[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
1 sowie ein Verfahren zur Speicherung und/oder Bereitstellung eines Dampfes.
[0002] In den letzten Jahren steigt der Anteil an erneuerbaren Energien stetig an. Hierbei
besteht aufgrund der variierenden Angebotscharakteristik von erneuerbaren Energien
eine wesentliche Herausforderung darin, diese in bereits bestehende Energienetze,
insbesondere Stromnetze, einzubinden. Das ist deshalb der Fall, da typischerweise
für erneuerbare erzeugte Energieformen deren Erzeugung nicht mit einer aktuellen Nachfrage
übereinstimmt. Weiterhin sind erneuerbare Energien örtlich ungleichmäßig verteilt.
Aktuell wird versucht die genannten Herausforderungen durch einen Ausbau bestehender
Energienetze oder Stromnetze zu lösen.
[0003] Zusammenfassend ergibt sich ein Regelleistungsmarkt, der Anbieter, die kurzeitig
negative oder positive Regelleistung bereitstellen können, fördert. Bestehende Kraftwerke,
beispielsweise Dampfkraftwerke, können aufgrund mangelnder Flexibilität nur schwer
an einem solchen Markt partizipieren. Problematisch ist hierbei der Dampfkreis, da
dieser zeitlich träge ist. Allerdings kann die Flexibilisierung des Dampfkreises durch
einen Dampfspeicher gesteigert werden. Hierbei wird erzeugter Dampf mittels des Dampfspeichers
zwischengespeichert. Erfolgt eine Leistungsanforderung an das Dampfkraftwerk, so wird
der Dampf mittels des Dampfspeichers bereitgestellt und zur Turbine zur Erzeugung
elektrischen Stromes geführt. Mit anderen Worten kann mittels des Dampfspeichers überschüssiger
Strom in Bedarfszeiträume verschoben werden. Dadurch kann ein Beitrag zur Netzstabilität
geleistet werden.
[0004] Ein Nachteil bekannter Dampfspeicher, beispielsweise Ruthsspeicher, ist, dass diese
weiterhin zu träge sind um eine ausreichende Flexibilisierung von Kraftwerken zu ermöglichen.
Das ist deshalb der Fall, da die Flexibilität der Verdampfung, beispielsweise von
Wasser, durch die großen verwendeten Massen beschränkt ist. Dadurch kann auf kurzfristige
Schwankungen in der Stromproduktion nur schwer reagiert werden.
[0005] Um ebenfalls Dampfspeicher flexibler zu gestalten können diese mit einem verkapselten
Phasenwechselmaterial versehen werden. Eine solche Verkapselung ist beispielsweise
aus der Patentanmeldung
EP 3116797 A1 bekannt. Allerdings ist hierbei die Größe des Dampfspeichers mit einem verkapselten
Phasenwechselmaterial proportional zu seiner Speicherkapazität. Dadurch können nur
kurze Speicherzeiten im Bereich von 10 Minuten bis 15 Minuten erreicht werden, da
der Dampfspeicher wirtschaftlich nur als Leistungsspeicher betrieben werden kann.
Speicherzeiten im technisch erstrebenswerten Bereich von Stunden können auch mit Dampfspeichern,
die ein verkapseltes Phasenwechselmaterial umfassen, aktuell nicht erreicht werden.
Erstrebenswert ist daher ein Dampfspeicher dessen Größe proportional zur Speicherleistung
ist.
[0006] Aus dem Stand der Technik sind weitere Dampfspeicher bekannt, beispielsweise Warmwasser
beziehungsweise Druckwasserspeicher oder P2H-Lösungen (englisch: Power to Heat; abgekürzt
P2H; deutsch: Elektroenergie zu Wärme) sowie Ruthsspeicher, Flüssigsalzspeicher und/oder
Batterien.
[0007] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine flexiblere Speicherung eines Dampfes
zu ermöglichen.
[0008] Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches
1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 11
gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung angegeben.
