buoyant energy „light“ – thermodynamische analyse eines ... · bernd steidl, universität...

15. Symposium Energieinnovation 2018

Buoyant Energy „Light“ – Thermodynamische Analyse eines schwimmenden hydropneumatischen

Energiespeichers

Bernd Steidl, Universität Innsbruck, Arbeitsbereich Wasserbau

Wasserkraft I / Session C2

BUOYANT ENERGY STORAGE

Seite 215. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018

1. Buoyant (=schwimmend, lebhaft) Energy Speicher

• BE „schwer“ (BEQs) vs. BE „Leicht“ (BEL)

• Speicherkapazität BE-Konzept

2. Hydropneumatischer BEL-Energiespeicher

• Ansatz zur Steigerung der Speicherkapazität

• Textilmaterialien als Hüllkonstruktion

3. Zusammenfassung und Ausblick

Gliederung










Gliederung



Funktionsprinzip / BE „Schwer“ (BEQs)

geladen

Masse m

Plattform senkt sich

Fließrichtungbeim Turbinieren

Pumpe / Turbine

Inneres Flüssigkeits-reservoir

Druck-höhe H

Energieproduktion entladen

Masse m

Druck-höhe H

Plattform hebt sich

Pumpe / TurbineFließrichtung beim Pumpen

Energiespeicherung


„Buoyant Energy Quarters“ (kurz: BEQs, österreichisch: schwimmende Energiegrätzel)



Funktionsprinzip / BE „Leicht“ (BEL)

Pumpe / Turbine

Druck-höhe H

Plattform hebt sich

Fließrichtungbeim Turbinieren

Schwimm-körper

Entlüftung

Rohr Pumpe / Turbine

Druck-höhe H

Fließrichtung beim Pumpen

Plattform senkt sich

Rohr



Schwimm-körper

geladenEnergieproduktion entladenEnergiespeicherung



Ideale Speicherkapazität

Grundsätzliches BEL-Konzept

BEL-System 1

Vol. 𝑉𝐴,1

Vol. 𝑉𝐵,1

ℎ𝐴,1

ℎ𝐵,1

𝐻1Vol. 𝑉𝐴,2

Vol. 𝑉𝐵,2

ℎ𝐴,2

ℎ𝐵,2

𝐻2

Vol. 𝑉𝐴,3

Vol. 𝑉𝐵,3

ℎ𝐴,3

ℎ𝐵,3

𝐻3

BEL-System 2 BEL-System 3

Alle Systeme im geladenen Zustand

ℎ𝐴 = ℎ𝐵 = Τℎ 2 = 𝐻

𝑊𝑜𝑝𝑡. 𝑡𝑚𝑎𝑥 = 𝜌 ∙ 𝑔 ∙ 𝐴 ∙ Τℎ2 4 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ Τℎ 2



Grundsätzliches BEL-Konzept

Ideale Speicherkapazität










Gliederung



Hydropneumatischer BEL-Energiespeicher

Ansatz zur Steigerung der Speicherkapazität

Grundsätzliches BEL-Konzept BEL-Hydropneumatisch

• Thermodynamische Extrembetrachtung

Isotherme und Adiabate Zustandsänderung.

Abfluss 𝑄, Pumpturbine

Entlüftung

Kammer A, Vol. 𝑉𝐴

Kammer B, Vol. 𝑉𝐵

Verbindungselement

Kammer A, Vol. 𝑉𝐴

Kammer B, Vol. 𝑉𝐵


Innendruck 𝑝(𝑡)

𝑝(𝑡) 𝑝(𝑡)Rohr-leitung

Rohr-leitung




Isotherme Zustandsänderung: 𝒑𝑽 = 𝒏𝑹𝑻 = 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕.

• Sehr langsamer Lade- und

Entladevorgang.

• Idealer Wärmeaustausch mit

der Umgebung.

• T [°C] = const.

