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J
DIM360 Ver 2.40 (30 Jan 2013) - 1100000/0
2653670
EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG
A1
20131023
EP
12164473.6
20120417
de
de
de
20131023
201343
20131023
201343
F01K 23/02 20060101AFI20130225BHEP
F01K 3/12 20060101ALI20130225BHEP
de
Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie mit einem Wärmespeicher und einem Kältespeicher und Verfahren zu deren Betrieb
en
Assembly for storing and emitting thermal energy with a heat storage device and a cold air reservoir and method for its operation
fr
Installation de stockage et de répartition d'énergie thermique avec un accumulateur thermique et un accumulateur de froid et leur procédé de fonctionnement
3
Siemens Aktiengesellschaft
101362070
2012P03890EP
Wittelsbacherplatz 2
80333 München
DE
Reznik, Daniel
Borgfelder Steig 8
13503 Berlin
DE
Stiesdal, Henrik
Nørrevoldgade 45
5000 Odense C
DK
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Gegenstand der Erfindung ist eine Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie sowie ein Verfahren zu deren Betrieb. Diese Anlage weist einen Wärmespeicher (14) und einen Kältespeicher (16) auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wärmespeicher (14) und der Kältespeicher (16) in zwei getrennten Endladekreisläufen (40, 52) entladen werden, wobei die thermische Energie beispielsweise über einen Generator (G) in elektrische Energie umgesetzt wird. Hierbei kann vorteilhaft die Restwärme aus dem Prozess im Kreislauf (40) über einen ersten Wärmetauscher (51) dem Prozess im Kreislauf (52) zugeführt werden, wodurch der Gesamtwirkungsgrad vorteilhaft verbessert wird. Vorteilhaft kann weiterhin die Wärme aus dem Wärmespeicher (14) über einen Abhitze-Dampferzeuger (68) in den ersten Kreislauf (40) übertragen werden. Der Wärmespeicher (14) und der Kältespeicher (16) können beispielsweise mit überschüssiger Energie aus dem elektrischen Netz über einen Motor (M) aufgeladen werden. Hierdurch können beispielsweise überschüssige Energiereserven alternativer Energieressourcen gespeichert werden.
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie mit einem Wärmespeicher und einem Kältespeicher, wobei der Wärmespeicher die gespeicherte Energie an eine erste Leitung in einem Endladekreislauf für ein Arbeitsmedium abgeben kann an einer geeigneten Abgabestelle. In dem Endladekreislauf sind folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch diese erste Leitung miteinander verbunden: eine als Arbeitsmaschine geschaltete erste thermische Fluidenergie-Maschine (insbesondere eine Pumpe), eine Abgabestelle (beispielsweise ein Wärmetauscher) für Wärme aus dem Wärmespeicher und eine als Kraftmaschine geschaltete zweite thermische Fluidenergie-Maschine (beispielsweise eine Dampfturbine). Die beschriebene Anordnung der Einheiten im Endladekreislauf ermöglicht es, dass die in dem Wärmespeicher gespeicherte Energie an das Arbeitsmedium abgegeben wird und die als Kraftmaschine geschaltete zweite thermische Fluidenergie-Maschine beispielsweise zum Antrieb eines elektrischen Generators genutzt wird. Zur Speicherung der thermischen Energie im Wärmespeicher und im Kältespeicher ist umgekehrt ein Ladekreislauf erforderlich, der wahlweise durch die erste Leitung oder durch eine andere Leitung verwirklicht sein kann. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren, das mit der beschriebenen Anlage durchgeführt wird.
Die Begriffe Kraftmaschine und Arbeitsmaschine werden im Rahmen dieser Anmeldung so verwendet, dass eine Arbeitsmaschine mechanische Arbeit aufnimmt, um ihren Zweck zu erfüllen. Eine thermische Fluidenergie-Maschine, die als Arbeitsmaschine verwendet wird, wird somit als Verdichter oder als Kompressor betrieben. Demgegenüber verrichtet eine Kraftmaschine Arbeit, wobei eine thermische Fluidenergie-Maschine zur Verrichtung der Arbeit die im Arbeitsgas zur Verfügung stehende thermische Energie umwandelt. In diesem Fall wird die thermische Fluidenergie-Maschine also als Motor betrieben.
Der Begriff "thermische Fluidenergie-Maschine" bildet einen Oberbegriff für Maschinen, die einem Arbeitsfluid, im Zusammenhang mit dieser Anmeldung ein Arbeitsgas wie Luft oder Wasserdampf, thermische Energie entziehen oder diesem thermische Energie zuführen können. Unter thermischer Energie ist sowohl Wärmeenergie als auch Kälteenergie zu verstehen. Thermische Fluidenergie-Maschinen (im folgenden auch kürzer als Fluidernergie-Maschinen bezeichnet) können beispielsweise als Kolbenmaschinen ausgeführt sein. Bevorzugt können auch hydrodynamische thermische Fluidenergie-Maschinen verwendet werden, deren Laufräder einen kontinuierlichen Fluss des Arbeitsgases erlauben. Vorzugsweise kommen axial wirkende Turbinen bzw. Verdichter zum Einsatz.