[0009] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Speicherung eines Dampfes umfasst wenigstens
einen Druckbehälter zur Aufnahme des Dampfes sowie einen ersten und zweiten Behälter,
wobei der Druckbehälter und die zwei Behälter (erster und zweiter Behälter) über ein
Rohrleitungssystem im thermischen Kontakt sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Behälter und der zweite Behälter zur Aufnahme
eines Phasenwechselschlammes mit einer Schmelztemperatur oberhalb von 50 Grad Celsius,
insbesondere oberhalb von 100 Grad Celsius, ausgebildet sind, wobei der Phasenwechselschlamm
mittels des Rohrleitungssystems vom ersten Behälter über den Druckbehälter zum zweiten
Behälter und/oder vom zweiten Behälter über den Druckbehälter zum ersten Behälter
förderbar, insbesondere pumpbar, ist.
[0010] Hierbei bedeutet die Förderung des Phasenwechselschlammes über den Druckbehälter
dass der Druckbehälter beziehungsweise der Dampf innerhalb des Druckbehälters mit
dem Phasenwechselschlamm im thermischen Kontakt sind. Mit anderen Worten ist die Vorrichtung
derart ausgestaltet, dass eine Wärmeübertragung zwischen dem Dampf innerhalb des Druckbehälters
und dem über den Druckbehälter geförderten Phasenwechselschlamm erfolgen kann. Das
Wort - über - ist somit funktional bezüglich des Wärmeaustausches beziehungsweise
der Wärmeübertragung zu verstehen.
[0011] Ein Phasenwechselschlamm (englisch: Phase Change Slurry; abgekürzt: PCS oder PCM-Slurry),
ebenfalls als Phasenwechsel-Slurry bezeichnet, umfasst eine Trägerflüssigkeit, beispielsweise
Wasser, und ein Phasenwechselmaterial. Der Phasenwechselschlamm ist insbesondere dadurch
gekennzeichnet, dass dieser unabhängig vom Aggregatzustand seines Phasenwechselmaterials
pumpbar ist. Das Phasenwechselmaterial und die Trägerflüssigkeit können eine Dispersion,
Suspension und/oder Emulsion ausbilden. Die Schmelztemperatur des Phasenwechselschlammes
ist durch die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials definiert. Mit anderen
Worten erfolgt bei der Schmelztemperatur des Phasenwechselschlammes ein Phasenübergang
des Phasenwechselmaterials von fest nach flüssig oder von flüssig nach fest. Die Schmelztemperatur
kann ebenfalls ein Temperaturbereich sein oder durch einen Temperaturbereich gekennzeichnet
sein. Mit anderen Worten ist ein Phasenwechselschlamm ein Gemisch aus einer Trägerflüssigkeit,
beispielsweise Wasser, und einem Phasenwechselmaterial. Da der Phasenwechselschlamm
und somit das Phasenwechselmaterial eine Schmelztemperatur oder einen Schmelzbereich
oberhalb von 50 Grad Celsius aufweist, wird Wasser im Sinne der vorliegenden Erfindung
nicht als Phasenwechselmaterial angesehen. Bevorzugt wird die Trägerflüssigkeit des
Phasenwechselschlammes derart festgelegt, dass diese im Bereich der bei einem Betrieb
der Vorrichtungen vorliegenden Temperaturen, insbesondere im Bereich der Schmelztemperatur,
flüssig bleibt. Dadurch ist der Phasenwechselschlamm stets förderbar, insbesondere
pumpbar. Die Schmelztemperatur des Phasenwechselschlammes liegt bevorzugt im Bereich
der Kondensationstemperatur des Dampfes innerhalb des Druckspeichers, wobei die Kondensationstemperatur
vom Druck innerhalb des Druckspeichers abhängig ist.
[0012] Beispielsweise ist das Phasenwechselmaterial des Phasenwechselschlammes mikroverkapselt,
das heißt, dass die einzelnen verkapselten Phasenwechselmaterialen einen durchschnittlichen
Durchmesser kleiner gleich 100 Mikrometer, insbesondere kleiner gleich 50 Mikrometer,
besonders bevorzugt kleiner gleich 10 Mikrometer, aufweisen.
[0013] Ein gemeinsamer Behälter kann den ersten und zweiten Behälter umfassen. Hierbei kann
ebenfalls auf eine stoffliche Trennung des ersten und zweiten Behälters in Bezug auf
den Phasenwechselschlamm verzichtet werden.
