CH714366A1 - Method and device for the thermal storage of electrical energy. - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Vorrichtung und das dazugehörende Verfahren dienen zum Speichern von thermischer Energie in einem Schichtspeicher. Der Schichtspeicher ist zumindest teilweise mit einem thermischen Speicherfluid gefüllt. Dabei kann: a) in einem ersten Auflademodus einem im oberen Bereich des Schichtspeichers befindlichen Speicherfluid mittels einer Wärmepumpe thermische Energie zugeführt werden; b) in einem zweiten Auflademodus einem im unteren Bereich des Schichtspeichers befindlichen Speicherfluid thermische Energie entnommen und über die Wärmepumpe dem Speicherfluid im oberen Bereich des Schichtspeichers zugeführt werden; c) in einem Entlademodus dem Speicherfluid Brauchwärme entnommen werden.The present apparatus and associated method serve to store thermal energy in a stratified storage. The layer memory is at least partially filled with a thermal storage fluid. In this case, it is possible: a) to supply thermal energy to a storage fluid located in the upper region of the stratified storage tank by means of a heat pump in a first charging mode; b) in a second charging mode, thermal energy is taken from a storage fluid located in the lower region of the stratified storage and supplied via the heat pump to the storage fluid in the upper region of the stratified storage; c) are removed in a discharge mode the storage fluid service heat.
Description
Beschreibungdescription
TECHNISCHES GEBIET [0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Speicherung von Energie, insbesondere von überschüssiger elektrischer Energie aus erneuerbaren, regenerativen und/oder alternativen Energiequellen. Sie betrifft eine Speichervorrichtung zum Speichern eines Speicherfluids sowie ein Verfahren zum Speichern und Wiedergewinnen von Energie durch Erwärmen und Abkühlen des Speichermediums.TECHNICAL FIELD The invention relates to the field of thermal storage of energy, in particular excess electrical energy from renewable, regenerative and / or alternative energy sources. It relates to a storage device for storing a storage fluid and a method for storing and recovering energy by heating and cooling the storage medium.
TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND [0002] Erneuerbare, regenerative und/oder alternative Energiequellen, nachfolgend zusammengefasst als erneuerbare Energiequellen bezeichnet, erfreuen sich zur Gewinnung insbesondere von elektrischer Energie weiterhin einer stetig wachsenden Beliebtheit und Verbreitung. Insbesondere photovoltaische Installationen und Anlagen zur Versorgung von Ein- oder Mehrfamilienhäusern oder kleineren bis mittleren Industrie-, Landwirtschafts- oder Infrastrukturgebäuden und -einrichtungen gewinnen zusehends an Bedeutung, und werden zur dezentralen Erzeugung von und Versorgung mit Elektrizität im Allgemeinen direkt auf, an oder in der Nähe der Gebäude oder Einrichtungen vorgesehen. Vor dem Hintergrund fortschreitender Entwicklungen in Bereichen wie beispielsweise Wind- oder Wasserkraft ist davon auszugehen, dass zukünftig auch vermehrt die entsprechenden Energiequellen, d.h. Wind und Wasser, zur dezentralen Elektrizitätserzeugung und/oder -Versorgung genutzt werden.TECHNOLOGICAL BACKGROUND Renewable, regenerative and / or alternative energy sources, hereinafter referred to collectively as renewable energy sources, continue to enjoy a steadily growing popularity and spread for the generation of electrical energy in particular. In particular, photovoltaic installations and systems for the supply of single or multi-family houses or small to medium-sized industrial, agricultural or infrastructure buildings and facilities are becoming increasingly important and are generally used directly on, at or in the area for the decentralized generation and supply of electricity Provided near the building or facilities. Against the background of progressive developments in areas such as wind or hydropower, it can be assumed that the corresponding energy sources, i.e. Wind and water can be used for decentralized electricity generation and / or supply.
[0003] Eine Problematik bei der Nutzung erneuerbarer Energiequellen ergibt sich aus einer in der Regel auf verschiedenen Zeitskalen stark schwankenden Verfügbarkeit von Energie bzw. Leistung. Während Schwankungen im saisonalen oder jährlichen sowie täglichen und/oder nächtlichen Verlauf generell weitgehend vorhersehbar sind, insbesondere bei Photovoltaik oder Windkraft, können diese insbesondere bei den letztgenannten beiden Technologien von starken kurzfristigen, in der Regel wetterbedingten, Schwankungen mit Zeitdauern bis hinunter in den Sekundenbereich überlagert sein. Dazu können noch kurzfristigere Schwankungen kommen, die sich insbesondere aus technischen Eigenschaften und/oder Vorkehrungen im Bereich der Stromerzeugung ergeben, beispielsweise Sicherheitsabschaltungen von Windturbinen bei zu grossen Windstärken.A problem with the use of renewable energy sources arises from a generally fluctuating availability of energy or power on different time scales. While fluctuations in the seasonal or annual as well as daily and / or nightly course are generally largely predictable, especially in the case of photovoltaics or wind power, these can be overlaid by strong short-term, usually weather-related fluctuations with periods of time down to the second range, particularly in the latter two technologies his. In addition, there may be short-term fluctuations, which result in particular from technical properties and / or precautions in the area of power generation, for example safety shutdowns of wind turbines when the wind strength is too high.
[0004] Unter anderem aus den genannten Gründen können erneuerbare Energiequellen nur mit Einschränkungen als sogenannte Insellösungen dezentral zur elektrischen Energieversorgung von Verbrauchern eingesetzt werden. In der Regel wird deshalb zusätzlich eine Anbindung an ein elektrisches Energieversorgungsnetz, insbesondere ein Landesnetz oder ein Elektrizitätsnetz eines städtischen oder regionalen Stromanbieters, vorgesehen, um Verbraucher ergänzend oder abwechselnd zur Energie aus erneuerbaren Energiequellen mit Elektrizität versorgen zu können. Diese Anbindung erlaubt es auch, an einem Ort der Erzeugung lokal nicht instantan benötigte elektrische Energie, wie sie insbesondere während Produktionsspitzen anfällt, sinnvoll nutzen zu können, indem diese ins Elektrizitätsnetz eingespeist wird, wo sie entweder an einem anderen, u.U. weit entfernten Ort wieder bezogen werden kann, oder grosstechnisch, z.B. in Pumpkraftwerken, zwischengespeichert werden kann.Among other things, for the reasons mentioned, renewable energy sources can only be used decentrally as so-called isolated solutions for consumers' electrical energy supply with restrictions. As a rule, an additional connection to an electrical energy supply network, in particular a state network or an electricity network of an urban or regional electricity provider, is therefore provided in order to be able to supply consumers with electricity in addition to or alternating with energy from renewable energy sources. This connection also makes it possible to make sensible use of electrical energy that is not instantaneously required locally at a point of generation, such as occurs particularly during production peaks, by feeding it into the electricity network, where it can either be at another, possibly distant place can be relocated again, or on an industrial scale, e.g. in pumping power plants, can be temporarily stored.
[0005] Um erneuerbare Energiequellen bzw. die mittels solcher erzeugte elektrische Energie noch optimaler nutzen zu können, wäre es erstrebenswert, die erzeugte Energie dezentral, vorzugsweise lokal am Ort der Erzeugung, effizient über möglichst lange Zeiträume speichern zu können. Hierfür bietet sich insbesondere eine Speicherung in Form von thermischer Energie bzw. Wärme, insbesondere sensibler Wärme, an, welche sich auch im Kleinen technisch relativ einfach, verlässlich und kostengünstig realisieren lässt. Bei bekannten Lösungen wird in der Regel ein Speicherfluid, insbesondere eine Flüssigkeit wie vorzugsweise Wasser, unter Verbrauch von elektrischer Energie erwärmt, ggf. auch verdampft. Da eine effiziente und alltagstaugliche Rückgewinnung von elektrischer Energie aus Wärme insbesondere in kleinem Massstab zumindest nicht problemlos zu bewerkstelligen ist, wird die Wärme in der Regel zu einem späteren Zeitpunkt als solche, d.h. als Brauchwärme, genutzt. Die Nutzung der Wärme als solche umfasst insbesondere die Nutzung zu Heizzwecken, wobei im Folgenden insbesondere eine Beheizung beispielsweise von Gebäuden, Räumen etc., aber auch eine Nutzung als Prozesswärme oder zur Erzeugung von Heisswasser verstanden wird. In der Regel sind dabei jeweils ein oder mehrere Wärmeübertrager beteiligt.In order to be able to use renewable energy sources or the electrical energy generated by such in an optimal way, it would be desirable to be able to store the generated energy decentrally, preferably locally at the place of generation, efficiently for as long as possible. Storage in the form of thermal energy or heat, in particular sensible heat, is particularly suitable for this, which can also be implemented in a technically relatively simple, reliable and cost-effective manner even in small scale. In the case of known solutions, a storage fluid, in particular a liquid such as preferably water, is generally heated, possibly also evaporated, using electrical energy. Since an efficient and everyday recovery of electrical energy from heat, especially on a small scale, is at least not easy to achieve, the heat is generally released as such at a later point in time, i.e. used as domestic heat. The use of heat as such includes, in particular, the use for heating purposes, with heating, for example of buildings, rooms, etc., but also use as process heat or for producing hot water. Usually one or more heat exchangers are involved.
[0006] Eine Speicherung des erwärmten Speicherfluids erfolgt im oben genannten Zusammenhang häufig in sogenannten Schichtspeichern. Diese sind in der Regel aus Metall, insbesondere Stahl gefertigt, mit einer Dämmung versehen und zur Aufstellung in einem Innenbereich von Gebäuden etc. ausgelegt. Derartige herkömmliche Schichtspeichern weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf:[0006] The heated storage fluid is often stored in so-called stratified storage tanks in the context mentioned above. These are usually made of metal, in particular steel, provided with insulation and designed for installation in an interior of buildings etc. However, such conventional stratified tanks have a number of disadvantages:
[0007] Zum einen ist ein Speichervolumen herkömmlicher Schichtspeicher in der Regel zumindest annähernd zylindrisch oder prismenförmig, um eine möglichst ausgeprägte Schichtung des Speicherfluids über einen möglichst grossen Temperaturbereich zu ermöglichen. Eine solche Geometrie führt aber zu einem nicht optimalen Verhältnis zwischen einer Oberfläche und einem Volumen des Speichervolumens, woraus wiederum hohe Wärmeverluste aufgrund von Wärmeleitung durch die Oberfläche hindurch resultieren können.On the one hand, a storage volume of conventional stratified storage tanks is generally at least approximately cylindrical or prism-shaped, in order to enable the storage stratification of the storage fluid to be as pronounced as possible over the largest possible temperature range. However, such a geometry leads to a non-optimal relationship between a surface and a volume of the storage volume, which in turn can result in high heat losses due to heat conduction through the surface.
