitätsnetzen mit Kaverne zur Gasspeicherung

Die Erfindung betri f ft eine Anordnung zur Stabilisierung von Elektri zitätsnetzen . Die Anordnung weist einen Energiespeicher auf , der ausgeführt ist als eine Kaverne zur Gasspeicherung . Ein von dem Elektri zitätsnetz gespeister Gasgenerator erzeugt Gas , insbesondere Wasserstof f , das zum Speichern von Energie in die Kaverne als Gas eingespeichert werden kann, um bei Bedarf zur Abgabe von Energie wieder entnommen werden zu können .

Im Rahmen der Energiewende zu erneuerbaren Energien steigt der Anteil von volatiler und dezentraler Stromerzeugung, wie sie typisch ist für mit erneuerbaren Energiequellen betriebene Kraftwerke wie Windenergieanlagen oder Photovoltaikanlagen . Zu den stets vorhandenen Schwankungen auf der Lastseite ergeben sich somit auch zusehends dynamischere Schwankungen auf der Erzeugungsseite . Dabei kommt es auch temporär zu Überschüssen bei der Erzeugung, was in der Folge Maßnahmen im Rahmen eines Einspeisemanagements erfordert , wie beispielsweise die Abregelung von Kraftwerken . Häufig tri f ft dies Windenergieanlagen, da sie anders als konventionelle Kraftwerke einen hohen Leistungsgradienten aufweisen und somit schnell abgeregelt werden können . Das ist nicht nur unter dem Gesichtspunkt der Stabilität des Stromnetzes kritisch zu sehen, sondern auch im Hinblick auf den mit der Abregelung von Windenergieanlagen einhergehenden Verlust an erneuerbarer Energie . Es ist unbefriedigend, dass damit ausgerechnet die an sich erwünschte Energieform nicht voll ausgenutzt , sondern begrenzt wird und somit das an sich bereitstehende Potenzial zu Erzeugung erneuerbarer Energie durch den erzwungenen Stillstand der Windenergieanlage verschenkt wird . Es werden daher für die Elektri zitätsnetze Speicher benötigt , um das fluktuierende Angebot an elektrischer Energie aus erneuerbaren Energien besser an die Nachfrage anpassen zu können und möglichst ohne die Abregelung aus zukommen . Neben Batteriespeichern, die in der Regel nur kleine Energiemengen speichern können, und Pumpspeicherkraftwerken, die viel Platz benötigen und deren Bau einen erheblichen Eingri f f in die Landschaft darstellen mit entsprechend großen Problemen bezügl ich Naturschutz , spielen auch Gasspeicher eine Rolle . Damit kann bei Überschuss von elektrischer Leistung Gas erzeugt werden, beispielsweise Wasserstof f gas durch Elektrolyse , und im Gasspeicher eingespeichert werden . Auf diese Weise wird eine Reserve geschaf fen, die im Bedarfs fall , bei einer Unterproduktion von elektrischer Leistung oder bei hohem Leistungsbedarf , abgerufen werden kann .

Solche Gasspeicher sind nicht zwingend auf eine Gasart festgelegt . Geeignet sind insbesondere der bereits erwähnte Wasserstof f wie auch Erdgas ( erzeugt durch Methanisierung ) von überschüssiger elektrischer Energie . Im Fall von Wasserstof f wird beispielsweise mittels eines Elektrolyseurs Wasserstof f erzeugt aus überschüssiger elektrischer Energie , und der Wasserstof f wird in einer Kaverne gespeichert . Kavernen s ind große unterirdische Hohlräume , die sich in geeigneten geologischen Schichten befinden und gasdicht sind . Sie können natürlichen Ursprung sein oder auch künstlich geschaf fen sein, wie bspw . beschrieben in EP 2 855 306 Al . In solch eine Kaverne wird das Gas ( insbesondere Wasserstof f ) über ein Anschlussrohr unter hohem Druck von typischerweise 40 bis 200 bar eingespeichert , darin über eine unbestimmte Zeit gespeichert und bei Bedarf wieder mittels des Anschlussrohrs entnommen . Das Konzept ermöglicht die Einspeicherung von großen Gasvolumen und damit entsprechend großen Energiemengen . Das Konzept hat sich bewährt , insbesondere beim Betrieb an Gasnetzen mit Verhältnis- mäßig langen Einspeicher- bzw . Ausspeicher-Zyklen . Zur Stützung des mit volatilen, erneuerbaren Energien gespeisten Elektri zitätsnetzes und den damit verbundenen hohen Anforderungen an Dynamik in Bezug auf schnelle Bereitstellung von Regelenergie und Regelleistung genügt dies j edoch nicht .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , eine in Bezug auf Dynamik verbesserte Anordnung zur Stabilisierung von Elektrizitätsnetzen bereitzustellen, die insbesondere ein Abregeln oder Abschalten von mit erneuerbaren Energien betriebenen Kraftwerken, wie Windparks und Windenergieanlagen, vermeidet oder vermindert .

Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs . Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .

Bei einer Anordnung zur Stabilisierung eines Elektrizitätsnetzes mittels eines Energiespeichers , wobei der Energiespeicher einen von dem Elektri zitätsnetz gespeisten Gasgenerator für einen gas förmigen Brennstof f , insbesondere Wasserstof f , und eine Kaverne mit einem in die Kaverne reichenden Anschlussrohr umfasst , wobei zum Einspeichern von Energie über das Anschlussrohr der von dem Gasgenerator erzeugte gas förmige Brennstof f in die Kaverne eingebracht wird und zum Ausspeichern von Energie aus der Kaverne entnommen wird, i st erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Anschlussrohr als in die Kaverne reichende Dual-Direktional-Leitung ausgeführt ist , die j eweils eine Befüllungsleitung sowie eine gesonderte Entnahmeleitung umfasst .