[0014] Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, dass der Phasenwechselschlamm -
im Gegensatz zu einem Phasenwechselmaterial - ebenfalls im Bereich der Schmelztemperatur
förderbar, insbesondere pumpbar ist. Dadurch kann der Phasenwechselschlamm zwischen
dem ersten Behälter und dem zweiten Behälter hin und her gefördert, insbesondere gepumpt,
werden. Dadurch wird vorteilhafterweise die Größe des Druckbehälters vom seiner Speicherkapazität
entkoppelt und proportional zur Speicherleistung. Mit anderen Worten bildet die erfindungsgemäße
Vorrichtung einen Dampfspeicher aus, dessen Speicherleistung von seinem Speichervolumen
entkoppelt ist. Dadurch wird vorteilhafterweise ein Dampfspeicher mit einer verbesserten
Flexibilität bereitgestellt.
[0015] Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass der Phasenwechselschlamm
mittels in Bezug auf den Umgebungsdruck druckloser erster und zweiter Behälter gespeichert
werden kann. Mit anderen Worten weisen der erste und der zweite Behälter bevorzugt
Umgebungsdruck auf. Dadurch können Kosten in Bezug auf die genannten Behälter eingespart
werden.
[0016] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Wärmeübertragung durch den thermischen
Kontakt zwischen dem Phasenwechselschlamm und dem Dampf bei einer annähernd konstanten
Temperatur erfolgt. Dies ist besonders für eine Bereitstellung des Dampfes nach seiner
Speicherung von Vorteil. Mit anderen Worten wird die durch die Kondensation des Dampfes
freigesetzte Wärme im Wesentlichen latent wenigstens teilweise mittels des Phasenwechselschlammes
gespeichert. Aufgrund der Wärmeübertragung erfolgt ein Phasenübergang des Phasenwechselmaterials
des Phasenwechselschlammes von fest zu flüssig. Der Phasenwechselschlamm, der nun
ein flüssiges Phasenwechselmaterial aufweist, wird mittels des zweiten Behälters gespeichert.
[0017] Soll der Dampf wenigstens teilweise wieder bereitgestellt werden, wird der mittels
des zweiten Behälters gespeicherte Phasenwechselschlamm zum Druckbehälter zurück zum
ersten Behälter gefördert, insbesondere gepumpt, wodurch die latent gespeicherte Wärme
wieder teilweise auf den kondensierten Dampf, typischerweise Wasser, übertragen wird
und somit wenigstens teilweise verdampft. Das Phasenwechselmaterial wechselt hierbei
wenigstens teilweise seinen Aggregatzustand von flüssig zu fest. Da diese Wärmeübertragung
ebenfalls bei einer annähernd konstanten Temperatur erfolgt, wird Dampf mit nahezu
konstanten thermischen Eigenschaften bereitgestellt beziehungsweise erzeugt. Dies
ist insbesondere für Dampfkraftwerke, das heißt bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung innerhalb eines Dampfkraftwerkes, von Vorteil.
[0018] Weiterhin wird durch die Speicherung des Phasenwechselschlammes innerhalb des zweiten
Behälters eine ausreichend lange Speicherzeit des Dampfes innerhalb des Druckbehälters
ermöglicht. Erst wenn Dampf tatsächlich erforderlich ist, wird der Phasenwechselschlamm
vom zweiten Behälter über den Druckbehälter zum ersten Behälter gefördert, insbesondere
gepumpt. Insbesondere werden Speicherzeiten von mehreren Stunden, beispielsweise von
10 Stunden bis 15 Stunden, mittels der erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht. Bevorzugt
können/kann der zweite Behälter und/oder der erste Behälter eine thermische Isolierung
(Wärmeisolierung) aufweisen.
[0019] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Speicherung und/oder Bereitstellung eines
Dampfes, bevorzugt Wasserdampf, wird für die Speicherung des Dampfes der Dampf in
einen Druckbehälter eingeleitet. Weiterhin wird ein Phasenwechselschlamm von einem
ersten Behälter über den Druckbehälter zu einem zweiten Behälter gefördert, insbesondere
gepumpt, wobei innerhalb des Druckbehälters eine wenigstens teilweise Kondensation
des Dampfes durch eine Wärmeübertragung vom eingeleiteten Dampf auf den Phasenwechselschlamm
erfolgt.
