DE102007045888B4

DE102007045888B4 - Process for conversion and storage of regenerative energy

Info

Publication number: DE102007045888B4
Application number: DE200710045888
Authority: DE
Inventors: Bodo Dr.-Ing. Wolf; Walter Dr.-Ing. Nestler
Original assignee: EA ENERGIEARCHITEKTUR GmbH
Current assignee: EA ENERGIEARCHITEKTUR GmbH
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2027-09-26
Also published as: EP2067942A2; DE102007045888A1; EP2067942A3; EP2067942B1

Abstract

Verfahren zur Umwandlung und Speicherung von regenerativer Energie oder anderer überschüssiger Energie bei dem eine Flüssigkeit in einem reversiblen Kreisprozess als Speichermedium verwendet wird, das zyklisch mechanisch in ein Druckgefäß, dass mit Gas oder Dampf eines Arbeitsmittels gefüllt ist, der unter gegenüber Umgebungsdruck höherem Druck steht, gehoben und danach unter Gewinn von technischer Arbeit wieder abgelassen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium in einem ersten Schritt, der Beladung, durch Zuführung von technischer Arbeit im Druck so angehoben wird, dass es in ein Druckgefäß strömt und dort befindliches dampfförmiges Arbeitsmittel aus diesem verdrängt und der Dampf des Arbeitsmittels an Flächen, die durch das Speichermedium oder ein anderes Kühlmittel indirekt gekühlt werden, kondensiert und danach im flüssigen Zustand gespeichert wird, bevor es in einem zweiten Schritt, der Entladung, durch indirekte Zuführung von Wärme des Speichermediums oder eines anderen Wärmeträgers wieder verdampft, in das Druckgefäß geleitet und das dort befindliche Speichermedium, das durch...Method for converting and storing regenerative energy or other surplus energy in which a liquid in a reversible cycle is used as a storage medium that is mechanically cycled into a pressure vessel filled with gas or vapor of a working medium which is under higher pressure than ambient pressure, lifted and then released with profit of technical work again, characterized in that the storage medium is raised in a first step, the loading by supplying technical work in the pressure so that it flows into a pressure vessel and there befindlichem vaporous working fluid from this displaced and the vapor of the working fluid to areas that are indirectly cooled by the storage medium or other coolant, condensed and then stored in the liquid state, before it in a second step, the discharge, by indirect supply of heat of Speicherme diums or other heat carrier vaporized again, passed into the pressure vessel and the storage medium located there, which is ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung und Speicherung von regenerativer oder anderer zyklisch anfallender Elektroenergie, z. B. gewonnen aus solarer Strahlung, Wind- und Wasserkraft, aus Geothermie oder Abwärme technischer Prozesse, zu deren Nutzung für die bedarfsgerechte Versorgung mit Elektro- und Wärmeenergie.The The present invention relates to a process for the conversion and Storage of regenerative or other cyclical Electric power, z. B. derived from solar radiation, wind and water power, from geothermal or waste heat technical processes, for their use for the needs-based supply with electrical and thermal energy.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die lokal kommunale, gewerbliche, industrielle und sonstige Versorgung mit Elektro- und Wärmeenergie. Beim Stand der Technik der Energieversorgung ist die zentrale Umwandlung von fossilen Brennstoffen, von Wasserkraft und Kernenergie in Elektroenergie in großen Kraftwerken und die Fortleitung der Elektroenergie über elektrische Höchst- und Hochspannungsnetze und deren Verteilung über Mittel- und Niederspannungsnetze dominierend. Die dezentrale Energieversorgung mit ihrem Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung sowie der Nutzung biogener Brennstoffe wird gemessen an den gegebenen Möglichkeiten ungenügend genutzt. Daraus resultiert, wie in der Zeitschrift BWK – DAS ENERGIE-FACH-MAGAZIN 10 2006, Seite 6 bis 11 dargestellt, ein hoher Handlungsbedarf auf dem Gebiet der Kraft-Wärme-Kopplung.The Field of application of the invention is the local municipal, commercial, industrial and other supply of electrical and thermal energy. At the State of the art of energy supply is the central transformation from fossil fuels, from hydropower and nuclear energy to electric power in huge Power plants and the transmission of electrical energy via electrical maximum and high voltage networks and their distribution over medium and low voltage networks dominant. The decentralized energy supply with its advantage the combined heat and power and the use of biogenic fuels is measured by the given Possibilities used insufficiently. As a result, as in the journal BWK - DAS ENERGIE-FACH-MAGAZIN 10 2006, pages 6 to 11, a high need for action the field of combined heat and power.