Verbindungselement


𝑝(𝑡)

𝑝(𝑡)

𝑇 [°𝐶] 𝑇 [°𝐶]Vol. 𝑉𝐴

Vol. 𝑉𝐵

𝑥𝑖





• Annahmen:

𝑄 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.𝐻 = ℎ/2 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.

𝑉𝐴 = 𝑉𝐵 𝑄 ∙ 𝑡 = 𝑉𝐴 𝑥𝑖 ∙ 𝐴𝑖 = 𝑡 ∙ 𝑄

|

| |






• Annahmen:



|

| |

𝑝𝑖𝑠𝑜 𝑡 = 𝑝𝑝𝑟𝑒 ∙ 1 −𝑡 ∙ 𝑄

𝑉𝐴 + 𝑉𝐵

−1

𝐻𝑃𝑇,𝑖𝑠𝑜 𝑡 = 𝐻 +1

𝜌𝑤 ∙ 𝑔∙ 𝑝𝑝𝑟𝑒 ∙ 1 −

𝑡 ∙ 𝑄

𝑉𝐴 + 𝑉𝐵

−1

− 𝑝0

𝑃𝑖𝑠𝑜 𝑡 = 𝜌𝑤 ∙ 𝑔 ∙ 𝑄 ∙ 𝐻𝑃𝑇,𝑖𝑠𝑜 𝑡 = 𝜌𝑤 ∙ 𝑔 ∙ 𝑄 ∙ 𝐻 +1

𝜌𝑤 ∙ 𝑔∙ 𝑝𝑝𝑟𝑒 ∙

1

1 −𝑡 ∙ 𝑄

𝑉𝐴 + 𝑉𝐵

− 𝑝0

𝑊𝑖𝑠𝑜 𝑡 = න0

𝑡

𝑃𝑖𝑠𝑜 𝑡 𝑑𝑡 = 𝜌𝑤 ∙ 𝑔 ∙ t ∙ Q ∙ H + ppre 𝑉𝐴 + 𝑉𝐵 ∙ ln1

1 −𝑡 ∙ 𝑄

𝑉𝐴 + 𝑉𝐵

− 𝑡 ∙ 𝑄 ∙ 𝑝0


Druckhöhe

Innendruck

Leistung

Arbeit



• Ideale Isolation der äußeren

Hülle.

• Kein Wärmeaustausch mit

der Umgebung.



Adiabate Zustandsänderung: 𝒑𝑽/(𝒏𝑻) = 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕.

Verbindungselement


𝑝(𝑡)

𝑝(𝑡)

𝑇0 [°𝐶] 𝑇𝑖 (𝑡)[°𝐶]Vol. 𝑉𝐴

Vol. 𝑉𝐵

𝑥𝑖





Adiabate Zustandsänderung: 𝒑𝑽/𝑻 = 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕.

• Annahmen:

𝑝𝑎𝑑𝑖 𝑡 = 𝑝𝑝𝑟𝑒 1 −𝑡 ∙ 𝑄

𝑉𝐴 + 𝑉𝐵

−𝜅

𝐻𝑃𝑇,𝑎𝑑𝑖 𝑡 = 𝐻 +1

𝜌𝑤 ∙ 𝑔∙ 𝑝𝑝𝑟𝑒 ∙ 1 −

𝑡 ∙ 𝑄

𝑉𝐴 + 𝑉𝐵

−𝜅

− 𝑝0

𝑃𝑎𝑑𝑖 𝑡 = 𝜌𝑤 ∙ 𝑔 ∙ 𝑄 ∙ 𝐻 + 𝑄 ∙ 𝑝𝑝𝑟𝑒 ∙ 1 −𝑡 ∙ 𝑄

𝑉𝐴 + 𝑉𝐵

−𝜅

− 𝑄 ∙ 𝑝0

𝑊𝑎𝑑𝑖 𝑡 = න0

𝑡

)𝑃(𝑡 𝑑𝑡 = 𝜌𝑤 ∙ 𝑔 ∙ 𝑡 ∙ 𝑄 ∙ 𝐻 + 𝑝𝑝𝑟𝑒𝑉𝐴 + 𝑉𝐵1 − 𝜅

∙ 1 − 1 −𝑡 ∙ 𝑄

𝑉𝐴 + 𝑉𝐵

1−𝜅

− 𝑡 ∙ 𝑄 ∙ 𝑝0



|

| |


Druckhöhe

Innendruck

Leistung

Arbeit

Adiabatenkoeffizient𝑘 = 𝑐𝑝/𝑐𝑉




Adiabate Zustandsänderung: 𝒑𝑽/𝑻 = 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕.