[0020] Mit anderen Worten wird der Phasenwechselschlamm durch den Druckbehälter geführt,
wobei dieser innerhalb des Druckbehälters im thermischen Kontakt mit dem eingeleiteten
Dampf ist. Durch den thermischen Kontakt erfolgt eine Wärmeübertragung vom Dampf auf
den Phasenwechselschlamm, wobei hierbei der Dampf wenigstens teilweise innerhalb des
Druckbehälters kondensiert, typischerweise zu Wasser, und wenigstens teilweise in
seiner kondensierten Form gespeichert wird. Der Phasenwechselschlamm, der die Wärme
beziehungsweise Kondensationswärme des Dampfes latent wenigstens teilweise gespeichert
hat, wird mittels des zweiten Behälters gespeichert.
[0021] Der gespeicherte Dampf wird dadurch wieder bereitgestellt, dass der innerhalb des
zweiten Behälters gespeicherte Phasenwechselschlamm vom zweiten Behälter über den
Druckbehälter zum ersten Behälter gefördert, insbesondere gepumpt, wird. Hierbei erfolgt
innerhalb des Druckbehälters eine wenigstens teilweise Verdampfung des vorher kondensierten
Dampfes.
[0022] Mit anderen Worten wird die vorher mittels des Phasenwechselschlammes latent gespeicherte
Wärme auf den im Druckbehälter kondensierten Dampf, beispielsweise Wasser, übertragen,
wodurch dieser verdampft.
[0023] Es ergeben sich zur erfindungsgemäßen Vorrichtung gleichartige und gleichwertige
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens.
[0024] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung wenigstens
eine Pumpe, mittels welcher der Phasenwechselschlamm vom ersten Behälter über den
Druckbehälter zum zweiten Behälter und/oder vom zweiten Behälter über den Druckbehälter
zum ersten Behälter pumpbar ist.
[0025] Mit anderen Worten ist der Phasenwechselschlamm mittels der Pumpe zwischen den zwei
Behältern über den Druckbehälter hin und her pumpbar. Vorteilhafterweise bleibt der
Phasenwechselschlamm pumpbar, unabhängig davon, ob das Phasenwechselmaterial des Phasenwechselschlammes
flüssig oder fest ist.
[0026] In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst wenigstens der erste Behälter
den Phasenwechselschlamm.
[0027] Hierbei weist der Phasenwechselschlamm bevorzugt eine Schmelztemperatur im Bereich
von 130 Grad Celsius bis 170 Grad Celsius auf.
[0028] Der bevorzugte Temperaturbereich von 130 Grad Celsius bis 170 Grad Celsius ist besonders
für die Papierindustrie von Vorteil.
[0029] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Phasenwechselschlamm
eine Schmelztemperatur im Bereich von 240 Grad Celsius bis zu 260 Grad Celsius auf.
[0030] Der bevorzugte Temperaturbereich von 240 Grad Celsius bis 260 Grad Celsius ist zur
Speicherung von Dampf innerhalb von Dampfkraftwerken von Vorteil. Hierbei umfasst
das Dampfkraftwerk eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und/oder einer
ihrer Ausgestaltungen. Bevorzugt ist die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
und/oder einer ihrer Ausgestaltungen in einen Dampfkreis des Dampfkraftwerkes integriert.
Die Speicherzeit des Dampfes kann hierbei Minuten bis mehrere Stunden, beispielsweise
bis zu 15 Stunden, betragen.
[0031] In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Druckbehälter als Rohrbündelwärmetauscher
ausgebildet.
[0032] Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn der Rohrbündelwärmetauscher eine Mehrzahl
von Rohren umfasst, mittels welchen der Phasenwechselschlamm vom ersten Behälter über
den Druckbehälter zum zweiten Behälter und/oder vom zweiten Behälter über den Druckbehälter
zum ersten Behälter förderbar, insbesondere pumpbar, ist.
[0033] Vorteilhafterweise sind dadurch der Druckbehälter und die zwei für den Phasenwechselschlamm
vorgesehenen Behälter (erster und zweiter Behälter) bezüglich ihres Druckes entkoppelt.
Dadurch können die für den Phasenwechselschlamm vorgesehenen Behälter kostengünstig
bereitgestellt werden, da diese in Bezug auf den Umgebungsdruck als drucklose Behälter
ausgebildet werden können.