Unabhängig vom Wettbewerb dieser konkurrierenden Energieversorgungsvarianten ist der Stand der Technik der Energieversorgung dadurch gekennzeichnet, dass Kapitalaufwand und damit Kapitaldienst sowie Betriebswirtschaft und klimarelevanter Brennstoffbedarf einen möglichst kontinuierlichen Betrieb erfordern, die Endkunden der Energieversorger aber die Energieabnahme und damit den zeitlichen Energiebedarf bestimmen. Daraus ergibt sich, dass beispielhaft in Deutschland die installierten Kapazitäten der Kraftwerke und elektrischen Netze im Jahre 2004 nur zu etwa 60% im Jahresdurchschnitt genutzt wurden (Lutz Peters, Klima 2055, ISBN 978-3-7892-8204-1), während in Schwachlastzeiten deutlich niedri gere Auslastungen üblich sind und bei Höchstlast kaum Systemreserven zur Verfügung stehen. Besondere Konflikte ergeben sich aus der Entwicklung der Elektroenergieerzeugung aus Windkraft, weil die zeitliche Verfügbarkeit dieser Elektroenergie ungenügend planbar und deren Einspeisung auch dann erforderlich ist, wenn in Schwachlastzeiten die konventionellen Kraftwerke bereits im unteren Bereich ihrer Betriebssicherheit gefahren werden. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit der Elektroenergiespeicherung zwischen Elektroenergieerzeugung und -anwendung. Diese Notwendigkeit der Energiespeicherung und die dafür zur Verfügung stehenden technischen Lösungen werden in der Zeitschrift „Solarzeitalter” 4/2006 von Sauer dokumentiert.Independent of Competition of these competing energy supply variants the state of the art of the power supply characterized in that capital expenditure and thus capital service as well as business administration and climate-relevant fuel demand as continuous as possible operation the end customers of the energy providers but the energy decrease and thus determine the temporal energy requirement. It results itself that in Germany the installed capacities of the Power plants and electrical networks in 2004 only about 60% were used on an annual average (Lutz Peters, Klima 2055, ISBN 978-3-7892-8204-1), while In low-load periods significantly lower loadings are common and at maximum load hardly any system reserves available stand. Special conflicts arise from the development of the Electric power generation from wind power because of time availability this electrical energy insufficient can be planned and their supply is required even if in Low load times the conventional power plants already in the lower range be driven their operational safety. This results in the Necessity of electric energy storage between electric power generation and application. This need of energy storage and the for that disposal standing technical solutions become in the magazine "solar age" 4/2006 documented by Sauer.

So ist aus der US 2 942 411 eine Anordnung zur kontinuierlichen Erzeugung von mechanischer Energie aus Solarenergie bekannt, wobei in einem ersten Kreissystem mittels Solarenergie Wasserdampf zum Betrieb einer Dampfturbine erzeugt wird, welche einen Gaskompressor in einem zweiten separaten Kreissystem antreibt. Das komprimierte Gas wird hauptsächlich zum Betrieb eines pneumatischen Motors genutzt, an welchen z. B. ein Generator zur Stromerzeugung angeschlossen ist. Ein Teil des komprimierten Gases wird einem Hockdruckspeicher zugeführt, um somit Ausfallzeiten bei der Solarenergiegewinnung überbrücken zu können.So is out of the US 2,942,411 an arrangement for the continuous production of mechanical energy from solar energy is known, wherein in a first circuit system by means of solar energy water vapor for the operation of a steam turbine is generated, which drives a gas compressor in a second separate circuit system. The compressed gas is mainly used for the operation of a pneumatic motor, to which z. B. a generator is connected to generate electricity. A portion of the compressed gas is fed to a high-pressure accumulator, so as to be able to bridge downtime in the solar energy production.