Das eingangs angegebene Prinzip ist beispielsweise gemäß der WO 2009/044139 A2 beschrieben. Hier kommen Kolbenmaschinen zum Einsatz, um das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Gemäß der US 5,436,508 ist es überdies bekannt, dass mittels der eingangs angegebenen Anlagen zur Speicherung thermischer Energie auch Überkapazitäten bei der Nutzung von Windenergie zur Herstellung elektrischen Stroms zwischengespeichert werden können, um diese im Bedarfsfall wieder abzurufen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie der eingangs angegebenen Art (beispielsweise Wandlung von mechanischer in thermische Energie mit anschließender Speicherung oder Wandlung der gespeicherten thermischen Energie in mechanische Energie) und ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben, mit der ein vergleichsweise hoher Wirkungsgrad bei gleichzeitig vertretbarem Aufwand der verwendeten Baueinheiten möglich ist.
Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Anlage erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kältespeicher die gespeicherte Kälte an eine zweite Leitung an einer geeigneten Abgabestelle abgeben kann, wobei die zweite Leitung einen geschlossenen Kreislauf bildet. In diesem Kreislauf sind folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch die zweite Leitung miteinander verbunden: hinter der genannten Abgabestelle für die in dem Kältespeicher gespeicherte Kälte (also der Stelle, an der der Kältespeicher die gespeicherte Kälte an die zweite Leitung abgeben kann) ist eine als Arbeitsmaschine geschaltete dritte thermische Fluidenergie-Maschine (beispielsweise eine Pumpe) vorgesehen, dann ist eine Wärmequelle vorgesehen und dann ist eine als Kraftmaschine geschaltete thermische Fluidenergie-Maschine (beispielsweise eine Dampfturbine) vorgesehen. Als Wärmequelle eignen sich Medien, welche im Vergleich zum Temperaturniveau des Kältespeichers ein höheres Temperaturniveau aufweisen. Wenn der Kältespeicher im aufgeladenen Zustand ein Temperaturniveau aufweist, welches unter den Umgebungsbedingungen liegt, kann als Wärmequelle die Umgebung der Anlage genutzt werden (beispielsweise Flusswasser). Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Abwärme oder Restwärme eines anderen Prozesses genutzt wird, wobei das Temperaturniveau dieses Prozesses über der Umgebungstemperatur liegt. Dieser Prozess kann beispielsweise ein Gasturbinenkreislauf sein. Wird das Gas für diesen in flüssiger Form angeliefert und muss erst verdampft werden, kann dieser Prozess beispielsweise zur Aufladung des Kältespeichers verwendet werden. Andere Konfigurationen werden im Folgenden noch näher erläutert. Hierunter ist insbesondere die thermische Energiespeicherung zu nennen, wie diese eingangs bereits erläutert wurde.
In der ersten Leitung und in der zweiten Leitung ist jeweils ein Arbeitsmedium vorgesehen, welches im Kreislauf einen thermodynamischen Prozess zur Energiespeicherung oder Energiegewinnung durchläuft. Hierbei kann dieses gasförmig oder flüssig vorliegen. Die Fluidenergie-Maschinen müssen jeweils auf das Medium optimiert sein. Wird dieses in flüssiger Form gefördert, so ist die Wahl einer Pumpe besonders vorteilhaft. Im Falle der Förderung im gasförmigen Zustand kommen bevorzugt hydrodynamische Fluidenergie-Maschinen (TurboVerdichter) zum Einsatz.
Grundlegender Gedanke der Erfindung ist es, dass der in der Anlage zur Verfügung stehende Wärmespeicher und der zur Verfügung stehende Kältespeicher unabhängig voneinander in zwei Endladekreisläufen genutzt werden können. Hierdurch wird es insbesondere möglich, die Abwärme des mit dem Wärmespeicher betriebenen Endladekreislaufes in den mit dem Kältespeicher betriebenen Endladekreislauf nutzen zu können. Hierdurch wird die Ausbeute der im Wärmespeicher und im Kältespeicher gespeicherten Energie vorteilhaft erhöht, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Anlage gesteigert werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmequelle aus einem ersten Wärmetauscher besteht, der der ersten Leitung Wärme entziehen kann und zwischen der dritten Fluidenergie-Maschine und der vierten Fluidenergie-Maschine angeordnet ist. Diese Anordnung und Funktionsweise des ersten Wärmetauschers ermöglicht es wie bereits angedeutet, dass die Abwärme des im durch die erste Leitung gebildeten Endladekreislaufes in dem durch die zweite Leitung gebildeten Endladekreislauf genutzt werden kann. Dieses Temperaturniveau liegt höher als das der Umgebung, wodurch vorteilhaft die Ausbeute der Abgabe bzw. Entladung des Kältespeichers vergrößert werden kann.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Abgabestelle für den Wärmespeicher durch einen fünften Wärmetauscher gebildet ist, der der ersten Leitung Wärme zuführen kann und der in einen durch eine vierte Leitung gebildeten Kreislauf geschaltet ist. In diesen Kreislauf sind folgende Einheiten miteinander verbunden: der fünfte Wärmetauscher, eine als Arbeitsmaschine geschaltete zehnte thermische Fluidenergie-Maschine und der Wärmespeicher. Hiermit wird eine Konfiguration zur Verfügung gestellt, bei der der Wärmespeicher nicht direkt in den Endladekreislauf der ersten Leitung eingebunden ist, sondern mit diesem über einen Wärmetauscher verbunden ist (fünfter Wärmetauscher). Dieser Wärmetauscher wird durch die vierte Leitung in einem Kreislauf mit dem Wärmespeicher 14 verbunden. Die Fluidenergie-Maschine wälzt hierbei das Arbeitsmedium in der vierten Leitung um, so dass die im Wärmespeicher 14 gespeicherte Energie an den Wärmetauscher herangeführt werden kann. Der Vorteil dieser Bauform ist, dass in der ersten und in der vierten Leitung unterschiedliche Arbeitsmedien zum Einsatz kommen können. Besonders vorteilhaft ist beispielsweise der fünfte Wärmetauscher als Abhitze-Dampferzeuger ausgebildet. Derartige Wärmetauscher werden häufig auch als Abhitzekessel oder als HRSG (Heat Recovery Steam Generator) bezeichnet. Der Abhitze-Dampferzeuger wird vorteilhaft mit Wasser betrieben, so dass marktübliche Dampfturbinen zur Erzeugung mechanischer Energie im durch die erste Leitung gebildeten Kreislauf zum Einsatz kommen können. Der Wärmespeicher 14 kann jedoch über die vierte Leitung beispielsweise mit Luft als Arbeitsmedium betrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass auch Wärmespeicher größeren Volumens kostengünstig hergestellt werden können, da eventuelle Undichtigkeiten in dem Kreislauf keine Gefahr für die Umwelt darstellen.