[0008] Zum anderen hängt ein Temperaturverlauf T(h) des Speicherfluids, d.h. eine Funktion, welche eine Temperatur T des Speicherfluids in Abhängigkeit von einer Höhe h bzw. Tiefe t im Speichervolumen beschreibt, stark davon ab, wieviel Wärme oder thermische Energie gerade in dem im Speichervolumen befindlichen Speicherfluid gespeichert ist. DabeiOn the other hand, a temperature curve T (h) of the storage fluid depends, i.e. a function, which describes a temperature T of the storage fluid as a function of a height h or depth t in the storage volume, strongly depends on how much heat or thermal energy is currently stored in the storage fluid in the storage volume. Here
CH 714 366 A1 unterliegen insbesondere auch eine maximale und/oder minimale Temperatur des Speicherfluids einer starken Abhängigkeit von der aktuell gespeicherten Menge an Wärme oder thermischer Energie. Soll nun Speicherfluid, welches auf einer bestimmten Höhe hbest im Speichervolumen entnommen wird, für Heizzwecke verwendet werden, können sich Probleme ergeben, wenn heizungsseitig eine vorgegebene Eingangstemperatur erwartet wird, oder eine zulässige Bandbreite für die Eingangstemperatur kleiner ist als ein Schwankungsbereich einer Temperatur T(hbest) des Speicherfluids auf der bestimmten Höhe hbest- Dies gilt insbesondere für Heizungen älteren Baujahres, insbesondere Fussbodenheizungen. Unter anderem führt dies dazu, dass eine Nachrüstung bestehender Heizungsanlagen mit Schichtspeichern, welche mittels elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen aufgeladen werden, bisher nicht ohne weiteres möglich war.CH 714 366 A1 is also subject in particular to a maximum and / or minimum temperature of the storage fluid which is strongly dependent on the currently stored amount of heat or thermal energy. If storage fluid, which is drawn at a certain height h best in the storage volume, is now to be used for heating purposes, problems can arise if a predetermined input temperature is expected on the heating side, or if an allowable range for the input temperature is smaller than a fluctuation range of a temperature T. (h bes t) of the storage fluid at the predetermined height h be st- This is particularly true for older construction heaters, in particular floor heating systems. Among other things, this means that retrofitting existing heating systems with stratified storage tanks, which are charged by means of electrical energy from renewable energy sources, has not previously been easily possible.
[0009] Nachteilig ist ferner ein interner Wärmeaustausch im Schichtspeicher, welcher unter anderem über Behälterwände, welche das Speichervolumen begrenzen, sowie über diverse Zu- und Rückleitungen, die in der Regel in das Speichervolumen geführt sind, erfolgen kann. Dieser Wärmeaustausch führt im Laufe der Zeit (sofern keine Wärme zugeführt wird) zu einer Absenkung einer maximalen Temperatur des Speicherfluids, welche wiederum eine eingeschränkte Verwendbarkeit zu Heizzwecken nach sich ziehen kann.Another disadvantage is an internal heat exchange in the stratified storage tank, which can be carried out, inter alia, via container walls which limit the storage volume, and via various supply and return lines, which are generally guided into the storage volume. This heat exchange leads in the course of time (provided that no heat is supplied) to a lowering of a maximum temperature of the storage fluid, which in turn can lead to a limited usability for heating purposes.
[0010] Ein grundlegendes Problem bei der Nutzung der gespeicherten Wärme als solcher besteht ferner darin, dass diese unterhalb einer bestimmten Temperatur des Speicherfluids meist nicht mehr sinnvoll genutzt werden kann, insbesondere für Heizzwecke, welche in der Regel eine Mindesttemperatur des Speicherfluids im Bereich zwischen zumindest annähernd 40 °C bis 50 °C erfordern. Dies führt dazu, dass eine im Vergleich zu einer maximal entnehmbaren Menge an Wärme grosse Menge an gebundener Wärme gespeichert werden muss, welche nicht entnehmbar ist. Diese gebundene Wärme unterliegt jedoch Verlusten, insbesondere durch Wärmeabgabe an eine Umgebung des Speichervolumens, welche kompensiertwerden müssen um eine dauerhafte Nutzbarkeit der gespeicherten Wärme zu Heizzwecken zu gewährleisten.A fundamental problem with the use of the stored heat as such is further that it can usually no longer be used sensibly below a certain temperature of the storage fluid, in particular for heating purposes, which generally has a minimum temperature of the storage fluid in the range between at least require approximately 40 ° C to 50 ° C. This means that, compared to a maximum amount of heat that can be removed, a large amount of bound heat that cannot be removed must be stored. However, this bound heat is subject to losses, in particular due to heat being given off to an environment of the storage volume, which must be compensated for in order to ensure that the stored heat can be used permanently for heating purposes.
[0011] Es ist deswegen Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Speicherung von elektrischer Energie anzugeben, mittels welchem die vorstehend beschriebenen Nachteile vermieden werden können.It is therefore an object of the invention to provide a method and an apparatus for the thermal storage of electrical energy, by means of which the disadvantages described above can be avoided.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG [0012] Diese und weitere Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Speichern und Wiedergewinnen von Energie sowie eine Speichervorrichtung zum Speichern eines thermischen Speichermediums mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.DESCRIPTION OF THE INVENTION These and other objects are achieved by a method for storing and recovering energy and a storage device for storing a thermal storage medium with the features of the independent claims. Further advantageous refinements of the invention are specified in the dependent patent claims.
[0013] Bei einer ersten Variante eines erfindungsgemässen Verfahrens zum Speichern von Energie, insbesondere elektrischer Energie, in einem Schichtspeicher mit einem zumindest teilweise mit einem thermischen Speicherfluid, vorzugsweise Wasser, gefüllten Speichervolumen, wirdIn a first variant of a method according to the invention for storing energy, in particular electrical energy, in a stratified storage tank having a storage volume which is at least partially filled with a thermal storage fluid, preferably water
a) in einem ersten Auflademodus in einem oberen Bereich des Schichtspeichers befindlichen Speicherfluid mittels einer Wärmepumpe thermische Energie zugeführt;a) thermal fluid supplied in a first charging mode in an upper region of the stratified storage tank by means of a heat pump;
b) in einem zweiten Auflademodus in einem unteren Bereich des Schichtspeichers befindlichen Speicherfluid thermische Energie entnommen und über die Wärmepumpe dem Speicherfluid im oberen Bereich des Schichtspeichers zugeführt;b) in a second charging mode, thermal fluid located in a lower region of the stratified storage tank is removed and supplied to the storage fluid in the upper region of the stratified storage tank via the heat pump;
c) in einem Entlademodus dem Speicherfluid Brauchwärme entnommen.c) in a discharge mode, the storage fluid is removed from the process heat.
[0014] Bei einer zweiten Variante eines erfindungsgemässen Verfahrens zum Speichern von elektrischer Energie in einem Schichtspeicher, welcher Schichtspeicher ein zumindest teilweise mit einem Speicherfluid gefülltes Speichervolumen aufweist, in welchemIn a second variant of a method according to the invention for storing electrical energy in a stratified storage tank, which stratified storage tank has an at least partially filled storage volume with a storage fluid, in which
b) ein erster Wärmeübertrager in einem oberen Bereich des Speichervolumens vorgesehen ist undb) a first heat exchanger is provided in an upper region of the storage volume and
c) ein zweiter Wärmeübertrager in einem unteren Bereich des Speichervolumens vorgesehen ist; wirdc) a second heat exchanger is provided in a lower region of the storage volume; becomes
d) in einem ersten Auflademodus ein mittels einer Wärmepumpe erwärmtes erstes Transferfluid durch den ersten Wärmeübertrager geleitet; um dem Speicherfluid thermische Energie zuzuführen;d) in a first charging mode, a first transfer fluid heated by means of a heat pump is passed through the first heat exchanger; to supply thermal energy to the storage fluid;
e) in einem zweiten Auflademodus zweites Transferfluid durch den zweiten Wärmeübertrager geleitet, wobei dem Speicherfluid im unteren Bereich des Speichervolumens Wärme entnommen wird, welche dem ersten Transferfluid über die Wärmepumpe zugeführt wird;e) in a second charging mode, second transfer fluid is passed through the second heat exchanger, heat being withdrawn from the storage fluid in the lower region of the storage volume and being supplied to the first transfer fluid via the heat pump;
f) in einem Entlademodus dem Speicherfluid Brauchwärme entnommen.f) removed the heating fluid from the storage fluid in an unloading mode.
[0015] Bei der Wärmepumpe, welche zumindest teilweise mit der zu speichernden elektrischen Energie, vorzugsweise einer überschüssigen elektrischen Energie, betrieben wird, kann es sich insbesondere um eine (Aussen-)LuftwärmepumThe heat pump, which is operated at least partially with the electrical energy to be stored, preferably an excess electrical energy, can in particular be an (outside) air heat pump
CH 714 366 A1 pe handeln, insbesondere um eine Luft-Wasser-Wärmepumpe. Als kaltes Reservoir für die Luftwärmepumpe kommt insbesondere Umgebungsluft, d.h. Luft aus einer Umgebung der Luftwärmepumpe und/oder des Schichtspeichers in Frage. [0016] Das erfindungsgemässe Verfahren umfasst somit mindestens zwei Auflademodi, die dazu dienen, dem Speicherfluid, insbesondere einer Speicherflüssigkeit wie beispielsweise Wasser, unter Verbrauch elektrischer Energie, die vorzugsweise aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen wurde, thermische Energie zuzuführen.CH 714 366 A1 pe, in particular an air-water heat pump. The cold reservoir for the air source heat pump comes in particular from ambient air, i.e. Air from an environment of the air heat pump and / or the stratified tank in question. The inventive method thus comprises at least two charging modes that serve to supply thermal energy to the storage fluid, in particular a storage liquid such as water, using electrical energy, which was preferably obtained from renewable energy sources.
[0017] Die Zuführung thermischer Energie an das Speicherfluid im ersten Auflademodus erfolgt dabei über ein erstes Transferfluid, welches mittels der Wärmepumpe erwärmt wird, und welches, vorzugsweise in einem oberen Bereich des Speichervolumens, Wärme an das Speicherfluid abgibt. Beim ersten Transferfluid kann es sich dabei um ein Arbeitsfluid - häufig auch als Kältemittel bezeichnet-der Wärmepumpe handeln, welches im ersten Auflademodus durch den ersten Wärmeübertrager geleitet wird, und dabei Speicherfluid in einem oberen Bereich des Speichervolumens thermische Energie zuführt. Dabei kann als Wärmepumpe insbesondere eine Direktwärmepumpe oder Direktkondensationswärmepumpe vorgesehen sein, wobei dem Speicherfluid Wärme mittels sogenannter Direktkondensation zugeführt werden kann. In letzteren Fall findet im ersten Wärmeübertrager eine Kondensation von Arbeitsfluid statt, welches zuvor unter Aufnahme von Wärme aus dem kalten Reservoir verdampft wurde.The supply of thermal energy to the storage fluid in the first charging mode takes place via a first transfer fluid, which is heated by means of the heat pump and which, preferably in an upper region of the storage volume, emits heat to the storage fluid. The first transfer fluid can be a working fluid - often also referred to as a refrigerant - of the heat pump, which is passed through the first heat exchanger in the first charging mode and thereby supplies storage fluid in an upper region of the storage volume with thermal energy. A direct heat pump or direct condensation heat pump can in particular be provided as the heat pump, it being possible for heat to be supplied to the storage fluid by means of so-called direct condensation. In the latter case, condensation of working fluid takes place in the first heat exchanger, which was previously evaporated while absorbing heat from the cold reservoir.
[0018] Es kann aber auch zusätzlich zum Arbeitsfluid der Wärmepumpe ein separates erstes Transferfluid vorgesehen sein, wobei Wärme vom Arbeitsfluid in einem zusätzlichen Wärmeübertrager, der vorzugsweise als integrierter Bestandteil der Wärmepumpe ausgebildet sein kann, an das erste Transferfluid übertragen wird.But it can also be provided in addition to the working fluid of the heat pump, a separate first transfer fluid, heat from the working fluid in an additional heat exchanger, which can preferably be formed as an integral part of the heat pump, is transferred to the first transfer fluid.
[0019] Aufgrund der Zuführung von Wärme stellt sich im Speicherfluid in der Regel, allenfalls nach einer Relaxationszeit, eine Temperaturschichtung ein, wobei Speicherfluid mit einer temperaturabhängig grösseren Dichte sich weiter unten einfindet als Speicherfluid mit einer temperaturabhängig relativ kleineren Dichte.Due to the supply of heat, there is usually a temperature stratification in the storage fluid, at most after a relaxation time, storage fluid with a temperature-dependent higher density being found below than storage fluid with a temperature-dependent relatively lower density.