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, durch gesonderte Leitungen zur Befüllung und zur Entnahme sowohl ein kontinuierliches und paralleles Einspeichern wie auch Ausspeichern zu ermöglichen, ohne dass dazu umständliche Umschaltvorgänge an den Leitungen vorzunehmen sind und insbesondere die Strömungsrichtung in den Leitungen umzukehren ist . Unter „parallel" wird vorliegend verstanden, dass das Einspeichern zeitlich überlappend mit dem Ausspeichern erfolgt . Damit kann schneller zwischen dem Einspeichern von Gas ( dem gas förmigen Brennstof f ) in die Kaverne und dem Entnehmen aus der Kaverne gewechselt werden . Damit erfüllt die erfindungsgemäße Anordnung zur Stabilisierung auch hohe Anforderungen an die Dynamik, wie sie insbesondere für Elektri zitätsnetze mit einem hohen Anteil von volatiler Erzeugung aus erneuerbaren Energien erforderlich ist .

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht gleichzeitige Einspeicher- sowie Ausspeichervorgänge , was im Stand der Technik nicht möglich war . Dank der Erfindung ist auch während des Befüllens zu j edem Zeitpunkt eine Entnahme möglich . So kann auch bei Entnahme von Gas weiterhin ein kontinuierliches , ungepuffertes ( ohne Zwischenspeicher ) Befüllen erfolgen .

Wegen des gleichzeitigen Befüllens und Entnehmens kann mit hoher Dynamik auf unterschiedliche Anforderungen, Energie auf zunehmen und/oder abzugeben reagiert werden . Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich nicht nur als dynamischer Energiespeicher, sondern auch zur Bereitstellung von schneller Regelleistung, und zwar sowohl aufnehmend aus dem Elektri zitätsnetz wie auch abgebend in das Elektri zitätsnetz (negative bzw . positive Regelleistung) . Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich somit zur Bereitstellung von Primärregelleistung, und wegen ihres durch die Kaverne bedingten großen Speichervolumens an Gas auch zur länger andauernden Bereitstellung von Sekundärregelleistung oder von länger laufender Minutenregelleistung . Da Kavernen ef fi zient in geeigneten geologischen Formationen zu erzeugen sind oder gegebenenfalls durch vorangegangene Ausbeutung von Erdgas feldern ohnehin bereits zur Verfügung stehen, ermöglicht die Erfindung all diese Vorzüge mit deutlich geringerem Aufwand als bei herkömmlichen bekannten Speichertechniken, wie mittels Puf ferbatterien oder durch Pumpspeicherkraftwerke .

Zweckmäßigerweise ist die Dual-Direktional-Leitung mit ihrer Befüllungsleitung zum kontinuierlichen, von der Entnahme unabhängigen Einspeisen und/oder zur kontinuierlichen, von der Einspeisung unabhängigen Entnahme ausgebildet . Diese Unabhängigkeit bietet eine Reihe von Vorteilen : erstens wird ein andauernder Bezug von elektrischer Leistung aus dem Elektri zitätsnetz ermöglicht , um so auch bei einem Überschus s an Leistung im Netz ein Abregeln der Windenergieanlagen zu vermeiden . Zweitens kann durch die Möglichkeit der kontinuierl ichen Befüllung ein Leerläufen des Speichers verhindert werden . Drittens kann stets Gas entnommen werden . Damit steht die Kaverne als großer Speicher für Reserveenergie zur Verfügung, aus dem bei Bedarf j ederzeit elektrische Leistung bereitgestellt und abgegeben werden kann .

Nachfolgend seien zuerst einige verwendete Begri f fe erläutert :

Bei den Elektri zitätsnetzen kann es sich insbesondere um Übertragungsnetze und Verteilungsnetze handeln, wie sie typischerweise von einem oder mehreren Netzbetreibern in einem Land betrieben werden . Nicht umfasst von dem Begri f f sind Netze innerhalb von Gebäuden .

Bei dem Gasgenerator handelt es sich um eine Vorrichtung, die mittels Elektri zität einen gas förmigen Brennstof f erzeugt . Brennstof f ist fachüblich in dem Sinne zu verstehen, dass es sich um einen chemischen Stof f handelt , dessen gespeicherte Energie sich durch Verbrennung in nutzbare Energie umwandeln lässt . So sind von diesem Begri f f umfasst insbesondere chemi- sehe Brennstoffe, wie Methan, wie auch elektrochemische Brennstoffe, wie Wasserstoff zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen .

Kavernen sind unterirdische Hohlräume. Sie sind gasdicht und können natürlichen Ursprungs sein oder auch künstlich geschaffen sein. Typischerweise sind es gewisse geeignete, geologische Schichten, in denen sich Kavernen befinden.

Mit aus der Kaverne entnommenen Gas ist solches Gas (gasförmiger Brennstoff) gemeint, welches erfindungsgemäß mittels des Gasgenerators erzeugt und in die Kaverne eingespeichert worden ist .

Die Begriffe Primärregelleistung, Sekundärregelleistung sowie Minutenreserveleistung sind Fachbegriffe für Netzbetreiber, insbesondere von Ubertragungsnet zen . Sie sind in fachmännischer Weise definiert in dem für das jeweilige Übertragungsnetzen geltenden Regelwerk. Dies kann von Land zu Land oder von Regelzone zu Regelzone variieren, sodass eine konkrete Angabe der jeweiligen Kriterien nicht sinnvoll ist, sondern sich für den Fachmann eindeutig aus dem entsprechenden einschlägigen Regelwerk ergibt.

