CH714713A2

CH714713A2 - Mehrstufiges adiabates Niedertemperatur-Druckluftspeicherkraftwerk mit Wasserspeicher.

Info

Publication number: CH714713A2
Application number: CH00259/18A
Authority: CH
Inventors: Zumbrunn Werner
Original assignee: Zumbrunn Werner
Priority date: 2018-03-03
Filing date: 2018-03-03
Publication date: 2019-09-13

Abstract

Das mehrstufige adiabate Niedertemperatur-Druckluftspeicherkraftwerk arbeitet mit dem Wärmespeichermedium Wasser und hat nur einen einzigen, nicht druckbeaufschlagten Wärmespeicher (1) mit einer Wärmedämmung (7). Sein Inneres hat die Form eines Prismas. Er wird durch eine vertikal bewegliche, wärmegedämmte Platte (2) komplett in zwei Teile (3, 4) unterteilt. Im oberen Teil (3) befindet sich das heisse Wasser, im unteren Teil (4) das kalte Wasser. Während der Kompressionsphase wird das kalte Wasser zu den Wärmetauschern (5) des Druckluftspeicherkraftwerks gepumpt, von wo es, erhitzt, in den oberen Teil (3) des Tanks fliesst; während der Expansionsphase wird das heisse Wasser zu den Wärmetauschern (5) des Druckluftspeicherkraftwerks gepumpt, von wo es, abgekühlt, in den unteren Teil (4) des Tanks fliesst. Wenn die mittlere spezifische Dichte der Platte (2) derjenigen des Wassers entspricht, kann ihre Verschiebung allein von der Differenz des Wasserdruckes zwischen der Ober- und Unterseite bewerkstelligt werden.

Description

CH 714 713 A2

Beschreibung [0001] In Gebieten, in welchen Strom zunehmend mittels Photovoltaik- und Windkraftwerken gewonnen wird, gibt es einen wachsenden Bedarf, einen Teil der unregelmässig anfallenden Energie speichern und gegebenenfalls wieder zurückgewinnen zu können.

[0002] Die wirtschaftlichste Speicherung wird heute mittels Pumpspeicherung erreicht. Mit normalerweise überschüssiger, billiger elektrischer Energie wird Wasser aus einem Speicherbecken in einen höher gelegenen Speichersee gepumpt. Bei Bedarf kann das Wasser aus dem Speichersee abgelassen und seine Energie mittels Turbinen und Generatoren wieder in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Zykluswirkungsgrad beträgt ca. 80%.

In der Patentschrift DE10 2010 034 757 wird ein alternatives Pumpspeicherkraftwerke beschrieben. Es beruht auf dem Anheben und Absenken von grossen Felsmassen mittels eines hydraulischen Systems.

In der Patentschrift DE10 2011 118 206 wird ein Unterwasser-Pumpspeicherkraftwerk vorgeschlagen. Dabei handelt es sich um ein Druckspeicher-System in grosser Wassertiefe, welches von lokal vorhandenen Pumpturbinen gegen den Wasserdruck entleert oder geflutet werden kann.

[0003] Druckluftspeicherkraftwerke gehören wie die Pumpspeicherkraftwerke zu den Kraftwerken mit mechanischen Speichern. Bei der Speicherung wird mittels Kompressoren Luft in einen Druckspeicher gepumpt. Bei Bedarf kann ein Teil der gespeicherten Energie durch Entspannung der Druckluft in einer Turbine wieder gewonnen werden. Da die Temperatur der zu verdichtenden Luft und deren Temperatur im Druckspeicher letztlich meist annähernd gleich sind, ist die innere Energie der Luft vor und nach der Kompression in etwa die gleiche, denn die innere Energie ist proportional der Luftmasse und der absoluten Temperatur. Die gesamte für die Kompression aufgebrachte mechanische Energie wird in diesem Fall also in Wärme umgewandelt. Ein guter Zykluswirkungsgrad kann erreicht werden, wenn die bei der Kompression anfallende Wärme gespeichert und beim Expandieren wieder an die Druckluft abgegeben wird.