[0034] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen/umfasst der erste
Behälter und/oder der zweiter Behälter eine Rührvorrichtung.
[0035] Vorteilhafterweise kann durch die Rührvorrichtung sichergestellt werden, dass der
Phasenwechselschlamm innerhalb des ersten und/oder zweiten Behälters nicht verklumpt.
Die Rührvorrichtung ist jedoch, abhängig vom Phasenwechselschlamm, nicht zwingend
erforderlich. Die Rührvorrichtung kann jedoch die Pumpbarkeit des Phasenwechselschlammes
unterstützen oder verbessern. Hierbei kann ein Rühren oder ein Durchrühren des Phasenwechselschlammes
innerhalb des ersten Behälters und/ oder zweiten Behälters während der Speicherung
des Phasenwechselschlammes oder kurz vor einer Beladung oder kurz vor einer Entladung
des Druckbehälters erfolgen. Eine Rührvorrichtung ist somit bei Phasenwechselschlämmen
von Vorteil, die zu einer Verklumpung neigen, sodass diese auch bei längeren Speicherzeiten
förderbar, insbesondere pumpbar, bleiben.
[0036] In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Druckbehälter als Ruthsspeicher
ausgebildet.
[0037] Mit anderen Worten bildet der Druckbehälter einen Dampfspeicher aus, mittels welchem
der Dampf in kondensierter Form gespeichert wird. Hierbei ist der Ruthsspeicher und
somit der Druckbehälter größtenteils, beispielsweise bis zu 90 Prozent mit kondensierten
Dampf, beispielsweise Wasser oder Siedewasser, befüllt. Das restliche verbleibende
Volumen des Druckbehälters ist weiterhin mit Dampf, insbesondere Wasserdampf, annähernd
gleicher Temperatur gefüllt.
[0038] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Druckbehälter eine
Länge von wenigstens 5 Metern und höchstens 15 Meter auf.
[0039] Mit anderen Worten ist der Druckbehälter für industrielle Anlagen vorgesehen, wobei
eine Länge von höchstens 15 Meter deshalb von Vorteil ist, da dann der Druckbehälter
transportierbar ist.
[0040] In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Phasenwechselschlamm
Kaliumnitrat oder Lithiumnitrat.
[0041] Dadurch wird als Phasenwechselschlamm ein Stoffgemisch mit Kaliumnitrat oder Lithiumnitrat
verwendet. Mit anderen Worten umfasst das Phasenwechselmaterial des Phasenwechselschlammes
bevorzugt Kaliumnitrat oder Lithiumnitrat. Kaliumnitrat weist einen Schmelzpunkt von
etwa 334 Grad Celsius auf. Weiterhin kann der Phasenwechselschlamm bevorzugt ein Öl
als Trägerflüssigkeit, insbesondere ein Thermoöl, umfassen. Besonders bevorzugt ist
ein Stoffgemisch mit Kaliumnitrat und einem Öl oder ein Stoffgemisch mit Lithiumnitrat
und einem Öl. Das Öl ist hierbei insbesondere ein Thermoöl.
[0042] Bevorzugt umfasst der Phasenwechselschlamm ein mikroverkapseltes Phasenwechselmaterial,
insbesondere mikroverkapselte Paraffine. Weiterhin umfasst der Phasenwechselschlamm
bevorzugt Wasser.
[0043] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird Dampf aus einer kalten
Zwischenüberhitzung eines Kraftwerkes, insbesondere eines Dampfkraftwerkes, in den
Druckbehälter eingeleitet.
[0044] Dadurch kann vorteilhafterweise der Dampf bereits vor dem Anfahren einer Turbine
des Kraftwerkes und ebenfalls während eines Betriebes der Turbine sicher entnommen
werden und mittels des Druckspeichers gespeichert werden.
[0045] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im
Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt
die einzige Figur schematisiert eine Vorrichtung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung.
[0046] Die Figur zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 1 ist zur Speicherung eines Dampfes, insbesondere Wasserdampf, vorgesehen.
[0047] Hierbei umfasst die Vorrichtung 1 einen ersten Behälter 2 und einen zweiten Behälter
4. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 einen Druckbehälter 3.