Vorteilhaft kann der Abhitze-Dampferzeuger (also der fünfte Wärmetauscher) und die zweite thermische Fluidenergie-Maschine auch mehrere Druckstufen aufweisen. Diese Druckstufen werden dadurch ausgebildet, dass sowohl im Wärmetauscher als auch in der Fluidenergie-Maschine korrespondierende Druckstufen zur Verfügung stehen, die jeweils mit Leitungen untereinander verbunden werden. Hierdurch lässt sich die Ausbeute und damit der Wirkungsgrad des Endladeprozesses vorteilhaft weiter erhöhen.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgabestelle für die in dem Kältespeicher gespeicherte Kälte aus einem dritten Wärmetauscher besteht, der an die zweite Leitung Wärme abgeben kann und in einen durch eine dritte Leitung gebildeten Kühlkreislauf eingebunden ist. In diesem Kühlkreislauf sind folgende Einheiten miteinander verbunden: der dritte Wärmetauscher, eine als Arbeitsmaschine geschaltete fünfte thermische Fluidenergie-Maschine und der Kältespeicher. Die Fluidenergie-Maschine wälzt das Arbeitsmedium in der dritten Leitung um. Auf diesem Wege wird die in dem Kältespeicher gespeicherte Kälteenergie über den dritten Wärmetauscher an die zweite Leitung abgegeben, wo über die vierte Fluidenergie-Maschine Arbeit verrichtet werden kann. Auch diese Trennung der Kreisläufe über die zweite und die dritte Leitung hat den Vorteil, dass der über die zweite Leitung gebildeten Kreislauf möglichst klein gehalten werden kann. In diesem System kann beispielsweise Ammoniak als Arbeitsmedium zum Einsatz kommen und unter den damit verbundenen hohen technischen Sicherheitsanforderungen betrieben werden. In der dritten Leitung kann beispielsweise Luft als Arbeitsmedium zum Einsatz kommen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn der Kältespeicher aufgrund der Kapazitätsanforderungen ein großes Volumen aufweist.
Eine wieder andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in der zweiten Leitung zwischen der dritten thermischen Fluidenergie-Maschine und dem ersten Wärmetauscher ein vierter Wärmetauscher vorgesehen ist, der einen Wärmeeintrag aus der Umgebung der Anlage in die zweite Leitung ermöglicht. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass der Kältespeicher ein Temperaturniveau aufweist, welches unterhalb der atmosphärischen Umgebungsbedingungen liegt. Daher kann dem Arbeitsmedium in einem ersten Schritt Wärme aus der Umgebung zugeführt werden, bevor in einem zweiten Schritt die Wärme genutzt wird, welche in dem Wärmespeicher oder in der Restwärme des Endladekreislaufes am Wärmespeicher zur Verfügung gestellt wird. Die Umgebungswärme steht damit dem Prozess zusätzlich zur Verfügung, wodurch der Wirkungsgrad der Anlage verbessert werden kann.
Die eingangs angegebene Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie über einen Wärmespeicher und einen Kältespeicher gelöst, bei dem während des Endladezyklusses der Wärmespeicher die gespeicherte Energie an eine erste Leitung in einen Endladekreislauf für ein Arbeitsmedium abgibt. In dem Endladekreislauf sind die folgenden Einheiten in der angegebenen Reihenfolge über eine erste Leitung angeordnet und werden in dieser Reihenfolge durch das Arbeitsmedium durchflossen: eine als Arbeitsmaschine geschaltete erste thermische Fluidenergie-Maschine (insbesondere eine Pumpe), eine Abgabestelle für Wärme aus dem Wärmespeicher und eine als Kraftmaschine geschaltete zweite thermische Fluidenergie-Maschine (insbesondere eine Dampfturbine).
Konkret besteht die Lösung der Aufgabe darin, dass der Kältespeicher die gespeicherte Kälte an eine zweite Leitung abgibt, wobei die zweite Leitung einen geschlossenen Kreislauf bildet, in der folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge über die zweite Leitung durchlaufen werden: hinter der genannten Abgabestelle für die in dem Kältespeicher gespeicherte Kälte eine als Arbeitsmaschine geschaltete dritte thermische Fluidenergie-Maschine (insbesondere eine Pumpe), eine Wärmequelle und eine als Kraftmaschine geschaltete vierte thermische Fluidenergie-Maschine, insbesondere eine Dampfturbine. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, mit welchem eine Anlage der vorbeschriebenen Art betrieben werden kann, werden die bereits erläuterten Vorteile einer Effizientsteigerung und damit einer Steigerung des Wirkungsgrades der ablaufenden Prozesse erreicht.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben.