[0004] Bei den sogenannten adiabaten Druckluftspeicherkraftwerken wird deshalb die anfallende Wärme in Wärmespeichern gespeichert und bei der Expansion an die Druckluft zurückgegeben (siehe zum Beispiel Patentschriften US 2013/ 0 232 974 oder WO 2013 131 202). Mit solchen Anlagen können angeblich Zykluswirkungsgrade von ca. 70% erreicht werden.

[0005] Adiabate Druckluftspeicherkraftwerke können unter anderen folgende Merkmale aufweisen:

a) Das Druckluftspeicherkraftwerk arbeitet mit einem Gleichdruckspeicher. Da Wasser als Verdrängungsmedium verwendet wird, kommen keine Salzstöcke in Frage (siehe L. Jarass: Strom aus Wind. Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1981).

Eine besondere Art von Gleichdruckspeichern wird der Patentschrift CN 102 839 995 vorgeschlagen: Die Luft wird in eine Art Caisson, einen Senkkasten, in grosser Wassertiefe bei nahezu konstantem Druck gepumpt und wieder aus ihm entnommen. Der Senkkasten muss dabei im Gegensatz zu den gemäss der Patentschrift DE 10 2011 118 206 notwendigen Unterwasserspeichern nicht sehr drucktest sein, weil die Differenz zwischen Aussen- und Innendruck relativ klein ist.

b) Das Druckluftspeicherkraftwerk arbeitet mit einem Gleitdruckspeicher: Je mehr Luft in den Speicher - zum Beispiel eine Salzkaverne - gepumpt wird, desto mehr steigt der Druck an. Diese veränderlichen Druckverhältnisse machen die Steuerung der Kompressoren bzw. Expansionsmaschinen komplizierter und wirken sich negativ auf den Zykluswirkungsgrad aus.

c) Um einen guten Zykluswirkungsgrad zu erreichen, werden grosse Wärmespeicher und bei indirekten Wärmespeichern zusätzlich Wärmetauscher benötigt.

d) Direkte Wärmespeicher müssen drucktest sein. Je grösser der Luftdruck ist, desto aufwendiger ist ihre Herstellung.

Eine mögliche Lösung dieses Problems wird in der Patentschrift WO 2013 131 202 vorgeschlagen: Der Wärmespeicher wird in den Druckspeicher integriert.

e) Die Wärmespeicher, vor allem die Hochtemperatur-Wärmespeicher, können bei langer Speicherzeit viel Wärmeenergie verlieren.

f) Viele adiabate Druckluftspeicherkraftwerke arbeiten im Temperaturbereich von über 500 °C, was an die Konstruktion von Kompressoren, Expansionsmaschinen, Wärmetauschern und Wärmespeichern hohe Anforderungen stellt.

[0006] Das nachfolgende Beispiel eines grösseren adiabaten Druckluftspeicherkraftwerks mit Gleichdruckspeicher illustriert, welche Grössenordnung die zu speichernde Wärmemenge annehmen kann:

Umgebungstemperatur und Temperatur im Druckspeicher: 20 °C

CH 714 713 A2

Umgebungsdruck p₀: 1 bar

Speichervolumen V: 300 000 m³; Druck p_max im Speicher: 55 bar [0007] Die innere Energie U der Luft (zweiatomiges Gas) vor und nach der Kompression beträgt bei vollem Speicher entsprechend der allgemeinen Gasgleichung demnach:

U = f/2 * n*R‘T = f/2 * Pma_x * V = 2,5 * 300 000 m³ * 55 bar = ca. 1150 MWh f Anzahl Freiheitsgrade (5 für Luft) n Stoffmenge (Masse der Luft geteilt durch molare Masse der Luft)

R Molare Gaskonstante

T Absolute Temperatur [0008] Für die beiden Extremfälle «isotherme Kompression» und «einstufige adiabatische Kompression» wären die anfallenden Wärmemengen:

- Isotherme Kompression: Wärmemenge = p_max * V * ln(p_max/po) = ca. 1840 MWh.