[0048] Die Vorrichtung 1 kann schematisch in Kapazitätskomponenten 101 und Leistungskomponenten
102 eingeteilt werden. Hierbei umfassen die Kapazitätskomponenten 101 wenigstens den
ersten und zweiten Behälter 2, 4 und die Leistungskomponenten 102 wenigstens den Druckbehälter
2.
[0049] Die Behälter 2, 4 sind wenigstens zur Aufnahme eines Phasenwechselschlammes 42 vorgesehen
oder ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen die Behälter 2, 4
den Phasenwechselschlamm 42.
[0050] Weiterhin umfasst der Druckbehälter 3 eine Zuleitung 31 für ein Zuleiten des Dampfes
und eine Ableitung 32 für ein Ausleiten oder Bereitstellen des Dampfes. Mit anderen
Worten wird der Druckbehälter 3 mittels der Zuleitung 31 mit Dampf wenigstens teilweise
beladen und mittels der Ableitung 32 wenigstens teilweise entladen.
[0051] Zur Verteilung des zugeleiteten Dampfes innerhalb des Druckbehälters 3 weist der
Druckbehälter 3 eine Verteilervorrichtung 8 auf.
[0052] Der erste Behälter 2, der zweite Behälter 4 und der Druckbehälter 3 sind mittels
eines Rohrleitungssystems 6 thermisch gekoppelt. Hierbei erstrecken sich Rohre 61
des Rohrleitungssystems 6 innerhalb beziehungsweise durch den Druckbehälter 3. Das
Rohrleitungssystem 6 beziehungsweise die Rohre 61 ermöglichen eine Wärmeübertragung
und somit einen thermischen Kontakt zwischen dem innerhalb des Druckspeichers 3 vorliegenden
Dampf und/oder kondensierten Dampf und dem Phasenwechselschlamm 42. Hierzu ist der
Phasenwechselschlamm 42 mittels oder über des Rohrleitungssystems 6 zwischen den Behältern
2, 4 hin und her förderbar, insbesondere pumpbar. Hierzu kann wenigstens eine Pumpe
vorgesehen sein.
[0053] Bezüglich des Betriebes der Vorrichtung 1 kann zwischen einem Beladen und einem Entladen
des Druckspeichers 3 unterschieden werden. Wird die gesamte Vorrichtung 1 als Dampfspeicher
aufgefasst, so kann bezüglich des Betriebes für die Vorrichtung 1 ein Beladen (Speicherung
von Dampf) und Entladen (Bereitstellung oder Erzeugung von Dampf) unterschieden werden.
[0054] Beim Beladen des Druckspeichers 3 wird der Dampf über die Zuleitung 31 dem Druckspeicher
3 zugeführt. Insbesondere wird der zugeführte Dampf mittels der Verteilervorrichtung
8 innerhalb des Druckbehälters 3 verteilt. Weiterhin wird der innerhalb des ersten
Behälters 2 vorliegende Phasenwechselschlamm 42 durch die Rohre 61 des Rohrleitungssystems
6 zum zweiten Behälter 4 gefördert, insbesondere gepumpt. Der Phasenwechselschlamm
ist hierbei förderbar, insbesondere pumpbar. Durch den thermischen Kontakt zwischen
dem eingeleiteten Dampf und dem durch den Druckbehälter 3 gepumpten Phasenwechselschlamm
42 wird Wärme auf den Phasenwechselschlamm 42 übertragen (Wärmeübertragung) und latent
durch das Phasenwechselmaterial des Phasenwechselschlammes 42 gespeichert. Durch die
genannte Wärmeübertragung erfolgt eine wenigstens teilweise Kondensation des Dampfes
innerhalb des Druckbehälters 3. Dadurch wird der Dampf in kondensierter Form, insbesondere
als Wasser, mittels des Druckbehälters 3 gespeichert. Die Strömungsrichtung oder Pumprichtung
des Phasenwechselschlammes 42 beim Beladen ist durch die Pfeile 421 gekennzeichnet.
[0055] Der Phasenwechselschlamm 42 wird mittels des zweiten Behälters 4 gespeichert. Hierbei
weist das Phasenwechselmaterial des Phasenwechselschlammes 42 größtenteils einen flüssigen
Aggregatzustand auf. Eine thermische Isolierung (Wärmeisolierung) des zweiten Behälters
4 kann vorgesehen sein. Diese kann jedoch deutlich kleiner dimensioniert werden, da
aufgrund des Schmelzvorganges des Phasenwechselmaterials die vom Dampf übertagende
Wärme, latent, das heißt ohne eine signifikante Erhöhung der Temperatur des Phasenwechselschlammes
42 gespeichert wird.