Es zeigen
Figur 1 und 2
ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage in den Betriebszuständen eines Aufladens (Figur 1) und Entladens (Figur 2) jeweils als Blockschaltbilder und
Figur 3
ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage in den Betriebszuständen eines Aufladens und Entladens als Blockschaltbild.
Anhand einer Anlage gemäß den Figuren 1 und 2 sollen der thermische Auflade- und Entladeprozess von thermischen Speichern 12, 14, 16 näher erläutert werden. In Figur 1 ist zunächst ein zweistufiger Ladeprozess dargestellt, der nach dem Prinzip einer Wärmepumpe funktioniert. Dargestellt ist ein offener Ladekreislauf, der jedoch, wie strichpunktiert angedeutet, unter Einsatz eines optional vorgesehenen Wärmetauschers 17b geschlossen werden könnte. Die Zustände im Arbeitsgas, welches bei dem Ausführungsbeispiel Figur 1 aus Luft besteht, sind jeweils an den Leitungen 30, 31 in Kreisen dargestellt. Links oben ist der Druck in bar angegeben. Rechts oben wird die Entalpie in KJ/Kg angegeben. Links unten steht die Temperatur in °C und rechts unten wird der Massefluss in Kg/s angegeben. Die Flussrichtung des Gases ist durch Pfeile in der betreffenden Leitung angedeutet (Diese Pfeile und Kreise werden auch in den weiteren Figuren verwendet).
In der Modellrechnung für den Ladekreislauf der dritten Leitung 31 gemäß Figur 1 gelangt das Arbeitsgas mit 1 bar und 20°C in einen (vorher aufgeladenen) Zusatz-Wärmespeicher 12 und verlässt diesen mit einer Temperatur von 80°C. Durch Komprimierung mittels der als Verdichter arbeitenden sechsten Fluidenergie-Maschine 34 kommt es zu einer Druckerhöhung auf 15 bar und infolgedessen auch zu einer Temperaturerhöhung auf 540°C. Dieser Berechnung liegt folgende Formel zugrunde T_2=T_1+(T_{2s}-T_1)/η_c; T_{2s}=T_1Π^{(K-1)/K}, wobei
T_2 die Temperatur am Verdichterausgang,
T_1 die Temperatur am Verdichtereingang,
η _c der isentropische Wirkungsgrad des Kompressors,
n das Druckverhältnis (hier 15:1) und
K die Kompressibilität ist, die bei Luft 1,4 beträgt.
Der isentropische Wirkungsgrad η_c kann einem Kompressor mit 0,85 vorausgesetzt werden.
Das erhitzte Arbeitsgas durchläuft nun den Wärmespeicher 14, wo der Hauptteil der verfügbaren thermischen Energie gespeichert wird. Während der Speicherung kühlt sich das Arbeitsgas auf 20°C ab, während der Druck mit 15 bar erhalten bleibt. Anschließend wird das Arbeitsgas in zwei in Serie geschalteten Stufen 35a, 35b einer siebten Fluidenergie-Maschine 35 entspannt, so dass es auf einem Druckniveau von 1 bar anlangt. Dabei kühlt sich das Arbeitsgas nach der ersten Stufe auf 5°C und nach der zweiten Stufe auf -100°C ab. Grundlage für diese Berechnung ist ebenfalls die oben angegebene Formel.
In den Teil der dritten Leitung 31, der die beiden Stufen der siebten Fluidenergie-Maschine 35a, 35b in Form einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine verbindet, ist zusätzlich ein Wasserabscheider 29 vorgesehen. Dieser ermöglicht nach einer ersten Entspannung eine Trocknung der Luft, so dass die in dieser enthaltenen Luftfeuchtigkeit in der zweiten Stufe 35b der siebten Fluidenergie-Maschine 35 nicht zu einer Vereisung der Turbinenblätter führt.
Im weiteren Verlauf entzieht das entspannte und daher abgekühlte Arbeitsgas dem Kältespeicher 16 Wärme und wird dadurch auf 0°C erwärmt. Auf diesem Weg wird Kälteenergie im Kältespeicher 16 gespeichert, die bei einer anschließenden Energiegewinnung genutzt werden kann. Vergleicht man die Temperatur des Arbeitsgases am Ausgang des Kältespeichers 16 und am Eingang des Zusatz-Wärmespeichers 12, so wird deutlich, warum für den Fall eines geschlossenen Ladekreislaufs der Wärmetauscher 17b zur Verfügung gestellt werden muss. Hier kann das Arbeitsgas wieder auf Umgebungstemperatur von 20°C aufgewärmt werden, wodurch der Umgebung Wärme entzogen wird, die dem Prozess zur Verfügung gestellt wird. Eine solche Maßnahme kann selbstverständlich entfallen, wenn das Arbeitsgas direkt aus der Umgebung angesaugt wird, da dies bereits Umgebungstemperatur aufweist.