[0020] Der erste und/oder zweite Wärmeübertrager sind dabei vorzugsweise als indirekte Wärmeübertrager oder Rekuperatoren ausgeführt, und können als Kreuzstrom-Wärmeübertrager ausgeführt sein. Dass der erste Wärmeübertrager in einem oberen Bereich des Speichervolumens und der zweite Wärmeübertrager in einem unteren Bereich des Speichervolumens vorgesehen ist, ist dahingehend zu verstehen, dass eine Höhe hTrenn im Speichervolumen bzw. eine Tiefe tTrenn im Speicherfluid angegeben werden kann, wobei der erste Wärmeübertrager so ausgestaltet ist, dass über ihn ein Wärmeaustausch mit Speicherfluid erfolgen kann, dass sich oberhalb der Höhe hTrenn bzw. der Tiefe tTrenn befindet, der zweite Wärmeübertrager hingegen so ausgestaltet ist, dass über ihn ein Wärmeaustausch mit Speicherfluid erfolgen kann, dass sich unterhalb der Höhe hTrenn bzw. der Tiefe tTrenn befindet. Vorzugsweise ist der erste Wärmeübertrager so ausgestaltet, dass über ihn ein Wärmeaustausch ausschliesslich mit Speicherfluid erfolgen kann, dass sich oberhalb der Höhe hTrenn bzw. der Tiefe tTrenn befindet, und/oder der zweite Wärmeübertrager hingegen so ausgestaltet, dass über ihn ein Wärmeaustausch ausschliesslich mit Speicherfluid erfolgen kann, dass sich unterhalb der Höhe hTrenn bzw. der Tiefe tTrenn befindet.The first and / or second heat exchanger are preferably designed as indirect heat exchangers or recuperators, and can be designed as cross-flow heat exchangers. Provided that the first heat exchanger in an upper portion of the storage volume and the second heat exchanger in a lower portion of the storage volume is to be understood that a height h Tr hen in the storage volume or a depth t Tre nn be specified in the storage fluid may, in which the first heat exchanger is designed such that it can be used for heat exchange with storage fluid that is above the height h separation or the depth t separation , while the second heat exchanger is designed such that it can be used for heat exchange with storage fluid, that hen below the height h Tr or the depth t nn is Tre. Preferably, the first heat exchanger is configured such that over it a heat exchange only can take place with storage fluid that above the height h hen Tr or the depth t Tre nn is located and / or the second heat exchanger, however, configured so that through it a Heat exchange can only take place with storage fluid that is below the height h separation or the depth t separation .
[0021] Vorzugsweise wird dem ersten Wärmeübertrager das erste Transferfluid im ersten und zweiten Auflademodus derart zugeführt, das es den ersten Wärmeübertrager zumindest im Wesentlichen von oben nach unten durchströmt, so dass erste Transferfluid Wärme zuerst mit Speicherfluid in geringerer Tiefe austauscht, und erst danach mit Speicherfluid in grösserer Tiefe.Preferably, the first heat transfer fluid is supplied to the first heat exchanger in the first and second charging modes in such a way that it flows through the first heat exchanger at least substantially from top to bottom, so that the first heat transfer fluid first exchanges heat with storage fluid at a lower depth, and only then with Storage fluid in greater depth.
[0022] Hingegen wird dem zweiten Wärmeübertrager das zweite Transferfluid im zweiten Auflademodus vorzugsweise derart zugeführt, das es den zweiten Wärmeübertrager zumindest im Wesentlichen von unten nach oben durchströmt.On the other hand, the second transfer fluid in the second charging mode is preferably supplied to the second heat exchanger in such a way that it flows through the second heat exchanger at least substantially from the bottom up.
[0023] Der erste Auflademodus stellt dabei gewissermassen einen normalen Auflademodus dar, der insbesondere dann zum Einsatz kommen kann, wenn eine Temperatur eines kalten Reservoirs für die Wärmepumpe über einem, möglicherweise variabel, vorgegebenen Grenzwert TGrenz liegt. Der vorgegebene Grenzwert tGrenz kann insbesondere in Bereich zwischen -5 °C und 20 °C liegen, vorzugsweise zwischen zumindest annähernd 0 °C und zumindest annähernd 5 °C, zwischen zumindest annähernd 5 °C und zumindest annähernd 10 °C, oder zwischen zumindest annähernd 10 °C und zumindest annähernd 15 °C.[0023] The first charging mode is thereby to a certain extent a normal charging mode is that can be used especially when a temperature, possibly variable, predetermined threshold value T threshold z is a cold reservoir for the heat pump via a. The predetermined limit value t z Gren may, in particular in the range between -5 ° C and 20 ° C, preferably between at least approximately 0 ° C and at least approximately 5 ° C between at least approximately 5 ° C and at least approximately 10 ° C, or between at least approximately 10 ° C and at least approximately 15 ° C.
[0024] Der Grenzwert kann zusätzlich oder alternativ auch so gewählt werden, dass er geringfügig kleiner ist als eine minimale Temperatur Tmin des Speicherfluids im Speichervolumen, d.h. TGrenz < Tmin mit TGrenz ~ Tmin.The limit value can additionally or alternatively also be chosen such that it is slightly less than a minimum temperature T min of the storage fluid in the storage volume, ie T limits z <T min with T limits z ~ T min .
[0025] Liegt die Temperatur des kalten Reservoirs für die Wärmepumpe unter dem vorgegebenen Grenzwert, kann die Wärmepumpe nur noch mit eingeschränkter Effizienz, insbesondere mit reduziertem Wirkungsgrad, betrieben werden. Im zweiten Auflademodus wird dem Speicherfluid im unteren Bereich des Speichervolumens deshalb Wärme entnommen, welche über die Wärmepumpe dem ersten Transferfluid zugeführt und somit Speicherfluid in einem oberen Bereich des Speichervolumens zugeführt wird. Dabei wird vorzugsweise ein zweites Transferfluid durch den zweiten Wärmeübertrager geleitet, wobei Wärme vom Speicherfluid im unteren Bereich des Speichervolumens auf das zweite Transferfluid übertragen wird, von wo sie mittels der Wärmepumpe dem ersten Transferfluid zugeführt wird.If the temperature of the cold reservoir for the heat pump is below the predetermined limit value, the heat pump can only be operated with limited efficiency, in particular with reduced efficiency. In the second charging mode, heat is therefore removed from the storage fluid in the lower region of the storage volume, which heat is supplied to the first transfer fluid via the heat pump and thus storage fluid is supplied in an upper region of the storage volume. In this case, a second transfer fluid is preferably passed through the second heat exchanger, heat being transferred from the storage fluid in the lower region of the storage volume to the second transfer fluid, from where it is supplied to the first transfer fluid by means of the heat pump.
[0026] Der Grenzwert für die Temperatur kann dabei vorzugsweise basierend auf einem temperaturabhängigen Wirkungsgrad der Wärmepumpe gewählt werden, beispielsweise bei einer Temperatur, unterhalb welcher der temperaturabhängige Wirkungsgrad kleiner ist als 10%, 20%, 30%, 40%, oder 50% eine maximalen Wirkungsgrades oder eines Wirkungsgrades bei Standardbedingungen.The limit value for the temperature can preferably be selected based on a temperature-dependent efficiency of the heat pump, for example at a temperature below which the temperature-dependent efficiency is less than 10%, 20%, 30%, 40%, or 50% maximum efficiency or an efficiency under standard conditions.
CH 714 366 A1 [0027] Im Entlademodus wird dem Speicherfluid Brauchwärme entnommen, insbesondere zu Heizzwecken, wobei im Folgenden insbesondere die Beheizung beispielsweise von Gebäuden, Räumen etc., aber auch eine Nutzung als Prozesswärme oder zur Erzeugung von Heisswasser verstanden wird. Zur Entnahme von Brauchwärme kann Speicherfluid nach ausserhalb des Speichervolumens, insbesondere ausserhalb des Schichtspeichers verbracht werden, beispielsweise über Rohrleitungen. Alternativ kann auch ein Entnahme-Wärmeübertrager im Speichervolumen zur Wärmeübertragung an ein Entnahme-Transferfluid vorgesehen sein.CH 714 366 A1 In the discharge mode, useful heat is removed from the storage fluid, in particular for heating purposes, the heating, for example, of buildings, rooms, etc., but also use as process heat or for producing hot water, to be understood below. Storage fluid can be taken outside the storage volume, in particular outside the stratified storage tank, for example via pipelines, in order to extract the heat. Alternatively, a removal heat exchanger can also be provided in the storage volume for heat transfer to a removal transfer fluid.
[0028] Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt eine effiziente Speicherung und spätere Entnahme von Wärme in einem Schichtspeicher. Insbesondere kann auch Wärme von einem Anteil des Speicherfluids entnommen und genutzt werden, dessen Temperatur für Heizzwecke zu niedrig wäre, insbesondere unterhalb eines Bereichs von zumindest annähernd 20 °C bis 50 °C liegt, beispielsweise unterhalb von 25 °C, 30 °C, 35 °C, oder 40 °C. Dies ermöglicht eine effiziente Nutzung des Verfahrens insbesondere bei Verwendung einer Aussenluft-Wärmepumpe in Regionen mit kalten Wintern, in denen durchschnittliche Tiefsttemperaturen im Winter unter 10 °C, 0 °C, oder gar -5 °C liegen.The inventive method allows efficient storage and later removal of heat in a stratified storage. In particular, heat can also be removed and used from a portion of the storage fluid whose temperature would be too low for heating purposes, in particular below a range of at least approximately 20 ° C. to 50 ° C., for example below 25 ° C., 30 ° C., 35 ° C, or 40 ° C. This enables efficient use of the method, especially when using an outside air heat pump in regions with cold winters, in which average low temperatures in winter are below 10 ° C, 0 ° C, or even -5 ° C.
[0029] Im zweiten Auflademodus wird in einem unteren Bereich des Schichtspeichers befindlichen Speicherfluid thermische Energie entnommen und über die Wärmepumpe dem Speicherfluid im oberen Bereich des Schichtspeichers zugeführt. Dies kann vorzugsweise dadurch erfolgen, dass mittels der entnommenen Wärme ein Medium aus einem kalten Reservoir der Wärmepumpe vorgewärmt wird. Dabei kann auch das kalte Reservoir als Ganzes vorgewärmt werden. Insbesondere kann bei Verwendung einer Aussenluftwärmepumpe bei niedrigen Aussentemperaturen eine von der Wärmepumpe angesaugte Luft vorgewärmt werden.In the second charging mode, thermal fluid located in a lower area of the stratified storage tank is removed and fed to the storage fluid in the upper area of the stratified storage tank via the heat pump. This can preferably be done by preheating a medium from a cold reservoir of the heat pump by means of the heat removed. The cold reservoir as a whole can also be preheated. In particular, when using an outside air heat pump, air drawn in by the heat pump can be preheated at low outside temperatures.
[0030] Die im zweiten Auflademodus dem Speicherfluid entnommene Wärme kann auch dazu verwendet werden, ein Arbeitsfluid der Wärmepumpe vorzuwärmen, insbesondere vor oder nach einem Wärmeaustausch mit dem kalten Reservoir der Wärmepumpe, so dass das Arbeitsfluid seriell aufgeheizt wird.The heat removed from the storage fluid in the second charging mode can also be used to preheat a working fluid of the heat pump, in particular before or after a heat exchange with the cold reservoir of the heat pump, so that the working fluid is heated up serially.