[0056] Beim Entladen des Druckspeichers 3, das heißt bei einer Bereitstellung von Dampf,
wird der Phasenwechselschlamm 42 vom zweiten Behälter 4 über die Rohre 61 des Rohrleitungssystems
6 zurück zum ersten Behälter 2 gefördert, insbesondere gepumpt. Durch den thermischen
Kontakt des Phasenwechselschlammes 42 mit dem kondensierten Dampf, Verdampf der kondensierte
Dampf und kann an der Ausleitung 32 des Druckbehälters 3 bereitgestellt werden. Aufgrund
dieser Wärmeübertragung vom Phasenwechselschlamm 42 auf den im Druckbehälter 3 gespeicherten
kondensierten Dampf, insbesondere Wasser, erfolgt ein Phasenübergang des Phasenwechselmaterials
des Phasenwechselschlammes 42 von flüssig nach fest. Hierbei bleibt der Phasenwechselschlamm
42 auch in der festen Phase seines Phasenwechselmaterials förderbar, insbesondere
pumpbar. Das Entladen beziehungsweise das Bereitstellen des Dampfes und die dazu vorgesehene
Strömungsrichtung oder Pumprichtung des Phasenwechselschlammes 42 ist durch die Pfeile
422 gekennzeichnet.
[0057] Mit anderen Worten wird beim Beladen des Druckspeichers 3 der Phasenwechselschlamm
42 vom ersten Behälter 2 über den Druckspeicher 3 zum zweiten Behälter 4 gefördert,
insbesondere gepumpt. Beim Bereitstellen des Dampfes wird der Phasenwechselschlamm
42 vom zweiten Behälter 4 über den Druckbehälter 3 zurück zum ersten Behälter 2 gefördert,
insbesondere gepumpt. Durch das hin und her Fördern oder hin und her Pumpen des Phasenwechselschlammes
42 wischen den zwei Behältern 2, 4 über den Druckspeicher 3 wird vorteilhafterweise
die Größe des Druckspeichers 3 von seiner Speicherleistung entkoppelt. Weiterhin kann
vorteilhafterweise durch den zweiten Behälter 4 eine ausreichende Speicherzeit, beispielsweise
im Bereich von Stunden für den Dampf ermöglicht werden. Dadurch können Dampfkraftwerke,
die beispielsweise eine Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung und/oder einer
ihrer Ausgestaltungen umfassen, bezüglich ihrer Flexibilität verbessert werden. Mit
anderen Worten weist ein Dampfkraftwerk, das eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung und/oder einer ihrer Ausgestaltungen als Dampfspeicher umfasst, eine gesteigerte
Flexibilisierung auf. Durch die Einbindung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder
einer Vorrichtung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in den Dampfkreis
eines Dampfkraftwerkes kann dieses flexibel und schnell in Bezug auf eine angeforderte
Leistung reagieren.
[0058] Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die zwei Behälter 2, 4
und der Druckspeicher 3 aufgrund des Rohrleitungssystems 6 bezüglich ihres Druckes
entkoppelt sind. Dadurch können kostengünstige, in Bezug auf den Umgebungsdruck drucklose
Behälter 2, 4 für die ersten Behälter 2, 4 verwendet werden. Weiterhin erfolgt die
Wärmeübertragung bei konstanter Temperatur, sodass Dampf mit festen und spezifischen
Parametern stets gleichartig bereitgestellt werden kann. Dies ist insbesondere in
Bezug auf die Stromerzeugung in Dampfkraftwerken von Vorteil.
[0059] Alternativ zur vorliegenden Erfindung könnte anstatt eines Phasenwechselschlammes
ein Flüssigsalz verwendet werden. Ergänzend kann der Phasenwechselschlamm ein Flüssigsalz
umfassen. Weiterhin umfasst der Phasenwechselschlamm bevorzugt Kaliumnitrat, Lithiumnitrat
und/oder ein Thermoöl.