• Annahmen:

𝑝𝑎𝑑𝑖 𝑡 = 𝑝𝑝𝑟𝑒 1 −𝑡 ∙ 𝑄

𝑉𝐴 + 𝑉𝐵

−𝜅

𝑇 𝑡 = 𝑇𝑝𝑟𝑒 1 −𝑡 ∙ 𝑄

𝑉𝐴 + 𝑉𝐵

1−𝜅

𝐻𝑃𝑇,𝑎𝑑𝑖 𝑡 = 𝐻 +1

𝜌𝑤 ∙ 𝑔∙ 𝑝𝑝𝑟𝑒 ∙ 1 −

𝑡 ∙ 𝑄

𝑉𝐴 + 𝑉𝐵

−𝜅

− 𝑝0

𝑃𝑎𝑑𝑖 𝑡 = 𝜌𝑤 ∙ 𝑔 ∙ 𝑄 ∙ 𝐻 + 𝑄 ∙ 𝑝𝑝𝑟𝑒 ∙ 1 −𝑡 ∙ 𝑄

𝑉𝐴 + 𝑉𝐵

−𝜅

− 𝑄 ∙ 𝑝0

𝑊𝑎𝑑𝑖 𝑡 = න0

𝑡

)𝑃(𝑡 𝑑𝑡 = 𝜌𝑤 ∙ 𝑔 ∙ 𝑡 ∙ 𝑄 ∙ 𝐻 + 𝑝𝑝𝑟𝑒𝑉𝐴 + 𝑉𝐵1 − 𝜅

∙ 1 − 1 −𝑡 ∙ 𝑄

𝑉𝐴 + 𝑉𝐵

1−𝜅

− 𝑡 ∙ 𝑄 ∙ 𝑝0

|



|

| |

Adiabatenkoeffizient𝑘 = 𝑐𝑝/𝑐𝑉


Druckhöhe

Innendruck

Leistung

Arbeit

Temperatur




0

1

2

3

4

5

6

7

8

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Spei

cher

kap

azit

ät W

[MW

h]

Zeit [1000 s]

𝑊𝑖𝑠𝑜(𝑡)

𝑊BE(t)

𝑊𝑎𝑑𝑖(𝑡)

0

50

100

150

200

250

300

0 3 6 9 12 15

Dru

ckh

öh

e H

PT

[m]

Wassertiefe xi in Kammer A [m]

𝐻𝑃𝑇,𝑖𝑠𝑜(𝑡)

𝐻PT,adi(t)

𝐻𝑃𝑇,𝐵𝐸

Ergebnis eines exemplarischen Hydropneumatischen BEL-Speichers

𝑊𝑖𝑠𝑜

𝑊𝐵𝐸= 9,86

𝑊𝑎𝑑𝑖

𝑊𝐵𝐸= 11,31

∆≈105𝑚

∆≈170𝑚

ℎ = 30 𝑚 𝐴 = 1000 𝑚2 𝑉 = 30000 𝑚3 𝑝𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 10,13 𝑏𝑎𝑟 𝑄 = 5 𝑚³/𝑠 𝑡𝑚𝑎𝑥 = 3000 𝑠 𝑘 = 1,4





0

1

2

3

4

5

6

7

0 2 4 6 8 10

Spei

cher

kap

azit

ät W

ma

x[M

Wh

]

k [-]𝑝_𝑝𝑟𝑒=𝑘∙𝑝_0

𝑊𝑖𝑠𝑜(𝑡𝑚𝑎𝑥)