[0031] Das im unteren Bereich des Schichtspeichers befindliche Speicherfluid kann dabei im zweiten Auflademodus auf eine Temperatur unterhalb eines Gefrier- oder Erstarrungspunkts des Speicherfluids herabgekühlt werden, so dass Speicherfluid in einem Bereich unterhalb einer Höhe hEis im Speichervolumen bzw. einer Tiefe tEis im Speicherfluid erstarrt oder gefriert. Dies ist insbesondere in Verbindung mit einer Aussenluftwärmepumpe in Regionen mit grossen Temperaturschwankungen im Jahresrhythmus und/oder sehr niedrigen minimalen Aussentemperaturen, insbesondere im Vergleich zum Gefrier- oder Erstarrungspunkt des Speicherfluids, vorteilhaft, weil auf diese Weise dem Speicherfluid sensible Wärme bis hinunter zu dessen Gefrier- oder Erstarrungspunkt entnommen werden kann, und darüber hinaus ferner noch latente Wärme aufgrund eines Gefrier- oder Erstarrungsvorgangs des Speicherfluids. Dies ist insbesondere in Verbindung mit einer Aussen-Luftwärmepumpe dann besonders vorteilhaft, wenn eine Temperatur der Aussenluft unter den Gefrier- oder Erstarrungspunkt des Speicherfluids sinkt und längere Zeit dort bleibt, insbesondere im Winter.The storage fluid located in the lower region of the stratified storage can be cooled down in the second charging mode to a temperature below a freezing or solidification point of the storage fluid, so that storage fluid in a region below a height h ice in the storage volume or a depth t ice in Storage fluid solidifies or freezes. This is particularly advantageous in connection with an outside air heat pump in regions with large temperature fluctuations in the annual rhythm and / or very low minimum outside temperatures, especially in comparison to the freezing or freezing point of the storage fluid, because in this way the storage fluid sensible heat down to its freezing. or solidification point can be removed, and furthermore latent heat due to a freezing or solidification process of the storage fluid. This is particularly advantageous in connection with an outside air heat pump when a temperature of the outside air drops below the freezing or solidification point of the storage fluid and remains there for a long time, especially in winter.
[0032] Stellen sich im kalten Reservoir wieder höhere Temperaturen ein, insbesondere im Sommer, kann das herabgekühlte, erstarrte oder gefrorene Speicherfluid im ersten Auflademodus wieder erwärmt bzw. verflüssigt werden. Dies kann alternativ oder zusätzlich dadurch erfolgen, dass das herabgekühlte, erstarrte oder gefrorene Speicherfluid in einem Kühlmodus zu Kühlzwecken herangezogen wird. Dazu kann einerseits mittels des zweiten Wärmetauschers, ggf. über geeignete Leitungen und Ventile und/oder unter Einsatz weiterer Wärmetauscher, das zweite Transferfluid oder ein Kühlmittel zur Kühlung beispielsweise von Gebäuden, Räumen, Prozessen etc. gekühlt werden. Andererseits kann auch die Wärmepumpe in einem Umkehrbetrieb als Klimaanlage betrieben werden. Dabei kann das das Arbeitsfluid, ggf. wiederum über geeignete Leitungen und Ventile, zwecks Kühlung durch den zweiten Wärmetauscher geleitet werden.If higher temperatures occur again in the cold reservoir, especially in summer, the cooled, solidified or frozen storage fluid can be reheated or liquefied in the first charging mode. As an alternative or in addition, this can be done by using the cooled, solidified or frozen storage fluid in a cooling mode for cooling purposes. For this purpose, on the one hand, the second transfer fluid or a coolant for cooling buildings, rooms, processes, etc. can be cooled by means of the second heat exchanger, if necessary via suitable lines and valves and / or using additional heat exchangers. On the other hand, the heat pump can also be operated in reverse operation as an air conditioning system. In this case, the working fluid can be passed through the second heat exchanger for cooling purposes, if necessary again via suitable lines and valves.
[0033] Eine erfindungsgemässe Speichervorrichtung für ein thermisches Speicherfluid umfasst[0033] A storage device according to the invention for a thermal storage fluid comprises
a) einen Isolierbehälter,a) an insulated container,
i) welcher eine Behälterwand aufweist, wobei ii) in dessen Inneren ein zumindest annähernd kugelförmiges Speichervolumen ausgebildet ist, iii) welches Speichervolumen bis zu einer maximalen Füllhöhe hmax mit Speicherfluid füllbar ist;i) which has a container wall, ii) in the interior of which an at least approximately spherical storage volume is formed, iii) which storage volume can be filled with storage fluid up to a maximum filling height h max ;
b) eine erste Entnahmeleitung, die dazu ausgebildet sind, Speicherfluid auf einer ersten Höhe h-ι im Speichervolumen zu entnehmen;b) a first extraction line which is designed to extract storage fluid at a first height h-ι in the storage volume;
c) eine Rücklaufleitung zur Rückführung von Speicherfluid;c) a return line for returning storage fluid;
d) einen ersten Wärmeübertrager, der in einem oberen Bereich des Speichervolumens ausgebildet ist.d) a first heat exchanger which is formed in an upper region of the storage volume.
[0034] Der Isolierbehälter kann in an sich bekannter Weise als Behälter oder Gefäss mit einer wärmeisolierenden Behälterwand aufgebaut sein, wobei im Inneren des Behälters ein zumindest annähernd kugelförmiges Speichervolumen gebildet ist, welches zumindest teilweise, insbesondere bis zu einer vorgegeben en Füllhöhe hFün mit einem thermischen Speicherfluid, insbesondere einer Speicherflüssigkeit wie beispielsweise Wasser, gefüllt werden kann. Unter einem annäherndThe insulating container can be constructed in a manner known per se as a container or vessel with a heat-insulating container wall, an at least approximately spherical storage volume being formed in the interior of the container, which has at least partially, in particular up to a predetermined fill level h Fun a thermal storage fluid, in particular a storage liquid such as water, can be filled. Approximately under one
CH 714 366 A1 kugelförmigen Speichervolumen ist ein Volumen zu verstehen, in welchem eine gedachte erste Kugel mit einem maximalen Radius rinnen untergebracht bzw. eingepasst werden könnte, während andererseits das Speichervolumen in einer gedachten zweiten Kugel mit einem minimalen Radius raussen untergebracht bzw. eingepasst werden könnte, wobei ferner Tinnen < Güssen gilt Und Zugleich raussen < 1.5 Tinnen, VOTZUgSWeiSe Taussen < 1.2 rinnen, höchst vorzugsweise raussen < 1.1 Tinnen[0035] Das Speichervolumen kann bis zu einer maximalen Füllhöhe hmax mit Speicherfluid befüllt werden. Die Speichervorrichtung umfasst eine erste Entnahmeleitung, welche beispielsweise durch die Behälter oder eine Öffnung in der Behälterwand in das Speichervolumen geführt und dazu ausgelegt ist, Speicherfluid auf einer ersten Höhe h-ι im Speichervolumen zu entnehmen. Ist das Speichervolumen bis zu einer Höhe hFün < hmax mit Speicherfluid befüllt, entspricht die erste Höhe hi einer ersten Tiefe t-ι = hFÜN - h-ι im Speicherfluid.CH 714 366 A1 spherical storage volume is meant a volume in which an imaginary first ball with a maximum radius run could be accommodated or fitted, on the other hand, the storage volume are housed outside in an imaginary second sphere having a minimum radius r and fitted could further comprising Tindoor <fonts applies and simultaneously r outside <1.5 Tindoor, VOTZUgSWeiSe T outside <1.2 r inn s, most preferably r outside <1.1 Tindoor [0035] The storage volume can be filled to a maximum filling level h max with storage fluid to. The storage device comprises a first extraction line which, for example, leads through the container or an opening in the container wall into the storage volume and is designed to remove storage fluid at a first height h-ι in the storage volume. If the storage volume is filled with storage fluid up to a height h F <n <h max , the first height hi corresponds to a first depth t-ι = h FÜN - h-ι in the storage fluid .
[0036] Die Speichervorrichtung umfasst ferner eine Rücklaufleitung zur Rückführung von Speicherfluid, welches über die erste Entnahmeleitung entnommen wurde. Die Rücklaufleitung führt dabei vorzugsweise in einen unteren Bereich des Speichervolumens, insbesondere in eine Höhe h0 mit h0 « hmax. Die Rücklauf leitung kann auch porös ausgeführt sein und/oder eine Vielzahl, vorzugsweise mindestens 10 oder mindestens 100, Öffnungen auf jeweils unterschiedlichen Höhen aufweisen. Die Rücklauf leitung kann auch als geschlossene Leitung nach unten geführt sein und wie vorstehend beschrieben porös oder gelocht ausgeführt wieder nach oben. Dies erlaubt es, das rückgeführte Speicherfluid entsprechend seiner Temperatur in der richtigen Höhe in das Speichervolumen einzubringen.[0036] The storage device further comprises a return line for returning storage fluid which has been removed via the first extraction line. The return line preferably leads to a lower region of the storage volume, in particular to a height h 0 with h 0 «h max . The return line can also be porous and / or have a plurality, preferably at least 10 or at least 100, openings at different heights. The return line can also be run as a closed line down and porous or perforated as described above up again. This allows the recirculated storage fluid to be introduced into the storage volume at the correct level according to its temperature.
[0037] Dadurch, dass das Speichervolumen zumindest annähernd kugelförmig ausgebildet ist, ergibt sich ein zumindest annähernd optimales Verhältnis von einer Oberfläche des Speichervolumens zu einem Volumen des Speichervolumens mit einer bei gegebenem Volumen zumindest annähernd minimalen Oberfläche. Dadurch kann ein Wärmeverlust durch die Oberfläche bzw. über die Behälterwand weitestgehend minimiert werden, was vor allem entscheidende Vorteile bringt, wenn Energie über einen längeren Zeitraum, insbesondere mehrere Tage, Wochen oder gar Monate gespeichert werden soll.Characterized in that the storage volume is at least approximately spherical, there is an at least approximately optimal ratio of a surface of the storage volume to a volume of the storage volume with a given volume at least approximately minimum surface. As a result, heat loss through the surface or over the container wall can be minimized as far as possible, which above all brings decisive advantages if energy is to be stored over a longer period, in particular several days, weeks or even months.
[0038] In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Speichervorrichtung ferner eine zweite Entnahmeleitung, die dazu ausgebildet ist, Speicherfluid auf einer zweiten Höhe h2 < h-ι im Speichervolumen zu entnehmen, sowie vorzugsweise weitere Entnahmeleitungen, die dazu ausgebildet sind, Speicherfluid auf jeweils weiteren Höhen h3 > h4 > ... > hN zu entnehmen, wobei h3 < h2 und N vorzugsweise im Bereich zwischen 3 und 10, vorzugsweise zwischen 4 und 6 gewählt ist, und wobei die Höhen vorzugsweise unterschiedlich, vorzugsweise hn-hn+i ~ hmax/(N+2) alle Höhen h-i, ..., hN paarweise unterschiedlich sind und vorzugsweise hmax/(N+1) < hn—hn+1 < hmax/(N+3), höchst vorzugsweise hn—hn+1 ~ hmax/(N+2) für zumindest einige n g {1, ..., N—1} gilt, sowie ferner vorzugsweise hN > h0. Die zweite und die ggf. weiteren Entnahmeleitungen ermöglichen eine Entnahme von Speicherfluid mit unterschiedlichen Temperaturen aus dem Speichervolumen. Die verschiedenen Entnahmeleitungen sind dabei vorzugsweise einzeln über Ventile, Schieber o.a. verschliessbar, um eine gezielte Entnahme über einzelne Entnahmeleitungen zu ermöglichen.In a further development of the invention, the storage device further comprises a second removal line, which is designed to remove storage fluid at a second height h 2 <h-ι in the storage volume, and preferably further removal lines, which are designed to store storage fluid on each further heights h 3 > h 4 >...> h N , where h 3 <h 2 and N is preferably selected in the range between 3 and 10, preferably between 4 and 6, and the heights are preferably different, preferably hn -h n + i ~ h max / (N + 2) all heights hi, ..., h N are different in pairs and preferably h max / (N + 1) <h n - h n + 1 <h max / (N +3), most preferably h n - h n + 1 ~ h max / (N + 2) for at least some ng {1, ..., N - 1}, and further preferably h N > h 0 . The second and possibly further extraction lines enable storage fluid with different temperatures to be removed from the storage volume. The various extraction lines can preferably be closed individually via valves, slides or the like in order to enable targeted extraction via individual extraction lines.