Mit Vorteil ist vorgesehen, dass an die Entnahmeleitung mehrere verschiedene Verwendungseinheiten für das aus der Kaverne entnommene Gas angeschlossen sind. Auf diese Weise kann das aus der Kaverne entnommene Gas optional auch auf andere Weise verwendet werden. Außer einer Einrichtung zur Rückverstromung des Gases, insbesondere eine Brennstoffzelle oder eine Kraft- Wärme-Kopplungsanlage (KWK-Anlage) , kann es sich bei den Verwendungseinheiten insbesondere handeln um eine Methanisieran- lage, die dazu ausgebildet ist mittels des aus der Kaverne entnommenen gasförmigen Brennstoffs (insbesondere Wasserstoffgas) Methan zu synthetisieren, und/oder um einen Ubergabepunkt an ein Gasnetz , an dem das entnommene Gas direkt in das Gasnetz eingespeist wird . Bei dem Gasnetz kann es sich insbesondere um ein Erdgasnetz handeln . Es soll aber nicht ausgeschlossen sein, dass es sich um ein Netz für ein anderes Gas , insbesondere Wasserstof fgas , handelt .

Um zwischen den verschiedenen Verwendungseinheiten wählen zu können, ist zweckmäßigerweise mindestens eine umschaltbare Gasweiche an die Entnahmeleitung angeschlossen, wobei j e nach Schalt zustand der Gasweiche das entnommene Gas ( der gas förmige Brennstof f ) zu einer der verschiedenen Verwendungseinheiten strömt . Es ist dabei von Vorteil , wenn die Gasweiche auch zum Schalten von Teilströmen ausgebildet ist . Auf diese Weise kann ein Teil des entnommenen Gases beispielsweise zur Rückverstro- mung verwendet werden, während ein anderer Teil des Gases zu einer anderen der Verwendungseinheiten 3 geführt ist , bspw . der Methanisieranlage . Vorzugsweise ist die Gasweiche so ausgeführt , dass sie auch bei laufender Entnahme umschaltbar ist . Damit kann das Umschalten erfolgen, ohne die Entnahme aus der Kaverne zu unterbrechen .

Gemäß einem besonders vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist eine Steuerung für Regelleistung vorgesehen, die einen Eingang für ein Signal für eine Soll-Regelleistung, insbesondere negative Soll-Regelleistung, aufweist und die dazu ausgebildet ist , den Gasgenerator so anzusteuern, dass eine der , insbesondere negativen, Soll-Regelleistung entsprechende Leistung aus dem Elektri zitätsnetz aufgenommen wird zum Erzeugen von Gas , das in die Kaverne eingespeichert wird . Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Anordnung mit ihrer Kaverne teilnehmen an der Bereitstellung von Regelleistung . Der Netzbetreiber ( oder eine andere übergeordnete Stelle am oder im Netz ) übermitteln ein Signal für eine angeforderte Regelleistung ( Sol l-Regelleistung) . Häufig handelt es sich hierbei um die Anforderung von negativer Regelleistung, d . h . bei einer überhohen Produktion von Leistung insbesondere durch Windenergieanlagen ist es erforderlich, die überschüssige Leistung aus dem Netz zu entnehmen . Dazu gibt der Netzbetreiber ein Steuersignal für negative Soll-Regelleistung aus . I st dies an die Steuerung der erfindungsgemäßen Anordnung angelegt , so entnimmt sie gemäß der angeforderten Soll-Regelleistung entsprechend mehr Leistung aus dem Netz , erzeugt daraus Gas und speichert dieses in die Kaverne ein . Damit kann, insbesondere bei einem Elektrolyseur als Gasgenerator, rasch innerhalb von Sekunden auf einen Leistungsüberschuss im Netz reagiert werden . Außerdem kann wegen des großen Volumens der Kaverne die Regelleistung verhältnismäßig lange bereitgestellt werden, typischerweise über 60 min, ggf . auch länger über mehrere Stunden .

Mit Vorteil ist weiter vorgesehen, dass die Steuerung für Regelleistung ferner auf eine Rückverstromungs-Einrichtung einwirkt , um eine zusätzliche Leistung als positive Regelleistung in das Elektri zitätsnetz einzuspeisen . Hierbei kommt es im Grunde zur Umkehrung des vorstehend beschriebenen Vorgangs . Im Netz entsteht ein zusätzlicher Leistungsbedarf , und der Netzbetreiber gibt ein Soll-Signal für die Einspeisung von zusätzlicher Leistung aus (positive Regelleistung) . Die Steuerung wirkt auf die Rückverstromungs-Einrichtung entsprechend ein, für die Gas aus der Kaverne entnommen wird (und zwar unabhängig davon, ob gleichzeitig weiteres Gas eingespeichert wird) . Die Rückverstromungs-Einrichtung erzeugt aus dem Gas zusätzlich elektrische Leistung, beispielsweise mittels einer Brennstof f zelle oder einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ( KWK-An- lage ) , und speist diese in das Netz ein ( oder gibt sie ab an einen Verbraucher ) . Auch dies kann einerseits mit hoher Dynamik und andererseits dank des großen Speichervolumens der Kaverne über eine längere Zeitdauer erfolgen . Bei der KWK-Anlage kann es sich bspw . um eine mit Wasserstof f betriebene Gasturbine handeln, die einen Elektri zitätsgenerator antreibt . Zweckmäßigerweise ist eine schaltbare Bypassleitung vorgesehen, die zwischen Gasgenerator und Kaverne an die Befüllungsleitung angeschlossen ist und diese mit der Entnahmeleitung verbindet . Mit dieser kann vom Gasgenerator erzeugtes Gas bei Bedarf unmittelbar zu der Verwendungseinheit ( oder einer der Verwendungseinheiten) geleitet werden, ohne dass das Gas vorher in die Kaverne eingeleitet wird . Auf diese Weise kann ggf . schnell auf Änderungen im Gasbedarf einer der Verwendungseinheiten reagiert werden . Damit kann eine weitere Steigerung der Dynamik der Anlage erreicht und die Ef fi zienz gesteigert werden .

