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
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 315. 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
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 415. 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
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 515. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
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
Inneres Flüssigkeits-reservoir
„Buoyant Energy Quarters“ (kurz: BEQs, österreichisch: schwimmende Energiegrätzel)
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 615. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
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
Inneres Flüssigkeits-reservoir
Inneres Flüssigkeits-reservoir
Schwimm-körper
geladenEnergieproduktion entladenEnergiespeicherung
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 715. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
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
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 815. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
Grundsätzliches BEL-Konzept
Ideale Speicherkapazität
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 915. 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
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 1015. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
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
Abfluss 𝑄, Pumpturbine
Innendruck 𝑝(𝑡)
𝑝(𝑡) 𝑝(𝑡)Rohr-leitung
Rohr-leitung
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 1115. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
Ansatz zur Steigerung der Speicherkapazität
Isotherme Zustandsänderung: 𝒑𝑽 = 𝒏𝑹𝑻 = 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕.
• Sehr langsamer Lade- und
Entladevorgang.
• Idealer Wärmeaustausch mit
der Umgebung.
• T [°C] = const.
Verbindungselement
Abfluss 𝑄, Pumpturbine
𝑝(𝑡)
𝑝(𝑡)
𝑇 [°𝐶] 𝑇 [°𝐶]Vol. 𝑉𝐴
Vol. 𝑉𝐵
𝑥𝑖
Hydropneumatischer BEL-Energiespeicher
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 1215. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
Ansatz zur Steigerung der Speicherkapazität
• Annahmen:
𝑄 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.𝐻 = ℎ/2 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.
𝑉𝐴 = 𝑉𝐵 𝑄 ∙ 𝑡 = 𝑉𝐴 𝑥𝑖 ∙ 𝐴𝑖 = 𝑡 ∙ 𝑄
|
| |
Hydropneumatischer BEL-Energiespeicher
Isotherme Zustandsänderung: 𝒑𝑽 = 𝒏𝑹𝑻 = 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕.
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 1315. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
Ansatz zur Steigerung der Speicherkapazität
• Annahmen:
𝑄 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.𝐻 = ℎ/2 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.
𝑉𝐴 = 𝑉𝐵 𝑄 ∙ 𝑡 = 𝑉𝐴 𝑥𝑖 ∙ 𝐴𝑖 = 𝑡 ∙ 𝑄
|
| |
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
Hydropneumatischer BEL-Energiespeicher
Druckhöhe
Innendruck
Leistung
Arbeit
Isotherme Zustandsänderung: 𝒑𝑽 = 𝒏𝑹𝑻 = 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕.
BUOYANT ENERGY STORAGE
• Ideale Isolation der äußeren
Hülle.
• Kein Wärmeaustausch mit
der Umgebung.
Seite 1415. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
Ansatz zur Steigerung der Speicherkapazität
Adiabate Zustandsänderung: 𝒑𝑽/(𝒏𝑻) = 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕.
Verbindungselement
Abfluss 𝑄, Pumpturbine
𝑝(𝑡)
𝑝(𝑡)
𝑇0 [°𝐶] 𝑇𝑖 (𝑡)[°𝐶]Vol. 𝑉𝐴
Vol. 𝑉𝐵
𝑥𝑖
Hydropneumatischer BEL-Energiespeicher
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 1515. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
Ansatz zur Steigerung der Speicherkapazität
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
𝑄 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.𝐻 = ℎ/2 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.
𝑉𝐴 = 𝑉𝐵 𝑄 ∙ 𝑡 = 𝑉𝐴 𝑥𝑖 ∙ 𝐴𝑖 = 𝑡 ∙ 𝑄
|
| |
Hydropneumatischer BEL-Energiespeicher
Druckhöhe
Innendruck
Leistung
Arbeit
Adiabatenkoeffizient𝑘 = 𝑐𝑝/𝑐𝑉
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 1615. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
Ansatz zur Steigerung der Speicherkapazität
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
|
𝑄 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.𝐻 = ℎ/2 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.