Damit bei dem Durchlaufen des Ladekreislaufes der dritten Leitung 31 eine Vorerwärmung durch den Zusatz-Wärmespeicher 12 erfolgen kann, ist ein Zusatzkreislauf durch eine Zusatzleitung 30 verwirklicht, mit dem der Zusatz-Wärmespeicher 12 aufgeladen werden kann. Der Zusatz-Wärmespeicher 12 muss daher sowohl an den Ladekreislauf der dritten Leitung 31 als auch an den Zusatzkreislauf der Zusatzleitung 30 angeschlossen werden können. Ein Anschluss an die dritte Leitung 31 erfolgt durch die Ventile A, während ein Anschluss an die Zusatzleitung 30 durch Öffnen der Ventile B gewährleistet wird. Beim Durchlaufen der Zusatzleitung 30 wird die Luft zunächst durch eine achte Fluidenergie-Maschine 36 geleitet, die als Verdichter arbeitet. Die verdichtete Luft wird durch den Zusatz-Wärmespeicher 12 geleitet, wobei die Durchflussrichtung entsprechend der angedeuteten Pfeile genau entgegengesetzt zum durch die dritte Leitung 31 gebildeten Ladekreislauf verläuft. Nachdem die Luft von Umgebungsdruck (1 bar) und Umgebungstemperatur (20°C) durch den Verdichter auf 4 bar und einer Temperatur von 188°C gebracht wurde, wird die Luft durch den Zusatz-Wärmespeicher 12 wieder auf 20°C abgekühlt. Anschließend wird die Luft durch die Stufen 37a, 37b einer neunten Fluidenergie-Maschine 37, die als Turbine arbeitet, in zwei Stufen entspannt. Auch hier ist in der die beiden Stufen 37a, 37b verbindenden Zusatzleitung 30 ein Wasserabscheider 29 vorgesehen, der genauso funktioniert, wie der in der dritten Leitung 31 befindliche. Nach Entspannen der Luft über die neunte Fluidenergie-Maschine 37 besitzt diese eine Temperatur von -56°C bei Umgebungsdruck (1 bar). Für den Fall, dass der Zusatzkreislauf der Zusatzleitung 30, wie strichpunktiert dargestellt, geschlossen ausgeführt sein soll, muss daher ein Wärmetauscher 17c vorgesehen werden, damit die Luft von -56°C durch Wärmeaufnahme aus der Umgebung auf 20°C aufgewärmt werden kann.
Die Kreisläufe der dritten Leitung 31 und der Zusatzleitung 30 werden unabhängig voneinander in Gang gesetzt. Daher sind die sechste und siebte Fluidenergie-Maschine über die Welle 21 mit einem Motor M1 und die achte und neunte Fluidenergie-Maschine über die andere Welle 21 mit einem Motor M2 mechanisch gekoppelt. Bei Überkapazitäten der Windkraftanlage 22 kann die elektrische Energie zunächst den Motor M2 antreiben, um den Zusatz-Wärmespeicher 12 aufzuladen. Anschließend können durch Betrieb des Motors M1 und gleichzeitiger Entladung des Zusatzwärmespeichers 12 der Wärmespeicher 14 und der Kältespeicher 16 aufgeladen werden. Anschließend kann durch den Betrieb des Motors M2 auch der Zusatz-Wärmespeicher 12 wieder aufgeladen werden. Wenn alle Speicher voll aufgeladen sind, kann ein effektiver Entladezyklus zur Gewinnung elektrischer Energie eingeleitet werden (vgl. Figur 2). Sollte die Überkapazität des Windkraftwerks 22 jedoch enden, ohne dass der Zusatz-Wärmespeicher 12 aufgeladen werden konnte, so kann die in diesem zur Verfügung gestellte Energie auch durch eine andere Wärmequelle 41 ersetzt werden, oder es wird nur der Wärmespeicher 14 eingesetzt (vgl. Figur 2).
Gemäß Figur 2 wird die Anlage nun mit einem Entladekreislauf betrieben, der durch eine erste Leitung 40 realisiert ist. Die Leitung 40 stellt einen geschlossenen Kreislauf dar. Wasser wird durch den Zusatzwärmespeicher 12, den Wärmespeicher 14 und optional durch eine weitere Wärmequelle 41, z. B. Fernwärme, über einen Wärmetauscher 42 verdampft und überhitzt und gelangt so über die Leitung 40 (Ventile C und D sind geschlossen) zu einer dritten thermischen Fluidenergie-Maschine 43. Diese ist zweistufig aufgebaut, bestehend aus einer Hochdruckturbine 43a und einer Niederdruckturbine 43b, die nacheinander durchlaufen werden. Die Hochdruckturbine wird mit Dampf eines Druckes p_h versorgt. Für die Versorgung der Niederdruckturbine 43b genügt Dampf mit einem geringeren Druck von p_1. Dieser Druck besteht in der Verbindungsleitung 40 zwischen der Hochdruckturbine 43a und der Niederdruckturbine 43b oder bei bestimmten Betriebszuständen nach Öffnen des Ventils D auch in der Bypassleitung 46. Die dritte Fluidenergie-Maschine 43 treibt über eine weitere Welle 21 einen Generator G an. Dieser erzeugt im Bedarfsfall also Strom, während die thermischen Speicher 12, 14, 16 entladen werden (Rankine-Kreislauf).
Die im Kältespeicher 16 gespeicherte Kälteenergie wird dem durch die ersten Leitung 40 gebildeten Kreislauf nicht direkt sondern über einen ersten Wärmetauscher 51 zur Verfügung gestellt. Der erste Wärmetauscher 51 ist Teil eines Kreislaufes, der durch eine zweite Leitung 52 gebildet wird. Dieser Kreislauf dient selbst zur Energiegewinnung, die über eine vierte Fluidenergie-Maschine 53 im Kreislauf der zweiten Leitung 52 gewonnen werden kann. Die vierte Fluidenergie-Maschine 53 ist über eine Welle 54 mit einem Generator G verbunden. Außerdem treibt die vierte Fluidenergie-Maschine 53 noch eine fünfte Fluidenergie-Maschine 55 an, die als Verdichter zum Einsatz kommt (hierzu im Folgenden noch mehr). Die Kälteenergie aus dem Kältespeicher 16 wird daher in erster Linie zur Energiegewinnung in dem durch die zweite Leitung 52 gebildeten Kreislauf verwendet (beispielsweise durch einen Rankine-Kreislauf mit Ammoniak). Dabei profitiert der durch die erste Leitung 40 gebildete Kreislauf nur indirekt von dieser Kälteenergie. Gleichzeitig profitiert aber der durch die zweite Leitung 52 gebildete Kreislauf von der Wärmeenergie, die über den ersten Wärmetauscher in diesen Prozess eingeleitet wird. Hierdurch ist die Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Anlage zu erklären.