Im Grunde stellt die Kaverne einen großen Puf fer für die Speicherung von Elektri zität dar . Dennoch kann es zweckmäßig sein, optional zusätzlich einen Puf ferakkumulator vorzusehen . Dieser ist von dem an den Gasgenerator angeschlossenen Elektri zitätsnetz gespeist und insbesondere zur schnellen Leistungsabgabe und/oder Leistungsaufnahme ausgebildet . Damit kann, ähnlich wie bei der Bypassleitung in Bezug auf die Versorgung mit Gas , bei Bedarf besonders schnell elektrische Energie bereitgestellt werden, und so eine Erhöhung der Dynamik in Bezug auf die Einspeisung elektrischer Energie erreicht werden . Ferner kann mit dem Puf ferakkumulator eine Stabilisierung und Glättung bezüglich der elektrischen Versorgung des Gasgenerators , insbesondere des Elektrolyseurs , erreicht werden .

Mit Vorteil sind die Befüllungsleitung und die Entnahmeleitung voneinander beabstandet in die Kaverne geführt . Zweckmäßigerweise haben sie einen Abstand von mindestens 5 Metern, wobei dieses Abstandsmaß von den Abmessungen ( insbesondere Durchmesser ) der Befüllungs- und Entnahmeleitung abhängen kann . Vorzugsweise sind die Befüllungs- und Entnahmeleitung benachbart angeordnet ; darunter wird verstanden, dass der Abstand bezogen auf den Durchmesser zwischen dem drei fachen und dem dreißigfachen des Durchmessers beträgt , insbesondere mindestens dem zehnfachen Durchmesser und weiter vorzugsweise maximal dem zwanzigfachen Durchmesser . Es kann von Vorteil sein, hierzu einen mittleren Durchmesser heranzuziehen; unter dem mittleren Durchmesser wird der gemittelte Durchmesser von der Befüllungsleitung bzw . der Entnahmeleitung verstanden . Die Art der Mittelung ist fachmännisch zu wählen; sie kann insbesondere ein arithmetisches Mittel , ein geometrisches Mittel oder eine andere Art der Mittelwertbildung sein . Anstelle des (mittleren) Durchmessers kann ein Maß für die (mittlere ) Weite der j eweiligen Leitung treten; dies eignet sich bspw . besonders bei Befüllungs- und/oder Entnahmeleitung mit nicht- kreis förmigem Querschnitt . - Ein solcher Abstand soll bewirken, dass sich keine schädlichen Strömungseinflüsse durch das einströmende Gas auf die Gasentnahme ergeben und umgekehrt . Es wird so eine bessere Entkopplung der Befüllungsleitung von der Entnahmeleitung erreicht und damit die Gefahr minimiert, dass sich Befüllungsleitung und Entnahmeleitung gegenseitig beeinflussen . Es ist , insbesondere auch bei benachbarter Anordnung, zweckmäßig, gesonderte Bohrschächte für die Befüllungsleitung und die Entnahmeleitung vorzusehen .

Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Dual-Direktional- Leitung mit ihrer Befüllungsleitung und gesonderter Entnahmeleitung in einem gemeinsamen Bohrschacht angeordnet sind . Dann sind die beiden Leitungen zum Befüllen und Entnehmen zwar nicht mehr voneinander beabstandet , aber die Funktionalität des Entnehmens unabhängig vom Einspeichern bzw . das Einspeichern unabhängig vom Entnehmen ist dennoch gewährleistet . Diese raumsparende Bauweise eignet sich insbesondere für solche Kavernen, die an ihrem oberen Bereich verhältni smäßig schmal sind . Weiter vereinfacht das Zusammenfassen der Dual- Direktional-Leitung in einem Bohrschacht die Herstellung und verringert somit den Herstellungsaufwand . Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die Be füllungsleitung und die Entnahmeleitung mit ihrer j eweiligen Mündung verschieden tief in die Kaverne reichen, wobei vorzugsweise die Befüllungsleitung tiefer reicht . Auf diese Weise kann die dritte Dimension, nämlich die Tiefe der Kaverne , genutzt werden, um eine verbesserte Entkopplung zwischen Befül lungsleitung und Entnahmeleitung zu erzielen . I st die Entnahmeleitung mit ihrer Mündung höher in der Kaverne angeordnet , so erleichtert dies das Entnehmen von Gas bei geringem Füllstand .

Die Kaverne ist zweckmäßigerweise in einem Sal zstock ausgeformt . Diese eignen sich aufgrund ihrer geologischen Eigenschaften besonders zur gasdichten Speicherung . Hierbei ist die Kaverne fachmännisch zu unterscheiden von einem sog . Porenspeicher . Die Kaverne ist druckfest , zweckmäßigerweise ist sie für einen Betriebsdruck von mindestens 40 bar, vorzugsweise bis zu 200 bar ausgebildet . Es hat sich gezeigt , dass bei diesem Druckbereich ein besonders günstiger Betrieb der Kaverne ermöglicht ist , insbesondere im Hinblick auf wirtschaftliche Betriebstechnik und geomechanische Stabilität .