𝑉𝐴 = 𝑉𝐵 𝑄 ∙ 𝑡 = 𝑉𝐴 𝑥𝑖 ∙ 𝐴𝑖 = 𝑡 ∙ 𝑄
|
| |
Adiabatenkoeffizient𝑘 = 𝑐𝑝/𝑐𝑉
Hydropneumatischer BEL-Energiespeicher
Druckhöhe
Innendruck
Leistung
Arbeit
Temperatur
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 1715. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
Ansatz zur Steigerung der Speicherkapazität
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
Hydropneumatischer BEL-Energiespeicher
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 1815. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
Ansatz zur Steigerung der Speicherkapazität
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 )
ℎ = 30 𝑚 𝐴 = 1000 𝑚2 𝑉 = 30000 𝑚3 𝑝𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 10,13 𝑏𝑎𝑟 𝑄 = 5 𝑚³/𝑠 𝑡𝑚𝑎𝑥 = 3000 𝑠 𝑘 = 1,4
Hydropneumatischer BEL-Energiespeicher
Ergebnis eines exemplarischen Hydropneumatischen BEL-Speichers
BUOYANT ENERGY STORAGE
-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 [%]
Seite 1915. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
Ansatz zur Steigerung der Speicherkapazität
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)
ℎ = 30 𝑚 𝐴 = 1000 𝑚2 𝑉 = 30000 𝑚3 𝑝𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 10,13 𝑏𝑎𝑟 𝑄 = 5 𝑚³/𝑠 𝑡𝑚𝑎𝑥 = 3000 𝑠 𝑘 = 1,4
Hydropneumatischer BEL-Energiespeicher
Ergebnis eines exemplarischen Hydropneumatischen BEL-Speichers
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 2015. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
Textilmaterial als Hüllkonstruktion
Vorteile
• Geringes Gewicht
• Leicht transportierbar
• Flexible Konstruktion
(Wellenangriff)
• Multi-Layer-Textilen
• Ausführung als langgezo-
gener Schlauch
Mögliche Ausführungsvariante
Abfluss 𝑄, Pumpturbine
Kammer B, Volumen 𝑉𝐵
𝑝(𝑡) Rohrleitung
Kammer A, Volumen 𝑉𝐴
Innendruck 𝑝(𝑡)
Verbindungs-element
AtmosphärenDruck 𝑝0
Wasserspiegel-differenz 𝐻
Multi-LayerTextil
Radius 𝑟
Material-stärke 𝑡
Hydropneumatischer BEL-Energiespeicher
BUOYANT ENERGY STORAGE
Anforderungen
• Hohe Belastbarkeit gegen
äußere Einwirkungen.
• Hohe Dauerhaftigkeit
• Biologisch inert
• Luft- und Wasserdicht
Seite 2115. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
Textilmaterial als Hüllkonstruktion
Mögliche Ausführungsvariante
Abfluss 𝑄, Pumpturbine
Kammer B, Volumen 𝑉𝐵
𝑝(𝑡) Rohrleitung
Kammer A, Volumen 𝑉𝐴
Innendruck 𝑝(𝑡)
Verbindungs-element
AtmosphärenDruck 𝑝0
Wasserspiegel-differenz 𝐻
Multi-LayerTextil
Radius 𝑟
Material-stärke 𝑡
Hydropneumatischer BEL-Energiespeicher
Material Längszugfestigkeit EinheitVectranTM HT 3,2 GPaGlasfaser ~3,4 GPaCarbonfaser ~4,1 GPa
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 2215. 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
BUOYANT ENERGY STORAGE
Seite 2315. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
• 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
BUOYANT ENERGY STORAGE
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
Seite 2415. Symposium Energieinnovation | Bernd Steidl | 15.02.2018
Zusammenfassung und Ausblick
2016 2017 2018