Hinter der vierten Fluidenergie-Maschine kann die Kälteenergie aus dem Kältespeicher 16 über einen durch eine dritte Leitung 56 gebildeten Kreislauf wieder indirekt über einen dritten Wärmetauscher 57 der zweiten Leitung 52 zugeführt werden. Zu diesem Zweck ist der dritte Wärmetauscher 57 in der zweiten Leitung vorgesehen. In der zweiten Leitung folgt in Flussrichtung gesehen danach eine dritte Fluidenergie-Maschine in Form einer Pumpe 58. Außerdem kann Umgebungswärme beispielsweise aus einem Fluss über einen vierten Wärmetauscher 59 in das Arbeitsfluid der zweiten Leitung 52 eingespeist werden, bevor dieses den ersten Wärmetauscher 51 durchläuft.
Wie schon angedeutet, wird die Kälteenergie aus dem Kältespeicher 16 über die dritte Leitung dem dritten Wärmetauscher 57 zugeführt. In diesem durch die dritte Leitung 56 gebildeten Kreislauf ist auch die fünfte Fluidenergie-Maschine vorgesehen, die ein Umwälzen des Arbeitsfluides in der dritten Leitung bewirkt. Der Antrieb erfolgt direkt über die Welle 54 durch die vierte Fluidenergie-Maschine 53. Alternativ könnte dieser durch die dritte Leitung 56 gebildete Kreislauf auch weggelassen werden und statt des dritten Wärmetauschers 57 der Kältespeicher 16 direkt in der zweiten Leitung 52 vorgesehen werden. Dies ist Strichpunktiert angedeutet. In diesem würde die zweite Leitung 52 im Kältespeicher 16 direkt an ein Kanalsystem angeschlossen werden, welches eine Oberflächenvergrößerung im Kältespeicher 16 bewirkt (hierzu im Folgenden mehr).
Durch Betätigen der Ventile C und D kann in bestimmten Betriebszuständen der Wirkungsgrad der Anlage verbessert werden. Das Ventil D liegt in einer ersten Bypassleitung 46, mit der bei Öffnen des Ventils D die Hochdruckturbine 43a umgangen werden kann. Dieser Betriebszustand ist sinnvoll, wenn die Temperatur im Wärmespeicher 14 nicht mehr ausreicht, um den Wasserdampf unter Hochdruckbedingungen zu überhitzen. Letzteres kann durch eine Teilentladung bzw. eine noch nicht vollständige Aufladung des Wärmespeichers 14 begründet sein.
Im äußersten Fall ist der Wärmespeicher 14 vollständig entleert, während der Zusatzwärmespeicher 12 bereits aufgeladen wurde. Dieser Zustand kann beispielsweise entstehen, wenn zusätzliche Energie durch das Windkraftwerk 22 erst seit kurzer Zeit zur Verfügung gestellt werden konnte, nun aber ein Überbedarf an elektrischer Energie gedeckt werden soll. In diesem Fall kann zusätzlich zum Ventil D auch das Ventil C einer zweiten Bypassleitung 47 geschaltet werden. In diesem Fall wird der Wärmespeicher 14 durch die Bypassleitung 47 umgangen, so dass der Zusatzwärmespeicher 12 über die Niederdruckturbine 43b entleert werden kann. Daher steht bereits thermische Energie in der Anlage zur Verfügung, die bei befriedigendem Wirkungsgrad durch den Generator G in elektrische Energie gewandelt werden kann. In diesem Fall ist auch der Kältespeicher 16 noch nicht aufgeladen, da dieser gemeinsam mit dem Wärmespeicher 14 aufgeladen wird. Für diesen Betriebszustand wird über das Ventil F somit ein Kondensator 45 geschaltet.
In Figur 3 ist eine andere Ausführungsform der Anlage in ihrer Gesamtansicht als Blockschaltbild dargestellt. Anders als in den Figuren 1 und 2 ist hierbei eine einheitliche Darstellung gewählt worden. Die durch die zweite Leitung 52 und durch die dritte Leitung 56 gebildete Kreisläufe sind im Wesentlichen analog zur Figur 2 ausgeführt.