Die Erfindung erstreckt sich gemäß einem weiteren Aspekt , der ggf . unabhängigen Schutz verdient , auch auf die Kaverne zur Speicherung von gas förmigem Brennstof f , wobei erfindungsgemäß das Anschlussrohr als in die Kaverne reichende Dual-Direktio- nal-Leitung ausgeführt ist , die j eweils eine Befüllungsleitung sowie eine gesonderte Entnahmeleitung umfasst , vorzugsweise einander benachbart . Im Übrigen wird zur näheren Erläuterung der Kaverne mit ihrer Dual-Direktional-Leitung, ihrer weiteren Ausgestaltung und der Betriebsweise zur Vermeidung von Wiederholungen auf vorstehende Beschreibung verwiesen .

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand vorteilhafter Aus führungs formen beispielhaft erläutert . Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 ein Diagramm zur Bereitstellung von Regelleistung;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform; und

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform.

In Figur 1 ist die Erfindung am Beispiel einer ersten Ausführungsform dargestellt. Die in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete Anordnung zur Stabilisierung eines Elektrizitätsnetzes umfasst als Hauptkomponenten einen Gasgenerator 2 sowie Verwendungseinheiten 3, die über eine Rohrverbindung 4 angeschlossen sind an eine unterirdische Kaverne 6. Die Kaverne 6 ist angeordnet in einem subterranen Salzstock 90. Die Erfindung wird erläutert am Beispiel von Wasserstoff als das Gas, das von dem Gasgenerator 2 als gasförmiger Brennstoff erzeugt und in die Kaverne 6 eingespeichert wird - es versteht sich, dass auch andere gasförmige Brennstoffe verwendet werden können (bspw. Methan) .

Die Anordnung zur Stabilisierung 1 ist über einen Anlagentransformator 10 angeschlossen an ein Elektrizitätsnetz 91, im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Übertragungsnetz eines Netzbetreibers. Der Gasgenerator 2 ist über eine Verbindungsleitung 12 angeschlossen an den Anlagentransformator 10 und wird darüber mit elektrischer Leistung versorgt. Der Gasgenerator 2 ist dazu ausgebildet, unter Einsatz von elektrischer Leistung Wasserstoff gas zu erzeugen. Dies kann auf an sich bekannte Weise geschehen, vorzugsweise ist der Gasgenerator 2 ausgeführt als ein Elektrolyseur. Es sind aber auch andere elektrisch betriebene Verfahren zur Erzeugung von Wasserstof f möglich .

Ferner an den Anlagentrans formator 10 angeschlossen ist über eine weitere Verbindungsleitung 13 eine Kraf t-Wärme-Kopplungs- anlage (KWK-Anlage ) oder eine Brennstof f zelle 31 , die eine der Verwendungseinheiten 3 ist . Über diese Verbindungsleitung 13 kann von der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage , bspw . einem von einer Wasserstof f-Gasturbine angetriebenen Elektri zitätsgenerator, oder Brennstof f zelle , 31 im Wege der Rückverstromung von Wasserstof f gas erzeugte elektrische Leistung in das Übertragungsnetz 91 eingespeist werden .

Der Gasgenerator 2 und die Verwendungseinheiten 3 mit der Brennstof f zelle 31 sind über eine Rohrverbindung 4 verbunden mit der Kaverne 6 . Hierbei ist die Rohrverbindung 4 erfindungsgemäß als Dual-Direktional-Leitung 5 ausgeführt, die eine Befüllungsleitung 51 sowie eine Entnahmeleitung 52 umfasst .

Die Befüllungsleitung 51 ist an den Gasgenerator 2 angeschlossen und endet mit ihrer Mündung 53 in der Kaverne . Durch sie wird von dem Gasgenerator 2 erzeugtes Wasserstof f gas in die Kaverne 6 eingespeichert . Die Entnahmeleitung 52 ist gesondert von der Befüllungsleitung 51 ausgeführt . Sie ragt mit ihrer Mündung 54 ebenfalls in die Kaverne 6 und führt aus der Kaverne 6 nach oben zu den Verwendungseinheiten 3 mit der Brennstof f zelle 31 . Die beiden Leitungen der Dual-Direkt ional-Lei- tung 5 , die Befüllungsleitung 51 sowie die Entnahmeleitung 52 , sind bei der in Figur 1 dargestellten ersten Aus führungs form beabstandet voneinander, aber benachbart zueinander , in die Kaverne 6 geführt . Damit wird erreicht , dass an der Mündung 53 der Befüllungsleitung 51 auftretende Ef fekte wie Strömungsverwirbelungen sich nicht auswirken auf das Strömungsverhalten des Wasserstof fgases , das aus der Kaverne in die Mündung 54 der Entnahmeleitung 52 strömt . Durch die gesonderte Aus führung der Befüllungsleitung 51 von der Entnahmeleitung 52 ist ein unabhängiges Befüllen und Entnehmen ermöglicht . Auf diese Weise kann weiter Wasserstof f gas über die Befüllungsleitung 51 in die Kaverne 6 eingespeist werden, und zwar unabhängig davon, ob Wasserstof f gas über die gesonderte Entnahmeleitung 52 entnommen wird oder nicht . Umgekehrt gilt dasselbe , es kann Wasserstof f gas über die gesonderte Entnahmeleitung 52 entnommen und den Verwendungseinheiten 3 zugeführt werden, und zwar unabhängig davon, ob gleichzeitig Wasserstof f gas über die Befüllungsleitung 51 in die Kaverne 6 eingespeichert wird oder nicht .