- Einstufige adiabatische Kompression: Die Luft würde auf ca. 650 °C erwärmt, und die anfallende Wärmemenge wäre ca. 3440 MWh.

[0009] Die Zahlen zeigen, dass für grosse adiabate Druckluftspeicherkraftwerke grosse Wärmemengen gespeichert werden müssen, um einen guten Zykluswirkungsgrad erzielen zu können. Dazu braucht es grosse Mengen eines Wärmespeichermediums. Es sollte daher kostengünstig und in grossen Mengen verfügbar sein, damit ein wirtschaftlicher Betrieb möglich ist. Ein gut verfügbares, kostengünstiges, umweltverträgliches und chemisch stabiles Wärmespeichermedium mit grosser spezifischer Wärmekapazität ist Wasser. Das erfindungsgemässe Druckluftspeicherkraftwerk arbeitet deshalb mit diesem Speichermedium. Das Kraftwerk muss deshalb mehrstufig sein und arbeitet in jeder Stufe mit einer vergleichbaren adiabatischen Verdichtung bzw. Entspannung und Zwischenkühlung bzw. -erwärmung mit der Hilfe von Wärmetauschern. Ein solches Speicherkraftwerk wird im «Abschlussbericht Adiabates Niedertemperatur-Druckluftspeicherkraftwerk zur Unterstützung der Netzintegration von Windenergie» geschildert (erstellt von Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, November 2012).

[0010] Neben dem Nachteil der Mehrstufigkeit haben adiabate Niedertemperatur-Druckluftspeicherkraftwerke, welche mit Wasser als Wärmespeichermedium arbeiten, einige Vorteile:

- Gut verfügbares, kostengünstiges, umweltverträgliches und chemisch stabiles Wärmespeichermedium mit grosser spezifischer Wärmekapazität; sie ist ca. zwei Mal so gross ist wie die in direkten Speichern verwendeten Schüttgüter.

- Das Speichermedium besteht aus einem Fluid, was in Verbindung mit Wärmetauschern nicht druckbeaufschlagte Wärmespeicher möglich macht.

- Die Langzeitenergiespeicherung ist mit geringem konstruktivem Aufwand möglich.

- Keine einzige Anlagenkomponente wird temperaturmässig stark belastet, was einen entsprechend geringen konstruktiven Aufwand zur Folge hat.

- Es können «KompEx»-Maschinen verwendet werden, die als Verdichter und Expansionsmaschinen arbeiten können. [0011] Im Gegensatz zu den gängigen adiabaten Niedertemperatur-Druckluftspeicherkraftwerken mit aufwendigen, meist druckbeaufschlagten «Zwei-Tank-Systemen» arbeiten erfindungsgemässe mit wirtschaftlicheren, nichtdruckbeaufschlagten «Ein-Tank-Systemen.» Damit wird der für den Wärmespeicher notwendige Raum optimal ausgenützt und gleichzeitig der konstruktive Aufwand vermindert. In den Fig. 1 bis 5 werden erfindungsgemässe Druckluftspeicherkraftwerke dargestellt.

Fig. 1 : Druckluftspeicherkraftwerk mit Gleichdruckspeicher während der Kompressionsphase, mit nicht druckbeaufschlagtem Wasser-Wärmespeicher.

Fig. 2: Druckluftspeicherkraftwerk mit Gleichdruckspeicher während der Expansionsphase, mit nicht druckbeaufschlagtem Wasser-Wärmespeicher.

Fig. 3: Druckluftspeicherkraftwerk mit Gleitdruckspeicher während der Kompressionsphase, mit nicht druckbeaufschlagtem Wasser-Wärmespeicher.

Fig. 4: Druckluftspeicherkraftwerk mit Gleitdruckspeicher während der Expansionsphase, mit nicht druckbeaufschlagtem Wasser-Wärmespeicher.

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Fig. 5: Nicht druckbeaufschlagter Wasser-Wärmespeicher für Wasser mit einer Temperatur über 100 °C.