𝑊𝑎𝑑𝑖(𝑡𝑚𝑎𝑥)

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10

Dru

ckh

öh

e H

PT,

ma

x[m

]

k [-]

𝐻_(𝑃𝑇,𝑖𝑠𝑜) (𝑡_𝑚𝑎𝑥 )

𝑝_𝑝𝑟𝑒=𝑘∙𝑝_0

𝐻_(𝑃𝑇,𝑎𝑑𝑖) (𝑡_𝑚𝑎𝑥 )





-273.15

-73.15

126.85

326.85

526.85

726.85

926.85

0

200

400

600

800

1000

1200

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Tem

per

atu

r [°

C]

Tem

per

atu

r [K

]

Kompression [%]



20 29 39 48 57 67 76 86 95 104 114

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

0% 10% 20% 30% 40% 50%

Temperatur [°C]

W_a

dia

bat

isch

[M

Wh

]

Kompression [%]

1 x p_pre(adi)10 x p_pre(adi)20 x p_pre(adi)30 x p_pre(adi)40 x p_pre(adi)50 x p_pre(adi)60 x p_pre(adi)






Textilmaterial als Hüllkonstruktion

Vorteile

• Geringes Gewicht

• Leicht transportierbar

• Flexible Konstruktion

(Wellenangriff)

• Multi-Layer-Textilen

• Ausführung als langgezo-

gener Schlauch

Mögliche Ausführungsvariante


Kammer B, Volumen 𝑉𝐵

𝑝(𝑡) Rohrleitung

Kammer A, Volumen 𝑉𝐴


Verbindungs-element

AtmosphärenDruck 𝑝0

Wasserspiegel-differenz 𝐻

Multi-LayerTextil

Radius 𝑟

Material-stärke 𝑡



Anforderungen

• Hohe Belastbarkeit gegen

äußere Einwirkungen.

• Hohe Dauerhaftigkeit

• Biologisch inert

• Luft- und Wasserdicht


Textilmaterial als Hüllkonstruktion

Mögliche Ausführungsvariante


Kammer B, Volumen 𝑉𝐵

𝑝(𝑡) Rohrleitung

Kammer A, Volumen 𝑉𝐴


Verbindungs-element

AtmosphärenDruck 𝑝0

Wasserspiegel-differenz 𝐻

Multi-LayerTextil

Radius 𝑟

Material-stärke 𝑡


Material Längszugfestigkeit EinheitVectranTM HT 3,2 GPaGlasfaser ~3,4 GPaCarbonfaser ~4,1 GPa










Gliederung



• Deutliche Steigerung der Speicherkapazität durch Kombi-nation des BEL-Systems mit Druckluft.

• Infolge der Luftkompression kommt es zu einer stark variierenden Druckhöhenänderung während dem Lade-und Entladezyklus.

• Geringes Gewicht, leichter Transport und Produktion in Österreich durch die Verwendung von Textil.

• Modulare Bauweise möglich.

• Pumpspeicher Know-how-Transfer in die Welt.

Zusammenfassung und Ausblick


FFG Sondierung Nr. 853662

„Prepare BE“

Partner• IET TU-Wien • UEDIN

K-Regio (F&E)

„BEQs“

Partner• Geppert, flussplan, UEDIN• expArch (UIBK), Najjar & Najjar,

ma.lo Architects

Energieforschung

5. AusschreibungSondierung BEL

Mögl. Partner• Materialtechn.• IET TU-Wien• Textile Competence

Center Vorarlberg

Energieforschung

4. Ausschreibung (F&E)„BuoyantCity_EStorage“

Partner• Geppert, IET TU-Wien, UEDIN• expArch (UIBK), Najjar & Najjar,

ma.lo Architects

EXPO 2017

Modellpräsentation

Partner• Najjar & Najjar Architects

Patenterteilung

• EU-Patent EP 2681445 B1

• US-PatentUS 9617969 B2


Zusammenfassung und Ausblick

2016 2017 2018

buoyant energy „light“ – thermodynamische analyse eines ... · bernd steidl, universität...

Documents