Die Verwendungseinheiten 3 können außer der Brennstof f zelle 31 noch weitere Einheiten zur Verwendung des Wassersto ff gases aufweisen . Beispielsweise kann weiter vorgesehen sein eine Me- thanisieranlage 33 , welche aus dem zugeführten Wasserstof f gas unter Hinzufügung von Kohlendioxid, das insbesondere als C02 aus der Luft entnommen sein kann, Methangas synthetisiert . Dieses kann in an sich bekannter Weise in ein Erdgasnetz 93 ( lediglich symbolhaft dargestellt ) eingespeist werden . Ferner kann als weitere Verwendungseinheit vorgesehen sein, dass über die Entnahmeleitung 52 aus der Kaverne 6 entnommene Wasserstof fgas über einen Ubergabepunkt 35 in ein Gasnetz , das ein Erdgasnetz oder ein Wasserstof fgas-Netz (nicht dargestellt ) sein kann, einzuspeisen . Auf diese Weise ist auch eine Direktverwendung des eingespeicherten Wasserstof fs ermögl icht .

Um dem Betreiber der Anordnung eine Auswahl zwischen den verschiedenen Verwendungsarten zu ermöglichen ist eine Gasweiche 30 an der Entnahmeleitung 52 vorgesehen . Sie ist den Verwendungseinheiten 3 vorgeschaltet und bestimmt darüber , welche der Verwendungseinheiten 3 das mittels der Entnahmeleitung 52 aus der Kaverne 6 entnommene Wasserstof f gas zugeführt wird, nämlich der Brennstof f zelle 31 , der Methanisieranlage 33 oder an dem Ubergabepunkt 35 zur Direktversorgung . Optional ist die Gasweiche 30 teilstromfähig, dass bedeutet sie teilt den aus der Entnahmeleitung 52 kommenden Wasserstof fgas-Strom auf , sodass mehr als eine der Verwendungseinheiten 3 mit Wasserstof fgas versorgt wird, bspw . die Brennstof f zelle 31 und die Metha- nisieranlage 33 das entnommene Wasserstof f gas erhalten .

Weiter vorgesehen ist eine Steuerung 8 der Anordnung, die insbesondere dazu ausgebildet ist , Regelleistung für das Elektrizitätsnetz 91 bereitzustellen . Dazu ist ein Sollwerteingang 80 vorgesehen, an den von einem Betreiber des Elektri z itätsnetzes 91 oder von einer anderen übergeordneten Instanz (nicht dargestellt ) ein Signal für eine angeforderte Regelleistung angelegt werden kann . Die Steuerung 8 ist weiter über eine erste Signalleitung 81 mit der Brennstof f zelle 31 und über eine zweite Signalleitung 82 mit dem Gasgenerator 2 verbunden und wirkt so auf deren Betrieb ein . Fordert der Netzbetreiber bspw . positive Regelleistung an, so steuert die Steuerung 8 über die Signalleitung 81 die Brennstof f zelle 31 in der Weise an, dass sie mehr elektrische Leistung erzeugt und dar entsprechend mehr Wasserstof f gas aus der Kaverne 6 über die Entnahmeleitung 52 entnimmt . Dank der Dual-Direktional-Leitung 5 ist dies j ederzeit möglich, ganz unabhängig davon, ob gleichzeitig der Gasgenerator 2 über die Befüllungsleitung 51 Wasserstof fgas in die Kaverne 6 einspeist oder nicht . Damit kann sehr schnell auf eine Anforderung von Regelleistung reagiert werden, und zwar innerhalb von Sekunden . Ein Umschalten von Gasverbindungen oder ein Richtungswechsel in einem ( ggf . langen) Anschlussrohr zur Kaverne ist nicht erforderlich .

Entsprechendes gilt für den umgekehrten Fall , wenn über den Sollwerteingang 80 negative Regelleistung angefordert wird . Die Steuerung 8 steuert dazu über die Signalleitung 82 den Gasgenerator 2 an, der mehr elektrische Leistung aus dem Elektri zitätsnetz 91 entnimmt und mittels des Elektrolyseurs mehr Wasserstof f gas erzeugt , welches über die Befül lungsleitung 51 in die Kaverne 6 geführt und dort zwischengespeichert wird . Dies kann unabhängig davon erfolgen, ob zu diesem Zeitpunkt Wasserstof f gas über die Entnahmeleitung 52 entnommen wird oder nicht . Somit kann in dem praktisch besonders bedeutenden Fall , wenn überschüssige Leistung im Elektri zitätsnetz 91 vorhanden ist , schnell und wirksam mittels der erfindungsgemäßen Anordnung die überschüssige Leistung aus dem Elektrizitätsnetz 91 abgeführt und als Wasserstof f gas in die Kaverne 6 gespeichert werden . Dort steht diese Energie dann j ederzeit wieder zur Verfügung, beispielsweise durch Rückvers tromung mittels der Brennstof f zelle 31 oder zur Verwendung auf andere Weise , beispielsweise mittels der Methanisieranlage 33 ( oder durch Direkteinspeisung über den Übergabepunkt 35 in ein Gasnetz ) .

Es kann so mit der erfindungsgemäßen Anordnung 1 überschüssige Leistung in beträchtlichem Umfang und mit hoher Dynamik aus dem Elektri zitätsnetz 91 entnommen und die entsprechende Energie in Form von Wasserstof f gas in der Kaverne 6 gespeichert werden . Das bisher im Stand der Technik erforderliche Abregeln von Windenergieanlagen als Maßnahme der Netzstabili sierung in einem solchen Fall ist damit überflüssig geworden . Die mit dem Abregeln einhergehende Verschwendung von an sich zur Verfügung stehender erneuerbarer Energie kann so beendet werden .