Allerdings ist in Figur 3 ein einfacheres System zur Aufladung des Kältespeichers 16 und des Wärmespeichers 14 als in Figur 1 dargestellt. Der Wärmespeicher 14 wird durch einen offenen Kreislauf aufgeladen, der durch die Leitung 60 realisiert ist. In dieser Leitung wird über eine Leitung 60 einem Verdichter 61 Umgebungsluft zugeführt, durchläuft einen Wärmetauscher 32, wo die Luft auf 480°C erwärmt wird und gibt diese Wärme während des Durchlaufens des Wärmespeichers 14 an diesen ab. Der Wärmetauscher 32 wird außerdem durch eine Leitung 63 durchlaufen, die den Kreislauf bildet, mit der der Kältespeicher 16 abgekühlt wird. Nachdem das Arbeitsmedium in der Leitung 63 den Kältespeicher 16 durchlaufen hat, wird diese über einen Verdichter 64 von Umgebungsbedingungen auf 25 bar komprimiert und auf 514°C erhitzt, durchläuft den Wärmetauscher 32 und wird anschließend über eine Turbine 65 wieder auf 1,1 bar entspannt. Dabei sinkt die Temperatur auf -121°C. Anschließend nimmt das Arbeitsmedium im Kältespeicher 16 wieder Wärme auf und kühlt diesen dadurch ab. Der Verdichter 64 und die Turbine 65 sitzen auf einer Welle 66 und können zusätzlich durch einen an dieser Welle 66 angeschlossenen Motor M angetrieben werden.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist der Wärmespeicher 14 nicht direkt in den durch die erste Leitung 40 gebildeten Kreislauf eingebunden. Vielmehr wird ein weiterer Kreislauf durch eine vierte Leitung 67 gebildet, in dem folgende Einheiten bei einem konstanten Druck von ungefähr 1 bar durchlaufen werden. Nach Durchlaufen des Wärmespeichers 14 wird das auf 476°C erhitzte Arbeitsmedium (beispielsweise Luft) einem fünften Wärmetauscher 68 zugeführt. Der Wärmetauscher 68 gibt die Wärme an die erste Leitung 40 ab und kühlt sich auf 91°C ab (hierzu im Folgenden mehr). Anschließend durchläuft die vierte Leitung 67 den ersten Wärmetauscher 51, so dass die Restwärme, die nicht über den fünften Wärmetauscher 68 an die erste Leitung abgegeben wurde, an die zweite Leitung 52 abgegeben werden kann. Das Arbeitsmedium kann im weiteren Verlauf über einen Kondensator 69 weiter abgekühlt werden, wobei der Kondensator 69 ebenfalls ein Wärmetauscher ist, der in der ersten Leitung 40 vorgesehen ist (hierzu im Folgenden mehr). Über eine zehnte Fluidenergie-Maschine 70 in Form einer Art Umwälzpumpe gelangt das Arbeitsmedium dann wieder in den Wärmespeicher 14, wo dieses erneut aufgeheizt wird. Anstelle des in Figur 3 dargestellten geschlossenen Kreislaufes kann die vierte Leitung 67 auch als offener Kreislauf ausgebildet sein, in dem der strichpunktiert eingeteilte Teil der Leitung zwischen dem Kondensator 69 und der zehnten Fluidenergie-Maschine 70 weggelassen wird.
Die erste Leitung 40 bildet einen Kreislauf, mit dem über eine Welle 71 an einem Generator G Strom gewonnen werden kann. Hierzu wird ein Kreislauf mit Wasser betrieben, wobei der fünfte Wärmetauscher 68 als mehrstufiger Abhitze-Dampferzeuger mit einer Hochdruckstufe 68a und einer Niederdruckstufe 68b betrieben wird (Rankine-Kreislauf). Das Wasser wird mit Umgebungstemperatur durch eine Speisepumpe 44a mit 5,5 bar zunächst in die Niederdruckstufe 68b des fünften Wärmetauschers 68 eingespeist. Ein Teil verlässt diese Niederdruckstufe 68b mit 4,1 bar und 145°C, um der Niederdruckstufe 43b der zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine zugeführt werden (als Dampf). Ein anderer Teil wird durch eine zweite Speisepumpe 44b im flüssigen Zustand die Hochdruckstufe 68a des fünften Wärmetauschers 68 eingespeist und verlässt diesen als Dampf mit 80 bar und 459°C, um der Hochdruckstufe 43a der zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine 43 zugeführt zu werden. Sowohl die vierte als auch die zweite thermische Fluidenergie-Maschine treiben eine Welle 71 an, die mit einem Generator G verbunden ist. Nach Entspannung des Dampfes auf 0,03 bar bei 24°C wird dieser über den Kondensator 69 der Speisepumpe 44a wieder zugeführt.
Der Aufbau, des Wärmespeichers 14 und des Kältespeichers 16 und des Zusatz-Wärmespeichers bei der Anlage in den Figuren ist jeweils gleich und wird durch eine Ausschnittsvergrößerung anhand des Kältespeichers 16 in Figur 1 näher dargestellt. Vorgesehen ist ein Behälter, dessen Wand 24 mit einem Isolationsmaterial 25 versehen ist, welches große Poren 26 aufweist. Im Inneren des Behälters ist Beton 27 vorgesehen, der als Wärmespeicher oder Kältespeicher fungiert. Innerhalb des Betons 27 sind Rohre 28 parallel verlaufend verlegt, durch die das Arbeitsgas strömt und dabei Wärme abgibt oder Wärme aufnimmt (je nach Betriebsart und Speicherart).
Die Lade- und Entladekreisläufe der Figuren 1 bis 3 können untereinander auch kombiniert werden, so dass sich hieraus weitere Ausführungsbeispiele ergeben.
1. Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie mit einem Wärmespeicher (14) und einem Kältespeicher (16), wobei der Wärmespeicher (14) die gespeicherte Wärme an eine eine erste Leitung (40) in einen Entladekreislauf für ein Arbeitsmedium abgeben kann und in dem Entladekreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch die erste Leitung (40) miteinander verbunden sind:
• eine als Arbeitsmaschine geschaltete erste thermische Fluidenergie-Maschine, insbesondere eine Pumpe (44)
• die genannte Abgabestelle für Wärme aus dem Wärmespeicher (14) und
• eine als Kraftmaschine geschaltete zweite thermische Fluidenergie-Maschine (43), insbesondere eine Dampfturbine
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kältespeicher (16) die gespeicherte Kälte an eine zweite Leitung (52) abgeben kann, wobei die zweite Leitung (52) einen geschlossenen Kreislauf bildet, in der folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch die zweite Leitung (52) miteinander verbunden sind:
• hinter der genannten Abgabestelle für die in dem Kältespeicher (16) gespeicherte Kälte eine als Arbeitsmaschine geschaltete dritte thermische Fluidenergie-Maschine, insbesondere eine Pumpe (58)
• eine Wärmequelle und
• eine als Kraftmaschine geschaltete vierte thermische Fluidenergie-Maschine (53), insbesondere eine Dampfturbine.
2. Anlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmequelle aus einem ersten Wärmetauscher (51) besteht, der der ersten Leitung (40) Wärme entziehen kann und zwischen der dritten Fluidenergie-Maschine (58) und der vierten Fluidenergie-Maschine (53) angeordnet ist.
3. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Abgabestelle für den Wärmespeicher (14) durch einen fünften Wärmetauscher (68) gebildet ist, der der ersten Leitung (40) Wärme zuführen kann und der in einen durch eine vierte Leitung (67) gebildeten Kreislauf geschaltet ist, wobei in diesem Kreislauf folgende Einheiten miteinander verbunden sind:
• der fünfte Wärmetauscher (68),
• eine als Arbeitsmaschine geschaltete zehnte thermische Fluidenergie-Maschine (70) und
• der Wärmespeicher (14).
4. Anlage nach Anspruch 3
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmequelle aus einem zweiten Wärmetauscher (51) besteht, der der vierten Leitung (67) Wärme entziehen kann und bezogen auf die Flussrichtung in der vierten Leitung (67) hinter dem fünften Wärmtauscher (68) liegt.
5. Anlage nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der fünfte Wärmetauscher durch einen Abhitze-Dampferzeuger gebildet ist.
6. Anlage nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der fünfte Wärmetauscher und die zweite thermische Fluidenergie-Maschine (43) mehrere Druckstufen aufweisen.
7. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Abgabestelle für die in dem Kältespeicher (16) gespeicherte Kälte aus einem dritten Wärmetauscher (57) besteht, der an die zweite Leitung (52) Wärme abgeben kann und in einen durch eine dritte Leitung (56) gebildeten Kühlkreislauf eingebunden ist, wobei im Kühlkreislauf folgende Einheiten miteinander verbunden sind:
• der dritte Wärmetauscher (57)
• eine als Arbeitsmaschine geschaltete fünfte thermische Fluidenergie-Maschine (55) und
• der Kältespeicher (16).
8. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Leitung (52) mit Ammoniak befüllt ist.
9. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass in der zweiten Leitung (52) zwischen der dritten thermischen Fluidenergie-Maschine und dem ersten Wärmetauscher (51) ein vierter Wärmetauscher (59) vorgesehen ist, der einen Wärmeeintrag aus der Umgebung der Anlage in die zweite Leitung (52) ermöglicht.
10. Verfahren zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie über einen Wärmespeicher (14) und einen Kältespeicher (16), wobei während des Entladezyklusses der Wärmespeicher (14) die gespeicherte Wärme an eine eine erste Leitung (40) in einen Entladekreislauf für ein Arbeitsmedium abgibt und in dem Entladekreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge über eine erste Leitung (40) durchlaufen werden:
• eine als Arbeitsmaschine geschaltete erste thermische Fluidenergie-Maschine, insbesondere eine Pumpe (44)
• die Abgabestelle für Wärme aus dem Wärmespeicher (14) und
• eine als Kraftmaschine geschaltete zweite thermische Fluidenergie-Maschine (43), insbesondere eine Dampfturbine,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kältespeicher (16) die gespeicherte Kälte an eine zweite Leitung (52) abgibt, wobei die zweite Leitung (52) einen geschlossenen Kreislauf bildet, in der folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge über die zweite Leitung (52) durchlaufen werden:
• hinter der genannten Abgabestelle für die in dem Kältespeicher (16) gespeicherte Kälte eine als Arbeitsmaschine geschaltete dritte thermische Fluidenergie-Maschine, insbesondere eine Pumpe (58)
• eine Wärmequelle und
• eine als Kraftmaschine geschaltete vierte thermische Fluidenergie-Maschine (53), insbesondere eine Dampfturbine.
2012P03890EP
EP
12164473.6
Siemens Aktiengesellschaft
3
MN
20130301
F01K
JP
61149507
A
HISAKA WORKS LTD
19860708
X
1-10
* Zusammenfassung; Abbildungen *
JP
61171808
A
TOSHIBA CORP
19860802
X
1-10
* Zusammenfassung; Abbildungen *
FR
2215835
A6
BABCOCK ATLANTIQUE SA [FR]
19740823
X
1-10
* Seite 2, Zeile 11 - Seite 3, Zeile 16; Ansprüche 1,2; Abbildung *
JP
58214606
A
MITSUI SHIPBUILDING ENG
19831213
X
1-10
* Zusammenfassung; Abbildung *
JP
61237804
A
KAWASAKI HEAVY IND LTD
19861023
X
1-10
* Zusammenfassung; Abbildungen *
US
3218802
A
SAWLE DAVID R
19651123
A
1-10
* Spalte 2, Zeile 52 - Spalte 8, Zeile 25; Ansprüche; Abbildungen; Tabellen *
Zerf, Georges
Munich
20130221
JP
61149507
A
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JP
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FR
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JP
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US
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19651123
KEINE

IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente
- WO
2009044139
A2
[0004]
- US
5436508
A
[0004]