[0039] In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Speichervorrichtung ferner ein Mischelement zum Mischen von an unterschiedlichen Höhen im Speichervolumen entnommenem Speicherfluid. Dabei ist das Mischelement vorzugsweise dazu ausgelegt, dass es Speicherfluid von unterschiedlichen Höhen im Speichervolumen in einem variablen, vorzugsweise regelbaren Verhältnis mischt. Durch die Mischung kann erreicht werden, dass die Speichervorrichtung innerhalb gewisser Grenzen Speicherfluid auch dann mit zumindest annähernd konstanter Temperatur abgeben kann, wenn ein Temperaturverlauf des, d.h. eine Funktion T(h), welche eine Temperatur T des Speicherfluids in Abhängigkeit von der Höhe h im Speichervolumen beschreibt, insbesondere eine maximale und/oder minimale Temperatur des Speicherfluids, sich ändert. [0040] In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Speichervorrichtung ferner einen zweiten Wärmeübertrager, der in einem unteren Bereich des Speichervolumens ausgebildet ist.In a further development of the invention, the storage device further comprises a mixing element for mixing storage fluid withdrawn at different heights in the storage volume. The mixing element is preferably designed to mix storage fluid of different heights in the storage volume in a variable, preferably controllable ratio. It can be achieved by the mixing that the storage device can release storage fluid with certain at least approximately constant temperature within certain limits if a temperature profile of the, i.e. a function T (h), which describes a temperature T of the storage fluid as a function of the height h in the storage volume, in particular a maximum and / or minimum temperature of the storage fluid, changes. In a development of the invention, the storage device further comprises a second heat exchanger, which is formed in a lower region of the storage volume.
[0041] Der erste und/oder ggf. der zweite Wärmeübertrager sind dabei vorzugsweise so ausgeführt, wie bereits weiter oben in Verbindung mit dem erfindungsgemässen Verfahren beschrieben.The first and / or possibly the second heat exchanger are preferably designed as already described above in connection with the inventive method.
[0042] In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Isolierbehälter zumindest teilweise als doppelwandiger, vakuumisolierter Behälter, ausgeführt. Dies erlaubt eine besonders effiziente thermische Isolation und trägt damit zu einer Reduktion bzw. Minimierung von Wärmeverlusten bei. Vorzugsweise ist alternativ oder zusätzlich zumindest eine innere Behälterwand oder derjenige Teil der Behälterwand, welcher bei gefülltem Speichervolumen mit dem Speicherfluid in Berührung steht, aus Kunststoff, vorzugsweise faserverstärktem Kunststoff gebildet und/oder mit einer wärmeisolierenden Beschichtung versehen. Durch diese Ausgestaltung des Behälters wird eine Wärmeleitung entlang der Behälterwand und somit ein Wärmeaustausch zwischen Speicherfluid aus verschiedenen Schichten im Speichervolumen verringert bzw. minimiert. Damit eignet sich die entsprechende Speichervorrichtung in besonderer Weise zur Verwendung in Verbindung mit dem weiter oben beschriebenen Verfahren, insbesondere wenn im zweiten Auflademodus im unteren Bereich des Speichervolumens befindliches Speicherfluid stark abgekühlt wird, insbesondere auf eine Temperatur um oder unterhalb von dessen Gefrier- oder Erstarrungspunkt.In a further development of the invention, the insulating container is at least partially designed as a double-walled, vacuum-insulated container. This enables particularly efficient thermal insulation and thus contributes to a reduction or minimization of heat losses. As an alternative or in addition, at least one inner container wall or that part of the container wall which is in contact with the storage fluid when the storage volume is full is preferably formed from plastic, preferably fiber-reinforced plastic, and / or provided with a heat-insulating coating. This configuration of the container reduces or minimizes heat conduction along the container wall and thus heat exchange between storage fluid from different layers in the storage volume. The corresponding storage device is therefore particularly suitable for use in connection with the method described above, in particular if storage fluid located in the lower region of the storage volume is strongly cooled in the second charging mode, in particular to a temperature around or below its freezing or solidification point.
[0043] In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Entnahmeleitungen als Rohrleitungen aus nichtmetallischem Material, vorzugsweise Kunststoff, ausgeführt, welche zumindest teilweise in paarweise unterschiedlichen Höhen im Speichervolumen enden. Durch diese Ausgestaltung der Entnahmeleitungen wird eine Wärmeleitung entlang derselben und somit ein Wärmeaustausch zwischen Speicherfluid aus verschiedenen Schichten im Speichervolumen verringert bzw. minimiert.In a further development of the invention, the extraction lines are designed as pipes made of non-metallic material, preferably plastic, which at least partially end in different heights in the storage volume. This configuration of the extraction lines reduces or minimizes heat conduction along the same and thus heat exchange between storage fluid from different layers in the storage volume.
CH 714 366 A1CH 714 366 A1
Damit eignet sich die entsprechende Speichervorrichtung in besonderer Weise zur Verwendung in Verbindung mit dem weiter oben beschriebenen Verfahren, insbesondere wenn im zweiten Auflademodus im unteren Bereich des Speichervolumens befindliches Speicherfluid stark abgekühlt wird, insbesondere auf eine Temperatur um oder unterhalb von dessen Gefrier- oder Erstarrungspunkt.The corresponding storage device is therefore particularly suitable for use in connection with the method described above, in particular if storage fluid located in the lower region of the storage volume is strongly cooled in the second charging mode, in particular to a temperature around or below its freezing or solidification point.
[0044] In einer Weiterbildung der Erfindung ist im Speichervolumen ein Expansionsvolumen gebildet, vorzugsweise in Form eines nach oben hin geschlossenen Hohlraums, welcher dazu ausgebildet ist, bei mit Speicherfluid gefülltem Speichervolumen ein komprimierbares Gasvolumen aufzunehmen. In Verbindung mit einer druckdicht verschliessbaren Ausgestaltung des Isolierbehälters kann die Speichervorrichtung unter einem Arbeitsdruck, vorzugsweise im Bereich zwischen 1,3 und 5 bar, betrieben werden, mittels welchem dem Speichervolumen Speicherfluid über die Entnahmeleitungen entnommen werden kann.In a further development of the invention, an expansion volume is formed in the storage volume, preferably in the form of a cavity which is closed at the top and which is designed to accommodate a compressible gas volume when the storage volume is filled with storage fluid. In connection with a pressure-tight sealable design of the insulating container, the storage device can be operated under a working pressure, preferably in the range between 1.3 and 5 bar, by means of which storage fluid can be removed from the storage volume via the extraction lines.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN [0045] Es zeigt schematischBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES It shows schematically
Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Speichervorrichtung in seitlicher Ansicht;1 shows a preferred exemplary embodiment of a storage device according to the invention in a side view;
Fig. 2 zeigt die erfindungsgemässe Speichervorrichtung aus Fig. 1 von oben;FIG. 2 shows the storage device according to the invention from FIG. 1 from above;
Fig. 3 illustriert schematisch ein Verfahren zum Speichern von Energie in einer erfindungsgemässen Speichervorrichtung.3 schematically illustrates a method for storing energy in a storage device according to the invention.
Grundsätzlich bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.Basically, the same reference symbols designate the same parts.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG [0046] Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Speichervorrichtung in seitlicher Ansicht; Fig. 2 die erfindungsgemässe Speichervorrichtung aus Fig. 1 von oben (entsprechend der Richtung -h aus Fig. 1).WAYS OF IMPLEMENTING THE INVENTION FIG. 1 shows a preferred exemplary embodiment of a storage device according to the invention in a side view; FIG. 2 shows the storage device according to the invention from FIG. 1 from above (corresponding to the direction -h from FIG. 1).
[0047] Die Speichervorrichtung umfasst einen doppelwandigen, zumindest annähernd kugelförmigen Isolierbehälter 100. In einem Inneren des Isolierbehälters 100 ist ein ebenfalls zumindest annähernd kugelförmiges Speichervolumen 110 gebildet ist, welches über eine Befüllungsleitung 0 mit Speicherfluid, insbesondere einer Speicherflüssigkeit befüllbar ist.The storage device comprises a double-walled, at least approximately spherical insulating container 100. In the interior of the insulating container 100, a likewise at least approximately spherical storage volume 110 is formed, which can be filled with storage fluid, in particular a storage liquid, via a filling line 0.
[0048] Eine Wand 110 des Isolierbehälters 100 ist aus zwei Schichten aus glasfaserverstärktem Kunststoff aufgebaut, zwischen welchen ein geschlossenes Isoliervolumen ausgebildet ist, in welchem ein Unterdrück, vorzugsweise ein Vakuum in einem Druckbereich zwischen -600 mbar und -200 mbar herrscht, vorzugsweise zumindest annähernd -500 mbar. Vorzugsweise ist auf einer dem Isoliervolumen zugewandten Oberfläche mindestens einer, vorzugsweise der äusseren, Schicht eine metallische Beschichtung oder Folie, insbesondere aus Aluminium, aufgebracht. Eine derartig aufgebrachte Beschichtung oder Folie verbessert einerseits die thermische Isolation des Speichervolumens, andererseits verhindert diese, soweit sie auf der Innenseite der äusseren Schicht vorgesehen ist, ein Eindiffundieren von Sauerstoff oder Stickstoff aus einer den Isolierbehälter 100 umgebenden Atmosphäre in das Isoliervolumen. Somit kann verhindert werden, dass der Unterdrück oder das Vakuum im Isoliervolumen im Laufe längerer Zeiträume, insbesondere von mehreren Jahren, abgebaut werden.A wall 110 of the insulating container 100 is constructed from two layers of glass fiber reinforced plastic, between which a closed insulating volume is formed, in which there is a negative pressure, preferably a vacuum, in a pressure range between -600 mbar and -200 mbar, preferably at least approximately -500 mbar. A metallic coating or foil, in particular made of aluminum, is preferably applied to a surface facing the insulating volume of at least one, preferably the outer, layer. A coating or film applied in this way improves the thermal insulation of the storage volume on the one hand, and on the other hand, insofar as it is provided on the inside of the outer layer, prevents oxygen or nitrogen from diffusing into the insulation volume from an atmosphere surrounding the insulating container 100. This can prevent the negative pressure or the vacuum in the insulation volume from being broken down over longer periods, in particular over several years.
[0049] Der Isolierbehälter 100 kann von einer weiteren Isolierschicht 210, insbesondere aus einem porösen Material wie Polyurethan, Styropor oder Misapor umgeben sein. Ein Standfuss 160, der eine stabile Aufstellbarkeit des Isolierbehälters 100 gewährleisten soll, kann vorzugsweise einstückig als Teil der Isolierschicht 210 ausgebildet sein. Der Isolierbehälter kann somit auch ohne grössere Effizienzverluste im Freien oder in einem Aussenbereich eingesetzt, insbesondere auch zumindest teilweise im Erdreich vergraben werden.The insulating container 100 can be surrounded by a further insulating layer 210, in particular made of a porous material such as polyurethane, styrofoam or misapor. A base 160, which is intended to ensure that the insulating container 100 can be set up in a stable manner, can preferably be formed in one piece as part of the insulating layer 210. The insulated container can thus also be used outdoors or in an outdoor area without major losses in efficiency, in particular at least partially buried in the ground.