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann in großem Umfang Regelleistung bereitgestellt werden . Dank der hohen Dynamik kann dies innerhalb von Sekunden erfolgen, so dass sogar die Bereitstellung von Primärregelleistung ( Sekundenreserve ) ermöglicht ist . Es wird nun Bezug genommen auf Figur 2 , welche die sich aus den entsprechenden Netzbetreiberrichtlinien ergebenden Arten der Regelleistung und ihren zeitlichen Zusammenhang darstellt . Mit der Zi f fer I ist die Primärregelleistung dargestellt , die als sog . Sekundenreserve vollständig innerhalb eines Zeitraums von 30 Sekunden bereitgestellt werden muss . Ty- pischerweise ist ein Zeitraum abzudecken von bis zu 15 Minuten. Auf die Primärregelleistung folgt die sekundäre Regelleistung, die in Figur 2 mit der Ziffer II dargestellt ist und sich teilweise mit der Primärregelleistung I überlagern kann. Diese ist vollständig bereitzustellen innerhalb eines Zeitraums von 5 Minuten. Darauf folgt schließlich die sog. Minutenregelleistung, die in Figur 2 durch die Ziffer III gekennzeichnet ist und die spätestens nach 15 Minuten vollständig zu erbringen ist. Erst lange danach, praktisch etwa erst nach nahezu einer Stunde, greift dann schließlich der Ausgleich über die Bilanzkreise, wie in Figur 2 durch die Ziffer IV dargestellt ist.

Es versteht sich, dass zur Bereitstellung der Primärregelleistung I eine hohe Dynamik erforderlich ist, während für das längerfristige Liefern insbesondere der Sekundärregelleistung und Minutenreserveleistung II, III eine große Kapazität in Bezug auf die bereitzustellende Energie (Leistung über Zeit) erforderlich ist. Beides leistet die erfindungsgemäße Anordnung 1 dank des Gasgenerators 2 und KWK-Anlage oder der Brennstoffzelle 31, die beide schnell regelbar sind, sowie der Kaverne 6 mit ihrem großen Speichervolumen. Die erfindungsgemäße Anordnung 1 kann so sämtliche Regelleistungen I, II sowie III bereitstellen. Dazu kommt als Bonus die weitere Möglichkeit, mit dem gespeicherten Wasserstoff gas andere Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen, um bspw. andere Energieträger wie Methan herzustellen oder das Wasserstoff gas direkt zu verwenden, sei es als Beimischung in einem (konventionellen) Erdgasnetz oder sogar in einem reinen Wasserstoffgas-Netz.

Zur weiteren Erhöhung der Dynamik bei der Bereitstellung von Regelleistung kann ferner ein Pufferakkumulator 15 vorgesehen sein. Er ist jeweils mit der elektrischen Seite sowohl von dem als Elektrolyseur ausgeführten Gasgenerator 2 wie auch von der Brennstoffzelle 31 verbunden. Er kann somit schnell Leistung oder Leistungsspitzen aufnehmen bzw . abgeben, und s ichert so ein schnelles Ansprechverhalten der erfindungsgemäßen Anordnung weiter ab .

In Figur 3 ist eine zweite Aus führungs form der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt . Gleiche oder gleichartige Komponenten, welche dieselbe oder eine ähnliche Funktion aufweisen, sind mit derselben Bezugs zi f fer bezeichnet , und zu deren näheren Erläuterung wird auf vorstehende Beschreibung verwiesen . Die zweite Aus führungs form unterscheidet sich von der ersten, in Figur 1 dargestellten Aus führungs form im Wesentl ichen dadurch, dass zwischen der Befüllungsleitung 51 und der Entnahmeleitung 52 eine Bypassleitung 7 angeordnet ist . Mit dieser Bypassleitung 7 kann bei Bedarf das von dem Gasgenerator 2 erzeugte Wasserstof f gas direkt den Verwendungseinheiten 3 zugeführt werden, um dort beispielsweise die Methanis ieranlage 33 zu speisen oder über den Übergabepunkt 35 direkt in ein Wasserstof f- oder Erdgasnetz eingespeist zu werden . Die Bypassleitung 7 ist mit einem schaltbaren Absperrventil 71 versehen, welches die Bypassleitung 7 sperrt oder freigibt . Es ist über eine (nicht dargestellte ) Signalleitung mit der Steuerung 8 verbunden, die das Absperrventil 71 j e nach situativem Bedarf der erfindungsgemäßen Anordnung 1 ansteuert und so die Bypassleitung 7 freigibt oder schließt .

In Figur 4 ist eine dritte Aus führungs form der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt . Gleiche oder gleichartige Komponenten, welche dieselbe oder eine ähnliche Funktion aufweisen, sind mit derselben Bezugs zi f fer bezeichnet , und zu deren näherer Erläuterung wird auf vorstehende Beschreibung verwiesen . Die dritte Aus führungs form unterscheidet sich von der zweiten Aus führungs form im Wesentlichen dadurch, dass die Dual-Direk- tional-Leitung 5 mit ihrer Befüllungsleitung 51 und der gesonderten Entnahmeleitung 52 in einem gemeinsamen Rohrschacht 40 angeordnet sind (und nicht j eweils in einem eigenen Bohrschacht wie bei der ersten und zweiten Aus führungs form) . Die prinzipbedingten Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung 1 , gleichzeitig sowohl Wasserstof f gas in die Kaverne 6 einspeisen zu können und damit negative Regelleistung gegenüber dem Elektri zitätsnetz 91 bereitzustellen sowie gleichzeitig Wasserstof f mittels der gesonderten Entnahmeleitung 52 zu entnehmen für die Verwendungseinheiten 3 , beispielsweise um Methan zu erzeugen mittels der Methanisieranlage 33 , bleibt bei die- ser Aus führungs form voll bestehen . Durch die Anordnung der

Dual-Direktional-Leitung 5 in einem gemeinsamen Rohrschacht 40 ist j edoch die Herstellung der Rohrverbindung zu der Kaverne 6 mit der Dual-Direktional-Leitung 5 deutlich vereinfacht , was eine rationellere Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung 1 ermöglicht .