[0060] Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert
und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele
eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden,
ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
[0061]
- 1
- Vorrichtung
- 2
- erster Behälter
- 3
- Druckbehälter
- 4
- zweiter Behälter
- 6
- Rohrleistungssystem
- 8
- Verteiler
- 31
- Pfeil - Dampfeinleitung
- 32
- Pfeil - Dampfausleitung
- 42
- Phasenwechselschlamm
- 421
- Pfeil - Beladen
- 422
- Pfeil - Entladen
- 61
- Rohr
- 101
- Kapazitätskomponenten
- 102
- Leistungskomponenten
1. Vorrichtung (1) zur Speicherung eines Dampfes, umfassend einen Druckbehälter (3) zur
Aufnahme des Dampfes sowie einen ersten und zweiten Behälter (2, 4), wobei der Druckbehälter
(3) und die zwei Behälter (2, 4) über ein Rohrleitungssystem (6) im thermischen Kontakt
sind, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Behälter (2, 4) zur Aufnahme eines Phasenwechselschlammes (42)
mit einer Schmelztemperatur oberhalb von 50 Grad Celsius ausgebildet sind, wobei der
Phasenwechselschlamm (42) mittels des Rohrleitungssystems (6) vom ersten Behälter
(2) über den Druckbehälter (3) zum zweiten Behälter (4) und/oder vom zweiten Behälter
(4) über den Druckbehälter (3) zum ersten Behälter (2) förderbar ist.
2. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) wenigstens eine Pumpe umfasst, mittels welcher der Phasenwechselschlamm
(42) vom ersten Behälter (2) über den Druckbehälter (3) zum zweiten Behälter (4) und/oder
vom zweiten Behälter (4) über den Druckbehälter (3) zum ersten Behälter (2) pumpbar
ist.
3. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der erste Behälter (2) den Phasenwechselschlamm (42) umfasst.
4. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwechselschlamm (42) eine Schmelztemperatur im Bereich von 130 Grad Celsius
bis 170 Grad Celsius aufweist.
5. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwechselschlamm (42) eine Schmelztemperatur im Bereich von 240 Grad Celsius
bis 260 Grad Celsius aufweist.
6. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (3) als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet ist.
7. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrbündelwärmetauscher eine Mehrzahl von Rohren (61) umfasst, mittels welchen
der Phasenwechselschlamm (42) vom ersten Behälter (2) über den Druckbehälter (3) zum
zweiten Behälter (4) und/oder vom zweiten Behälter (4) über den Druckbehälter (3)
zum ersten Behälter (2) förderbar ist.
8. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Behälter (2) und/oder der zweite Behälter (2) eine Rührvorrichtung umfassen/umfasst.
9. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (3) als Ruthsspeicher ausgebildet ist.
10. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (3) eine Länge von wenigstens 5 Metern und höchstens 15 Meter aufweist.
11. Verfahren zur Speicherung oder Bereitstellungen eines Dampfes, bei dem für die Speicherung
des Dampfes der Dampf in einen Druckbehälter (3) eingeleitet wird, und bei dem ein
Phasenwechselschlamm (42) von einem ersten Behälter (2) über den Druckbehälter (3)
zu einem zweiten Behälter (4) gefördert wird, wobei innerhalb des Druckbehälters (3)
eine wenigstens teilweise Kondensation des Dampfes durch eine Wärmeübertragung vom
Dampf auf den Phasenwechselschlamm (42) erfolgt.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem für die Bereitstellung des Dampfes der Phasenwechselschlamm
(42) vom zweiten Behälter (4) über den Druckbehälter (3) zum ersten Behälter (2) gefördert
wird, wobei innerhalb des Druckbehälters (3) eine wenigstens teilweise Verdampfung
des vorher kondensierten Dampfes erfolgt.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, bei dem der Phasenwechselschlamm (42)
innerhalb des ersten und/oder zweiten Behälters (2, 4) mittels einer Rührvorrichtung
verrührt wird.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem als Phasenwechselschlamm ein
Stoffgemisch mit Kaliumnitrat oder Lithiumnitrat verwendet wird.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem der Dampf aus einer kalten
Zwischenüberhitzung eines Kraftwerkes, insbesondere Dampfkraftwerkes, in den Druckbehälter
(3) eingeleitet wird.