[0050] Am oberen Ende des Isolierbehälters ist ein Domschacht 150 vorgesehen, an dessen oberen Ende wiederum ein Flansch ausgebildet ist. Mittels des Flansches ist ein isolierter, glasfaserverstärkte Kunststoff decket 300 auf dem Domschacht 150 angebracht, weicherden Isolierbehälter 100 druckdicht verschliesst, wobei Isolierbehälter 100 und Verschluss dazu ausgelegt ist, einem Arbeitsdruck von mindestens 5 bar im Speichervolumen 110 standzuhalten.At the upper end of the insulating container, a dome shaft 150 is provided, at the upper end of which a flange is in turn formed. An insulated, glass fiber-reinforced plastic cover 300 is attached to the dome shaft 150 by means of the flange, and the insulating insulating container 100 is closed in a pressure-tight manner, the insulating container 100 and closure being designed to withstand a working pressure of at least 5 bar in the storage volume 110.
[0051] Durch den isolierten, glasfaserverstärkten Kunststoffdecke! 300 sind druckdicht als erste bis vierte Entnahmeleitung ein erstes Entnahmerohr 1, ein zweites Entnahmerohr 2, ein drittes Entnahmerohr 3, sowie ein viertes Entnahmerohr 4 in das Speichervolumen 100 geführt, die auf Höhen h-ι > h2 > h3 > h4 enden und es erlauben, Speicherfluid aus der jeweils entsprechenden Höhe h im Speichervolumen zu entnehmen.Due to the insulated, glass fiber reinforced plastic ceiling! 300 are pressure-tight as first to fourth sampling lines, a first sampling tube 1, a second sampling tube 2, a third sampling tube 3, and a fourth sampling tube 4 are guided into the storage volume 100, which end at heights h-ι> h 2 > h 3 > h 4 and allow storage fluid to be drawn from the corresponding height h in the storage volume.
[0052] In einem oberen Bereich des Speichervolumens oberhalb einer Höhe hTrenn ist ein erster Wärmeübertrager ausgebildet, der eine erste, vorzugsweise aus Metall gebildete, spiralförmige Wärmeübertragerleitung 401 umfasst.In an upper region of the storage volume above a height h separation , a first heat exchanger is formed, which comprises a first, preferably made of metal, spiral-shaped heat exchanger line 401.
[0053] In einem unteren Bereich des Speichervolumens unterhalb der Höhe hTrenn ist ferner ein zweiter Wärmeübertrager ausgebildet, der eine zweite, vorzugsweise ebenfalls aus Metall gebildete, spiralförmige zweite Wärmeübertragerleitung 402 umfasst.In a lower region of the storage volume below the height h separation , a second heat exchanger is also formed, which comprises a second, preferably also made of metal, spiral-shaped second heat exchanger line 402.
CH 714 366 A1 [0054] Ebenfalls druckdicht durch den Kunststoffdeckel 300 geführt sind die Befüllungsleitung 0, welche zugleich als Rücklaufleitung zur Rückführung von durch ein oder mehrere Entnahmeleitungen entnommenem Speicherfluid dient; ein erstes Vorlaufrohr 5, über welches dem ersten Wärmeübertrager von einer (in Fig. 1 nicht gezeigten) Wärmepumpe erstes Transferfluid zugeführt werden kann; ein erstes Rücklaufrohr 6; mittels welchem das erste Transferfluid nach Durchströmen des ersten Wärmeübertragers zur Wärmepumpe zurückgeführt werden kann; ein zweites Vorlaufrohr 52, über welches dem zweiten Wärmeübertrager zweites Transferfluid zugeführt werden kann; sowie ein zweites Rücklaufrohr 62; mittels welchem das zweite Transferfluid nach Durchströmen des ersten Wärmeübertragers insbesondere zur Wärmepumpe zurückgeführt werden kann.CH 714 366 A1 The filling line 0, which also serves as a return line for returning storage fluid withdrawn through one or more removal lines, is likewise pressure-tight through the plastic cover 300; a first flow pipe 5, via which first transfer fluid can be fed to the first heat exchanger from a heat pump (not shown in FIG. 1); a first return pipe 6; by means of which the first transfer fluid can be returned to the heat pump after flowing through the first heat exchanger; a second flow pipe 52, via which second transfer fluid can be supplied to the second heat exchanger; and a second return pipe 62; by means of which the second transfer fluid can in particular be returned to the heat pump after flowing through the first heat exchanger.
[0055] Im Speichervolumen erstreckt sich vom Domschacht bis annähernd zu einem Grund des Isolierbehälters in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung ein Siebrohr 130, das eine Vielzahl an Öffnungen 131 aufweist, welche über eine gesamte Wand des Siebrohrs 130 zumindest im Wesentlichen gleichmässig verteilt sind. Das Siebrohr umschliesst das erste Entnahmerohr 1, das zweite Entnahmerohr 2, das dritte Entnahmerohr 3, das vierte Entnahmerohr 4, sowie die Befüllungsleitung 0. Eine Gesamtfläche der Öffnungen, gegeben durch eine Summe der Querschnitte aller Öffnungen, beträgt dabei vorzugsweise zwischen 50% und 150% einer verbleibenden Wandfläche des Siebrohrs 130. Das Siebrohr 130 kann dazu beitragen, Strömungen im Speicherfluid durch eine Entnahme und Rückführung desselben zu unterdrücken und/oder zu minimieren, wodurch eine Durchmischung von Speicherfluid aus unterschiedlichen Tiefen im Speichervolumen ebenfalls unterdrückt und/oder minimiert werden kann. Das Siebrohr 130 ist vorzugsweise aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise unterhalb 0.4 W/(mK) oder 0.2 W/(mK) gebildet, vorzugsweise aus Kunststoff, Glas oder Keramik.In the storage volume extends from the dome shaft to almost a bottom of the insulating container in a substantially vertical direction, a sieve tube 130 which has a plurality of openings 131 which are at least substantially evenly distributed over an entire wall of the sieve tube 130. The sieve tube encloses the first extraction tube 1, the second extraction tube 2, the third extraction tube 3, the fourth extraction tube 4, and the filling line 0. A total area of the openings, given by a sum of the cross sections of all openings, is preferably between 50% and 150 % of a remaining wall area of the sieve tube 130. The sieve tube 130 can contribute to suppressing and / or minimizing flows in the storage fluid by removal and return thereof, whereby mixing of storage fluid from different depths in the storage volume can also be suppressed and / or minimized . The sieve tube 130 is preferably formed from a material with low thermal conductivity, preferably below 0.4 W / (mK) or 0.2 W / (mK), preferably from plastic, glass or ceramic.
[0056] Im Speichervolumen ist ein Expansionsgefäss 120 vorgesehen, welches an einer Unterseite geöffnet und an einer Oberseite geschlossen ist, und welches somit ein Expansionsvolumen bildet. Im Expansionsgefäss kann bei gefülltem Speichervolumen ein Gas, insbesondere Luft oder Stickstoff, eingeschlossen werden, dessen Volumen sich bei Druckund/oder Füllhöhenänderungen im Speichervolumen ändern kann. In Wechselwirkung mit vorzugsweise an den Entnahmeleitungen und der Befüllungsleitungen vorgesehenen Ventilen und einer druckdichten Ausführung und Anbringung des Kunststoffdeckels 300 am Isolierbehälter 100 kann unter Einfluss eines Überdrucks des im Expansionsgefäss eingeschlossenen Gases das Speicherfluid zu einem bzw. durch einen angeschlossenen Verbraucher, insbesondere eine Heizungsanlage befördert werden, ohne dass hierfür eine Pumpe erforderlich wäre.In the storage volume, an expansion vessel 120 is provided, which is open on an underside and closed on an upper side, and which thus forms an expansion volume. When the storage volume is full, a gas, in particular air or nitrogen, can be enclosed in the expansion vessel, the volume of which can change when the pressure and / or fill level changes in the storage volume. In interaction with valves, which are preferably provided on the extraction lines and the filling lines, and a pressure-tight design and attachment of the plastic cover 300 to the insulating container 100, the storage fluid can be conveyed to or through a connected consumer, in particular a heating system, under the influence of an overpressure of the gas enclosed in the expansion vessel without the need for a pump.
[0057] Alternativ zur geöffneten Unterseite kann an der Unterseite des Expansionsgefässes 120 eine flexible und/oder bewegliche Membran vorgesehen sein, um zu verhindern, dass das Gas im Expansionsgefäss mit dem Speicherfluid in Berührung kommt und sich in diesem löst.As an alternative to the opened underside, a flexible and / or movable membrane can be provided on the underside of the expansion vessel 120 in order to prevent the gas in the expansion vessel from coming into contact with and dissolving in the storage fluid.
[0058] Ein erster Innendurchmesser dwT.i der spiralförmigen ersten Wärmeübertragerleitung 401 entspricht vorzugsweise einem zweiten Innendurchmesser dwT, 2 der spiralförmigen zweiten Wärmeübertragerleitung 402, wobei dwT,i = dwr,2 = dwr gewählt ist und über eine gesamte Höhenausdehnung jedes der Wärmeübertrager konstant bleibt. Alternativ kann der erste und/oder zweite Innendurchmesser auch höhenabhängig gewählt werden, d.h. dwr, 1 = dWT, i(h) und/oder dwr, 2 = dwT,2(h). [0059] Dabei kann insbesondere dwT, i(h) in einem oberen Höhenbereich mit hmax> h > hscheitei zumindest näherungsweise monoton, insbesondere zumindest näherungsweise streng monoton, zunehmen. Zusätzlich oder alternativ kann dWT, i(h) in einem unteren Höhenbereich mit hEnd < h < hscheitei zumindest näherungsweise monoton, insbesondere zumindest näherungsweise streng monoton, abnehmen, wobei insbesondere hEnd = 0 gelten kann, oder vorzugsweise hEtld ~ h4 oder hEnd ~ h0; und/oder hscheitei ~ (hmax - h0)/2. Eine derartige Ausgestaltung eines Wärmeübertragers erlaubt es, eine Oberfläche der Wärmeübertragerleitung in einem Höhenabschnitt dessen Ausdehnung etwa einem Durchmesser der Wärmeübertragerleitung entspricht, zumindest teilweise einem Speicher-Teilvolumen im entsprechenden Höhenabschnitt anzupassen. Dies ermöglicht einerseits einen effizienteren Wärmeaustausch zwischen Speicherfluid und Transferfluid im Wärmeübertrager und kann andererseits dazu beitragen, Irreversibilitäten in einem thermodynamischen Kreiszyklus der Wärmepumpe zu reduzieren. Schliesslich kann durch die vorstehend beschrieben Ausgestaltung insbesondere des ersten Wärmeübertragers auch eine Durchmischung von Speicherfluid aus unterschiedlichen Tiefen im Speichervolumen verringert bzw. minimiert werden, insbesondere im Auflademodus.A first inner diameter dwT.i of the spiral-shaped first heat exchanger line 401 preferably corresponds to a second inner diameter dwT, 2 of the spiral-shaped second heat exchanger line 402, dw T , i = dwr, 2 = dwr being selected and constant over an entire vertical extent of each of the heat exchangers remains. Alternatively, the first and / or second inner diameter can also be selected depending on the height, ie dwr, 1 = d W T, i (h) and / or dwr, 2 = dwT, 2 (h). [0059] In particular, DWT, i (h) may be at least approximately monotonically in an upper area with height h max> h> h cal ITEI, in particular at least approximately strictly monotonic increase. Additionally or alternatively, d W T, i (h) can decrease at least approximately monotonically, in particular at least approximately strictly monotonously, in a lower height range with h end <h <hs che itei, wherein in particular h En d = 0, or preferably h Etl d ~ h 4 or hEnd ~ h 0 ; and / or hscheitei ~ (h ma x - h 0 ) / 2. Such a configuration of a heat exchanger allows a surface of the heat exchanger line in a height section whose extent corresponds approximately to a diameter of the heat exchanger line to be at least partially adapted to a partial storage volume in the corresponding height section. On the one hand, this enables a more efficient heat exchange between storage fluid and transfer fluid in the heat exchanger and, on the other hand, can help to reduce irreversibility in a thermodynamic cycle of the heat pump. Finally, the above-described configuration, in particular of the first heat exchanger, can also reduce or minimize thorough mixing of storage fluid from different depths in the storage volume, in particular in the charging mode.