[0012] Ein erfindungsgemässes «Ein-Tank-System» eines Niedertemperatur-Druckluftspeicherkraftwerks mit fünf KompEx-Maschinen 9 und mit einem Gleichdruckspeicher 10 wird in der Fig. 1 dargestellt. Es soll unter den folgenden, beispielhaften Bedingungen arbeiten:

Umgebungsdruck: 1 bar.

Temperatur der Luft vor der Kompression und im Druckspeicher: 20 °C.

Druckluftspeichervolumen: 300 000 m³ (wie z.B. im Kraftwerk Huntorf bei Bremen).

Druck im Gleichdruck-Luftspeicher: 55 bar.

Anzahl Stufen: 5

Druckerhöhung pro Stufe: ca. Faktor 2,23.

Adiabate Lufterwärmung bzw. -abkühlung in jeder Stufe: jeweils um 75 °C.

Maximal zu speichernde Wärmemenge: ca. 2060 MWh.

Notwendiges Wasservolumen: ca. 24 000 m³.

Weil die max. Lufttemperatur weniger als 100 °C beträgt, kann ein nicht druckbeaufschlagter Wärmespeicher 1 eingesetzt werden. Dies ist von Vorteil, wenn das notwendige Wärmespeichervolumen Tausende oder gar Zehntausende von Kubikmetern beträgt, denn die Fertigung von Druckbehältern ist nur bis zu Volumina von einigen hundert Kubikmetern wirtschaftlich.

[0013] Das Innere des erfindungsgemässen Wärmespeichers 1 mit der Wärmedämmung 7 muss die Form eines Prismas haben, vorzugsweise die Form eines geraden Prismas. Eine entlang der parallelen Seitenkanten verschiebbare, wärmegedämmte Platte 2 teilt den Wärmespeicher 1 in zwei Teile. Die Platte 2 schliesst an ihrem Umfang mit der Hilfe von Dichtungen immer dicht an die Mantelfläche des Prismas an. Ein Mechanismus 8 muss daher dafür sorgen, dass die räumliche Ausrichtung der Platte 2 immer erhalten bleibt. Im oberen Teil 3 des Wärmespeichers 1 befindet sich das heisse Wasser, im unteren Teil 4 das kalte Wasser. Während der Kompressionsphase wird das kalte Wasser zu den Wärmetauschern 5 gepumpt, von wo es, erhitzt, in den oberen Teil 3 des Tanks fliesst.

[0014] Fig. 2 zeigt das Druckluftspeicherkraftwerk während der Expansionsphase. Das heisse Wasser wird zu den Wärmetauschern 5 gepumpt, von wo es, abgekühlt, in den unteren Teil 4 des Tanks fliesst.

[0015] Während dieser Vorgänge wird die Platte 2 motorisch nach unten oder nach oben verschoben. Die Verschiebung kann beispielsweise durch den Druckunterschied zwischen Ober- und Unterseite der Platte gesteuert werden: Ist der Druck auf der Oberseite grösser als auf der Unterseite, wird die Platte nach unten gefahren - und umgekehrt. Falls die Platte 2 im Mittel die spezifische Dichte von Wasser hat, wird für die Verschiebung nur eine geringe Leistung benötigt. In diesem speziellen Fall kann sogar auf Versteilantriebe verzichtet werden: Die Verschiebung kann dann allein von der Differenz des Wasserdruckes zwischen der Ober- und Unterseite bewerkstelligt werden.

[0016] Ein gerader zylindrischer Wärmespeicher mit einer Höhe von ca. 30 m und einem inneren Durchmesser von ca. 32 m kann das notwendige Wasservolumen von ca. 24 000 m³ des oben geschilderten, beispielhaften Kraftwerks aufnehmen. Würde dieser Wärmespeicher, komplett gefüllt mit Wasser mit einer Temperatur von 95 °C, mit einem 20 cm dicken Dämmstoff mit einem k-Wert von 0,05 W/m/°K gedämmt, dann verlöre der Speicher über die innere Oberfläche von ca. 4600 m² bei einer Aussentemperatur von 20 °C während einer Woche eine Wärmemenge von ca. 15 MWh, was weniger als ein Prozent der gespeicherten Wärmemenge wäre.