Claims

Patentansprüche Anordnung zur Stabilisierung eines Elektrizitätsnetzes

(91) mittels eines Energiespeichers, wobei der Energiespeicher einen von dem Elektrizitätsnetz gespeisten Gasgenerator (2) für einen gasförmigen Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, und eine Kaverne (6) mit einem in die Kaverne (6) reichenden Anschlussrohr (4) umfasst, wobei zum Einspeichern von Energie über das Anschlussrohr (4) der von dem Gasgenerator (2) erzeugte gasförmige Brennstoff in die Kaverne (6) eingebracht wird und zum Ausspeichern von Energie aus der Kaverne (6) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussrohr (4) als in die Kaverne (6) reichende Dual-Direktional-Leitung (5) ausgeführt ist, die jeweils eine Befüllungsleitung (51) sowie eine gesonderte Entnahmeleitung (52) umfasst. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dual-Direktional-Leitung (5) mit ihrer Befüllungsleitung (51) zum kontinuierlichen, von der Entnahme unabhängigen Einspeisen und/oder zur kontinuierlichen, von der Einspeisung unabhängigen Entnahme ausgebildet ist. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an die Entnahmeleitung (52) mehrere verschiedene Verwendungseinheiten (3) für den aus der Kaverne (6) entnommenen gasförmigen Brennstoff angeschlossen sind. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Verwendungseinheiten (6) über mindestens eine umschaltbare Gasweiche (30) an die Entnahmeleitung (52) angeschlossen sind, wobei je nach Schalt zustand der Gasweiche (30) der entnommene gasförmige Brennstoff zu einer der verschiedenen Verwendungseinheiten (3) strömt .

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasweiche (30) auch zum Schalten von Teilströmen ausgebildet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasweiche (30) auch bei laufender Entnahme von dem gasförmigen Brennstoff umschaltbar ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Verwendungseinheiten (3) eine Vorrichtung zur Rückverstromung des Gases ist, insbesondere eine Brennstoffzelle oder Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage (31) , die elektrische Leistung erzeugt und an eine Abgabeleitung zum Anschluss an ein Elektrizitätsnetz (91) oder einen Verbraucher ausgibt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Verwendungseinheiten (3) eine Methanisieranlage (33) ist, die dazu ausgebildet ist mittels Wasserstoff Methan zu synthetisieren.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Verwendungseinheiten (3) ein Übergabepunkt (35) an ein Gasnetz (93) ist, insbesondere ein Erdgasnetz, zur Abgabe des entnommenen gasförmigen Brennstoffs an das Gasnetz (93) .

10. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (8) für Regelleistung vorgesehen ist, die einen Eingang (80) für ein Signal für eine Soll-Regelleistung, insbesondere negative Soll-Regelleistung, aufweist und die dazu ausgebildet ist, den Gasgenerator (2) so anzusteuern, dass eine der, insbesondere negativen, Soll-Regelleistung entsprechende Leistung aus dem Elektrizitätsnetz (91) aufgenommen wird zum Erzeugen von dem gasförmigen Brennstoff, der in die Kaverne (6) eingespeichert wird. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (8) für Regelleistung ferner auf eine Rück- verstromungs-Einrichtung (31) einwirkt, um eine zusätzliche Leistung als positive Regelleistung in das Elektrizitätsnetz (91) einzuspeisen. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine schaltbare Bypassleitung (7) vorgesehen ist, die zwischen Gasgenerator (2) und Kaverne (6) an die Befüllungsleitung (51) angeschlossen ist und diese mit der Entnahmeleitung (52) verbindet. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pufferakkumulator (15) vorgesehen ist, der von dem an den Gasgenerator (2) angeschlossenen Elektrizitätsnetz (91) gespeist ist und insbesondere zur schnellen Versorgung, Leistungsabgabe und/oder Leistungsaufnahme ausgebildet ist. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllungsleitung (51) und die Entnahmeleitung (52) voneinander beabstandet in die Kaverne (6) geführt sind. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllungsleitung (51) und die Entnahmeleitung (52) einander benachbart angeordnet sind. Anordnung nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen der Befüllungsleitung (51) und der Entnahmeleitung (52) zwischen dem Dreifachen, insbesondere mindestens dem Zehnfachen, und dem Dreißigfachen, insbesondere maximal dem Zwanzigfachen, von ihrer Weite, insbesondere Durchmesser, entspricht . Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllungsleitung (51) und die Entnahmeleitung (52) in einem gemeinsamen Bohrschacht (40) in die Kaverne (6) geführt sind. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllungsleitung (51) und die Entnahmeleitung (52) mit ihrer jeweiligen Mündung (53, 54) verschieden tief in die Kaverne (6) reichen, wobei vorzugsweise die Befüllungsleitung (51) tiefer reicht. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (6) in einem Salzstock (90) ausgeformt ist, und/oder für einen Betriebsdruck von mindestens 40 bar, vorzugsweise bis zu 200 bar, ausgebildet ist.