[0060] Bei der Darstellung in Fig. 1 handelt es sich um eine schematische Darstellung. Die Massangaben in Millimetern sind exemplarisch für eine besonders bevorzugte Ausführungsform mit einem Speichervolumen von zumindest annähernd 12 m3 zu verstehen, und können insbesondere als ungefähre Massangaben verstanden werden.The illustration in FIG. 1 is a schematic illustration. The dimensions in millimeters are to be understood as examples of a particularly preferred embodiment with a storage volume of at least approximately 12 m 3 , and can in particular be understood as approximate dimensions.
[0061] Fig. 3 illustriert ein Verfahren zum Speichern von Energie in einer erfindungsgemässen Speichervorrichtung anhand des nachfolgend beschriebenen Speichersystems 99. Ein Isolierbehälter 100 wie vorstehend beschrieben ist mit einem Speicherfluid befüllt und druckdicht verschlossen. Der erste Wärmeübertrager 401 ist über ein Leitungssystem 510 mit einer Wärmepumpe 500 verbunden, wobei ein geschlossener Kreislauf für ein Arbeitsfluid der Wärmepumpe, welches ein erstes Transferfluid darstellt, gebildet wird, welcher neben dem ersten Wärmeübertrager 401 einen Kompressor 501, einen Expander 502, einen Verdampfer 503 umfasst. Die Kombination aus Wärmepumpe 500 und erstem Wärmeübertrager 401 stellt somit eine Direktkondensations-Wärmepumpe dar.3 illustrates a method for storing energy in a storage device according to the invention using the storage system 99 described below. An insulating container 100 as described above is filled with a storage fluid and closed in a pressure-tight manner. The first heat exchanger 401 is connected to a heat pump 500 via a line system 510, a closed circuit for a working fluid of the heat pump, which is a first transfer fluid, which, in addition to the first heat exchanger 401, a compressor 501, an expander 502, an evaporator, is formed 503 comprises. The combination of heat pump 500 and first heat exchanger 401 thus represents a direct condensation heat pump.
[0062] In einem ersten Auflademodus wird gasförmiges Arbeitsfluid mittels des Kompressors - wie in der Abbildung angedeutet gegen den Uhrzeigersinn - durch den geschlossenen Kreislauf gepumpt. Dabei wird vom Kompressor Energie,In a first charging mode, gaseous working fluid is pumped through the closed circuit by means of the compressor - as indicated in the figure counterclockwise. The compressor uses energy,
CH 714 366 A1 vorzugsweise überschüssige elektrische Energie, verbraucht. Im ersten Wärmeübertrager 401 kondensiert das gasförmig in diesen eintretende Arbeitsfluid, und gelangt anschliessend durch den Expander 502, insbesondere ein Expansionsventil, in den Verdampfer 503, wo aus unter Aufnahme von Wärme aus einer Umgebung der Wärmepumpe erneut verdampft. [0063] Das Speichersystem 99 umfasst ferner einen Transferkreislauf für ein zweites Transferfluid, welcher den zweiten Wärmeübertrager 402 im Inneren des Isolierbehälters 100 umfasst, sowie einen Transferwärmetauscher 550 zum Austausch von Wärme mit dem Arbeitsfluid der Wärmepumpe.CH 714 366 A1 preferably consumes excess electrical energy. In the first heat exchanger 401, the working fluid entering it in gaseous form condenses, and then passes through the expander 502, in particular an expansion valve, into the evaporator 503, where the heat pump evaporates again, absorbing heat from an environment. The storage system 99 further comprises a transfer circuit for a second transfer fluid, which comprises the second heat exchanger 402 inside the insulating container 100, and a transfer heat exchanger 550 for exchanging heat with the working fluid of the heat pump.
[0064] In einem zweiten Auflademodus wird, während die Wärmepumpe 500 wie oben beschrieben betrieben wird, gleichzeitig das zweite Transferfluid durch den Transferkreislauf zirkuliert, wobei es in einem unteren Bereich des Speichervolumens 110 Wärme aufnimmt, und diese im Transferwärmetauscher 550 an das Arbeitsfluid abgibt.In a second charging mode, while the heat pump 500 is operated as described above, the second transfer fluid is simultaneously circulated through the transfer circuit, absorbing heat in a lower region of the storage volume 110 and releasing it to the working fluid in the transfer heat exchanger 550.
[0065] Sowohl der Kreislauf für das Arbeitsfluid der Wärmepumpe, als auch insbesondere der Transferkreislauf können in der Abbildung nicht gezeigte Pumpen, Ventile, Schieber, welche insbesondere gesteuert oder geregelt werden können, um zwischen den verschiedenen Betriebsmodi wählen bzw. umschalten zu können.Both the circuit for the working fluid of the heat pump, and in particular the transfer circuit can not shown pumps, valves, slide valves, which can be controlled or regulated in particular in order to choose or switch between the different operating modes.
[0066] Obwohl die Erfindung mittels der Figuren und der zugehörigen Beschreibung dargestellt und detailliert beschrieben ist, sind diese Darstellung und diese detaillierte Beschreibung illustrativ und beispielhaft zu verstehen und nicht als die Erfindung einschränkend. Um die Erfindung nicht zu verklären, können in gewissen Fällen wohlbekannte Strukturen und Techniken nicht im Detail gezeigt und beschrieben sein. Es versteht sich, dass Fachleute Änderungen und Abwandlungen machen können, ohne den Umfang der folgenden Ansprüche zu verlassen. Insbesondere deckt die vorliegende Erfindung weitere Ausführungsbeispiele mit irgendwelchen Kombinationen von Merkmalen ab, die von den explizit beschriebenen Merkmalskombinationen abweichen können.[0066] Although the invention is illustrated and described in detail by means of the figures and the associated description, this illustration and this detailed description are to be understood as illustrative and exemplary and are not restrictive of the invention. In order not to clarify the invention, in certain cases well-known structures and techniques cannot be shown and described in detail. It is understood that those skilled in the art can make changes and modifications without departing from the scope of the following claims. In particular, the present invention covers further exemplary embodiments with any combination of features that may differ from the combinations of features explicitly described.
[0067] Die vorliegende Offenbarung umfasst auch Ausführungsformen mit jeglicher Kombination von Merkmalen, die vorstehend oder nachfolgend zu verschiedenen Ausführungsformen genannt oder gezeigt sind. Sie umfasst ebenfalls einzelne Merkmale in den Figuren, auch wenn sie dort im Zusammenhang mit anderen Merkmalen gezeigt sind und/oder vorstehend oder nachfolgend nicht genannt sind. Auch können die in den Figuren und der Beschreibung beschriebenen Alternativen von Ausführungsformen und einzelne Alternativen deren Merkmale vom Erfindungsgegenstand beziehungsweise von den offenbarten Gegenständen ausgeschlossen sein. Die Offenbarung umfasst Ausführungsformen, die ausschliesslich die in den Ansprüchen beziehungsweise in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale umfasst sowie auch solche, die zusätzliche andere Merkmale umfassen.[0067] The present disclosure also includes embodiments with any combination of features mentioned or shown above or below for various embodiments. It also includes individual features in the figures, even if they are shown there in connection with other features and / or are not mentioned above or below. The alternatives of embodiments and individual alternatives whose characteristics described in the figures and the description can be excluded from the subject matter of the invention or from the disclosed objects. The disclosure includes embodiments that only include the features described in the claims or in the exemplary embodiments and also those that include additional other features.
[0068] Im Weiteren schliesst der Ausdruck «umfassen» und Ableitungen davon andere Elemente oder Schritte nicht aus. Ebenfalls schliesst der unbestimmte Artikel «ein» bzw. «eine» und Ableitungen davon eine Vielzahl nicht aus. Die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen aufgeführter Merkmale können durch eine Einheit beziehungsweise einen Schritt erfüllt sein. Die Begriffe «im Wesentlichen», «etwa», «ungefähr» und dergleichen in Verbindung mit einer Eigenschaft beziehungsweise einem Wert definieren insbesondere auch genau die Eigenschaft beziehungsweise genau den Wert. Die Begriffe «etwa» und «ungefähr» im Zusammenhang mit einem gegebenen Zahlenwert oder -bereich kann sich auf einen Wert beziehungsweise Bereich beziehen, der innerhalb 20%, innerhalb 10%, innerhalb 5% oder innerhalb 2% des gegebenen Werts beziehungsweise Bereichs liegt. Alle Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als den Umfang der Ansprüche einschränkend zu verstehen. Eine Angabe, wonach a ~ b gilt, kann dahingehend zu verstehen sein, dass Ia—bl/(lal + Ibi) < 0,2, vorzugsweise la - bl/(lal + Ibi) < 0,05, höchst vorzugsweise la - bl/(lal + Ibi) < 0,01 gilt, wobei a und b beliebige, an irgendeiner Stelle in diesem Dokument definierte und/oder beschriebene oder anderweitig dem Fachmann bekannte Variablen oder Grössen repräsentieren kann.Furthermore, the expression “comprising” and derivatives thereof does not exclude other elements or steps. Likewise, the indefinite article “a” or “an” and derivatives thereof do not exclude a large number. The functions of several features listed in the claims can be fulfilled by a unit or a step. The terms “essentially”, “about”, “approximately” and the like in connection with a property or a value also define precisely the property or exactly the value. The terms “about” and “approximately” in connection with a given numerical value or range can refer to a value or range which lies within 20%, within 10%, within 5% or within 2% of the given value or range. All reference signs in the claims are not to be understood as limiting the scope of the claims. A statement according to which a ~ b applies can be understood to mean that Ia-bl / (lal + Ibi) <0.2, preferably la-bl / (lal + Ibi) <0.05, most preferably la-bl / (lal + Ibi) <0.01 applies, where a and b can represent any variables or sizes defined and / or described at any point in this document or otherwise known to the person skilled in the art.
[0069] Dass ein Merkmal oder eine Eigenschaft, beispielsweise eine spezifische, insbesondere geometrische, Form, zumindest näherungsweise ausgebildet, vorgesehen oder vorhanden ist, kann insbesondere bedeuten, dass Fertigungsvorgaben existieren, welche eine Vorgabe vorsehen, gemäss welcher das Merkmal entsprechend ausgebildet wird, wobei im Rahmen üblicher, dem Fachmann bekannter Fertigungstoleranzen eine Abweichung von der Vorgabe resultieren kann.The fact that a feature or a property, for example a specific, in particular geometric, shape is at least approximately designed, provided or present, can in particular mean that manufacturing specifications exist which provide a specification according to which the feature is designed accordingly, wherein a deviation from the specification can result within the scope of customary manufacturing tolerances known to the person skilled in the art.