[0017] Ein erfindungsgemässes «Ein-Tank-System» eines Niedertemperatur-Druckluftspeicherkraftwerks mit Gleitdruckspeicher 11 wird in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Es soll unter den gleichen Bedingungen wie das oben geschilderte arbeiten, mit den folgenden Ausnahmen:

Druckluftspeichervolumen: 680 000 m³.

Minimaler/maximaler Druck im Luftspeicher: 24,7/55 bar.

Die letzte Stufe (5. Stufe) arbeitet in der Kompressionsphase im Gleitbetrieb.

Maximal durch die ersten vier Stufen erzeugte Wärmemenge: ca. 2060 MWh.

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Von der 5. Stufe erzeugte Wärmemenge bei der Kompression der Druckluft vom minimalen auf den maximalen Druck: ca. 285 MWh.

Theoretischer Zykluswirkungsgrad (ohne anderweitige Verluste): ca. 88%.

[0018] Der Gleitdruckspeicher kann im Gegensatz zu einem Gleichdruckspeicher nur teilweise genutzt werden - vorliegend im Druckbereich 24,7 bis 55 bar. Deshalb muss er im Vergleich zum ersten Beispiel mehr als zwei Mal so gross sein, um die gleiche Energie speichern zu können.

[0019] Wie die Fig. 3 zeigt, arbeitet die letzte Stufe in der Kompressionsphase mit einem Kompressor im Gleitbetrieb, um die Verluste klein zu halten. Die dabei entwickelte Wärme wird nicht gespeichert, sondern über einen Wärmetauscher 6 an die Umwelt abgegeben oder anderweitig genutzt.

[0020] Fig. 4 zeigt, dass in der Expansionsphase die Luft aus dem Speicher 11 mit Hilfe einer Drossel 12 auf einen Druck von 24,7 bar gedrosselt werden muss.

[0021] Fig. 5 zeigt den nicht druckbeaufschlagten Wassertank 1 eines Druckluftspeicherkraftwerks mit den folgenden Daten:

Volumen des Gleitdruckspeichers: 300 000 m³.

Minimaler/maximaler Druck im Luftspeicher: 22/61 bar.

Anzahl Stufen: 4

Druckerhöhung pro Stufe: ca. Faktor 2,8.

Adiabate Lufterwärmung bzw. -abkühlung in den Stufen 1-3: jeweils um 100 °C.

Die letzte Stufe arbeitet in der Kompressionsphase im Gleitbetrieb.

Claims

Maximal durch die ersten drei Stufen erzeugte Wärmemenge: ca. 1170 MWh.

Von der letzten Stufe erzeugte Wärmemenge bei der Kompression der Druckluft vom minimalen auf den maximalen Druck: ca. 220 MWh.

Theoretischer Zykluswirkungsgrad (ohne anderweitige Verluste): ca. 84%.

[0022] Ein zylindrischer Tank mit einem inneren Durchmesser von ca. 30 m und einer Höhe von ca. 14 m könnte die entsprechende Menge des Wassers mit einer Temperatur von 120 °C aufnehmen. Da der Dampfdruck des Wassers bei dieser Temperatur ca. 2 bar beträgt, muss das Heisswasser immer von einer mindestens 10 m hohen Schicht von kaltem Wasser überdeckt sein; die Höhe des Tanks muss deshalb mindestens 24 m sein.

Patentansprüche

1. Das mehrstufige, adiabate Niedertemperatur-Druckluftspeicherkraftwerk arbeitet mit Wasser als Wärmespeichermedium und einem nicht druckbeaufschlagten Ein-Tank-Wärmespeicher, welcher durch die folgenden Eigenschaften gekennzeichnet ist:

- Das Innere des Wärmespeichers hat eine prismatische Form.

- Eine wärmegedämmte Platte oder mehrere davon sind entlang der parallelen Seitenkanten parallel verschiebbar.