[0070] Dass ein Element oder Merkmal in einer Richtung ausgedehnt ist oder sich in einer Richtung erstreckt, kann insbesondere bedeuten, dass Abmessungen des Elements oder Merkmals in dieser Richtung grösser sind als in anderen, insbesondere allen anderen Richtungen, insbesondere orthogonalen Richtungen.The fact that an element or feature is extended in one direction or extends in one direction can in particular mean that dimensions of the element or feature in this direction are larger than in other, in particular all other directions, in particular orthogonal directions.
[0071] Die Begriffe «oben», «unten», «vorne», «hinten» beziehen sich insbesondere auf die Speichervorrichtung in derjenigen Orientierung, in welcher diese in Fig. 1 gezeigt ist.The terms “top”, “bottom”, “front”, “rear” refer in particular to the storage device in the orientation in which it is shown in FIG. 1.
[0072] Die Erfindung gemäss den vorstehend beschriebenen Varianten, Weiterbildungen, Ausgestaltungen und Ausführungsbeispielen kann insbesondere in Form der und/oder in Kombination mit den nachstehenden beschriebenen Varianten bzw. Ausgestaltungen realisiert werden:The invention according to the variants, developments, refinements and exemplary embodiments described above can be implemented in particular in the form of and / or in combination with the variants or refinements described below:
1. Speichervorrichtung für ein thermisches Speicherfluid, vorzugsweise Wasser, umfassend1. Storage device for a thermal storage fluid, preferably water, comprising
a) einen, vorzugsweise druckdicht verschliessbaren, Isolierbehälter,a) an insulating container, which can preferably be closed in a pressure-tight manner,
i) welcher eine Behälterwand aufweist, wobeii) which has a container wall, wherein
CH 714 366 A1 ii) in dessen Inneren ein vorzugsweise zumindest annähernd kugelförmiges Speichervolumen ausgebildet ist;CH 714 366 A1 ii) in the interior of which a preferably at least approximately spherical storage volume is formed;
iii) welches Speichervolumen bis zu einer Füllhöhe hFüii mit Speicherfluid füllbar istiii) which storage volume can be filled with storage fluid up to a filling level hFüii
b) eine erste Entnahmeleitung, die dazu ausgebildet sind, Speicherfluid auf einer ersten Höhe h± im Speichervolumen zu entnehmen;b) a first extraction line which is designed to extract storage fluid at a first height h ± in the storage volume;
c) eine Rücklaufleitung zur Rückführung von entnommenem Speicherfluid;c) a return line for returning removed storage fluid;
d) einen erster Wärmeübertrager, der in einem oberen Bereich des Speichervolumens ausgebildet ist.d) a first heat exchanger which is formed in an upper region of the storage volume.
2. Speichervorrichtung nach Variante 1, ferner umfassend2. Storage device according to variant 1, further comprising
a) eine zweite Entnahmeleitung, die dazu ausgebildet ist, Speicherfluid auf einer zweiten Höhe h2 im Speichervolumen zu entnehmen;a) a second extraction line which is designed to extract storage fluid at a second height h2 in the storage volume;
b) ein Mischelement zum Mischen von an unterschiedlichen Höhen im Speichervolumen entnommenen Speicherfluids.b) a mixing element for mixing storage fluids removed at different heights in the storage volume.
3. Speichervorrichtung nach Variante 1 oder 2, ferner umfassend3. Storage device according to variant 1 or 2, further comprising
a) einen zweiten Wärmeübertrager, der in einem unteren Bereich des Speichervolumens ausgebildet ist.a) a second heat exchanger, which is formed in a lower region of the storage volume.
4. Speichervorrichtung nach einer der vorangehenden Varianten, wobei der Isolierbehälter zumindest teilweise als doppelwandiger, vakuumisolierter Behälter, vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoff, ausgeführt ist.4. Storage device according to one of the preceding variants, wherein the insulating container is at least partially designed as a double-walled, vacuum-insulated container, preferably made of fiber-reinforced plastic.
5. Speichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Isolierbehälter einen abnehmbaren Deckel erfasst, wobei die Entnahmeleitungen und die Rücklaufleitungen sowie Zu- und/oder Rücklauf für den ersten und/oder zweiten Wärmeübertrager durch den Deckel hindurch in das Speichervolumen geführt sind.5. Storage device according to one of the preceding claims, wherein the insulating container detects a removable lid, wherein the extraction lines and the return lines and inlet and / or return for the first and / or second heat exchanger are guided through the lid into the storage volume.
6. Speichervorrichtung nach der vorangehenden Variante, wobei die Entnahmeleitungen als Rohrleitungen, vorzugsweise aus nichtmetallischem Material, ausgeführt sind, welche in paarweise unterschiedlichen Höhen im Speichervolumen enden.6. Storage device according to the preceding variant, the extraction lines being designed as pipelines, preferably made of non-metallic material, which end in pairs at different heights in the storage volume.
7. Speichervorrichtung nach einer der vorangehenden Varianten, wobei im Speichervolumen ein Expansionsvolumen gebildet ist.7. Storage device according to one of the preceding variants, wherein an expansion volume is formed in the storage volume.
8. Speichervorrichtung nach einer der vorangehenden Varianten, wobei das Expansionsvolumen einen nach oben hin geschlossenen Hohlraum aufweist, welcher dazu ausgebildet ist (bei gefülltem Speichervolumen) ein komprimierbares Gasvolumen aufzunehmen.8. Storage device according to one of the preceding variants, wherein the expansion volume has a cavity which is closed at the top and is designed to accommodate a compressible gas volume (when the storage volume is full).
9. Speichervorrichtung nach einer der vorangehenden Varianten, wobei das Speichervolumen zumindest annähernd kugelförmig ist.9. Storage device according to one of the preceding variants, wherein the storage volume is at least approximately spherical.
10. Verfahren zum Speichern von Energie, insbesondere elektrischer Energie, in einem Schichtspeicher mit einem zumindest teilweise mit einem thermischen Speicherfluid, vorzugsweise Wasser, gefüllten Speichervolumen, wobei10. A method for storing energy, in particular electrical energy, in a stratified storage tank with a storage volume which is at least partially filled with a thermal storage fluid, preferably water, wherein
CH 714 366 A1CH 714 366 A1
a) in einem ersten Auflademodus in einem oberen Bereich des Schichtspeichers befindlichen Speicherfluid mittels einer Wärmepumpe thermische Energie zugeführt wird;a) thermal fluid is supplied in a first charging mode in an upper region of the stratified storage tank by means of a heat pump;
b) in einem zweiten Auflademodus in einem unteren Bereich des Schichtspeichers befindlichen Speicherfluid thermische Energie entnommen und über die Wärmepumpe dem Speicherfluid im oberen Bereich des Schichtspeichers zugeführt wird;b) in a second charging mode, storage fluid located in a lower region of the stratified storage tank is removed and thermal energy is supplied to the storage fluid in the upper region of the stratified storage tank via the heat pump;
c) in einem Entlademodus dem Speicherfluid Brauchwärme entnommen wird.c) in an unloading mode, the storage fluid consumes heat.
11. Verfahren zum Speichern von Energie, insbesondere elektrischer Energie, in einem Schichtspeicher, vorzugsweise nach Variante 10, für ein thermisches Speicherfluid, vorzugsweise Wasser, wobei11. A method for storing energy, in particular electrical energy, in a stratified storage tank, preferably according to variant 10, for a thermal storage fluid, preferably water, wherein
a) der Schichtspeicher ein Speichervolumen für das Speicherfluid aufweist, in welchema) the stratified storage tank has a storage volume for the storage fluid, in which
b) ein erster Wärmeübertrager in einem oberen Bereich des Speichervolumens vorgesehen ist undb) a first heat exchanger is provided in an upper region of the storage volume and
c) ein zweiter Wärmeübertrager in einem unteren Bereich des Speichervolumens vorgesehen ist;c) a second heat exchanger is provided in a lower region of the storage volume;
d) in einem ersten Auflademodus ein mittels einer Wärmepumpe beheiztes erstes Transferfluid durch den ersten Wärmeübertrager geleitet wird; um dem Speicherfluid thermische Energie zuzuführen;d) in a first charging mode, a first transfer fluid heated by means of a heat pump is passed through the first heat exchanger; to supply thermal energy to the storage fluid;
e) in einem zweiten Auflademodus ein zweites Transferfluid durch den zweiten Wärmeübertrager geleitet wird, wobei dem Speicherfluid im unteren Bereich des Speichervolumens Wärme entnommen wird, welche dem ersten Transferfluid über die Wärmepumpe zugeführt wird;e) in a second charging mode, a second transfer fluid is passed through the second heat exchanger, heat being removed from the storage fluid in the lower region of the storage volume and being supplied to the first transfer fluid via the heat pump;
f) in einem Entlademodus dem Speicherfluid Brauchwärme entnommen wird.f) in an unloading mode, the storage fluid consumes heat.
12. Verfahren nach Variante 10 oder 11, wobei im zweiten Auflademodus ein Medium aus einem kalten Reservoir für die Wärmepumpe mittels des zweiten Transferfluids vorgewärmt wird.12. Method according to variant 10 or 11, wherein in the second charging mode a medium is preheated from a cold reservoir for the heat pump by means of the second transfer fluid.
13. Verfahren nach Variante 10 oder 11, wobei im zweiten Auflademodus ein Arbeitsmedium der Wärmepumpe mittels des zweiten Transferfluids vorgewärmt wird.13. The method according to variant 10 or 11, wherein in the second charging mode, a working medium of the heat pump is preheated by means of the second transfer fluid.
14. Verfahren nach einer der Varianten 9 bis 13, wobei im zweiten Auflademodus einem Arbeitsmedium der Wärmepumpe thermische Energie zugeführt wird, welche einem im unteren Bereich des Schichtspeichers befindlichen Speicherfluid entnommen wurde.14. The method according to one of the variants 9 to 13, wherein in the second charging mode thermal energy is supplied to a working medium of the heat pump, which thermal energy was taken from a storage fluid located in the lower region of the stratified storage tank.
15. Verfahren nach einer der Varianten 9 bis 14, wobei im zweiten Auflademodus zumindest ein Teil des Speicherfluids im unteren Bereich des Speichervolumens unter einen Gefrier- oder Erstarrungspunkt des Speicherfluids abgekühlt wird.15. The method according to one of variants 9 to 14, wherein in the second charging mode at least part of the storage fluid in the lower region of the storage volume is cooled below a freezing or solidification point of the storage fluid.
16. Verfahren nach einer der Varianten 9 bis 15, wobei das erste und das zweite Transferfluid in einem gemeinsamen Fluidkreislauf zirkulieren, und insbesondere als Arbeitsmedium für die Wärmepumpe dienen.16. The method according to one of variants 9 to 15, wherein the first and the second transfer fluid circulate in a common fluid circuit, and in particular serve as a working medium for the heat pump.
17. Verfahren nach einer der Varianten 9 bis 16, wobei in einem Kühlmodus den in einem unteren Bereich des Schichtspeichers befindlichen Speicherfluid thermische Energie zugeführt wird, insbesondere durch Wärmeübertragung von einem Kühlmittel.17. The method according to one of the variants 9 to 16, wherein in a cooling mode thermal energy is supplied to the storage fluid located in a lower region of the stratified storage tank, in particular by heat transfer from a coolant.
Claims (10)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CH01430/17A CH714366B1 (en) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | Device for thermal storage of energy. |
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| CH01430/17A CH714366B1 (en) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | Device for thermal storage of energy. |
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| CH714366A1 true CH714366A1 (en) | 2019-05-31 |
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2017
- 2017-11-24 CH CH01430/17A patent/CH714366B1/en unknown
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CH714366B1 (en) | 2022-06-30 |
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