Langfristige Energieszenarien, z. B. von Royal Dutch/-Shell Gruppe, Energy Needs, Choices and Possibilities – Scenarios to 2050, London, 2001, zeigen, dass der sich vervielfachende Energiebedarf nur mit Hilfe regenerativer Energie gedeckt werden kann.Long-term Energy scenarios, eg. By Royal Dutch / Shell Group, Energy Needs, Choices and Possibilities - Scenarios to 2050, London, 2001, show that the multiplying energy demand only can be covered by regenerative energy.

Diese Entwicklung erfordert eine revolutionäre Veränderung der Technik der globalen und regionalen Energieversorgung, verbunden mit dem Ausbau der Energiespeicherung. Das betrifft insbesondere neue Methoden für die Abschöpfung von weltweit verteilter, ergiebiger regenerativer Energiequellen durch Umwandlung regenerativer Energie in chemisch gebundene Energie bzw. durch Umwandlung der Verbrennungsprodukte Kohlendioxid und Wasser in erneuerbare synthetische Brenn- und Kraftstoffe wie von B. Wolf in „Öl aus Sonne – Die Brennstoffformel der Erde” (ISBN 3-920328-49-3) beschrieben und die lokale Speicherung und Rückgewinnung von Energie, z. B. mit Hilfe reversibler thermischer Kreisprozesse, die zyklisch alternativ als Wärmepumpen- oder Kraftprozesse betrieben werden, wie sie in WO 2007/093277 A1 beschrieben sind.This development requires a revolutionary change in the technology of global and regional energy supply, combined with the expansion of energy storage. This concerns in particular new methods for the extraction of globally distributed, abundant regenerative energy sources by converting regenerative energy into chemically bound energy or by converting the products of combustion carbon dioxide and water into renewable synthetic fuels such as B. Wolf in "Oil from the Sun - The Earth's Fuel Formula "(ISBN 3-920328-49-3) and describes the local storage and recovery of energy, e.g. B. by means of reversible thermal cycling processes that are cyclically alternatively operated as heat pump or force processes, as in WO 2007/093277 A1 are described.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Methode bereitzustellen, die geeignet ist zyklisch anfallende Elektroenergie, insbesondere aus regenerativer Energie, in solche Energieformen umzuwandeln, die wirtschaftlich über ausreichende Zeit speicherbar sind und es ermöglichen, bedarfsgerecht Elektro- und Wärmeenergie zur Verfügung zu stellen.The The object of the invention is to provide a method which is suitable cyclically occurring electrical energy, in particular from regenerative energy, to transform into such forms of energy, the economically over can be stored for a sufficient period of time and allow electrical and heat energy to disposal to deliver.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem Elektroenergie in ein kombiniertes Energiesystem, bestehend aus fühlbarer und latenter Wärmeenergie und latenter mechanischer Energie, umgewandelt wird, aus dem über Umwandlung in kinetische Energie bedarfsgerecht Elektroenergie, auch unter Auskopplung von Wärmeenergie, gewonnen werden kann.According to the invention this Task solved by Electric energy in a combined energy system consisting of palpable and latent heat energy and latent mechanical energy is converted from that via transformation in kinetic energy as needed electric power, even under Extraction of heat energy, can be won.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet zur Speicherung von regenerativer Energie oder anderer überschüssiger Energie eine Flüssigkeit in einem reversiblen Kreisprozess als Speichermedium, das zyklisch mechanisch in ein Druckgefäß, das mit Gas oder Dampf eines Arbeitsmittels gefüllt ist, der unter gegenüber Umgebungsdruck höherem Druck steht, gehoben und danach unter Gewinn von technischer Arbeit wieder abgelassen wird, und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium in einem ersten Schritt, der Beladung, durch Zuführung von technischer Arbeit im Druck so angehoben wird, dass es ein im Druckgefäß befindliches dampfförmiges Arbeitsmittel aus diesem verdrängt und der Dampf des Arbeitsmittels an Flächen, die durch das Speichermedium oder ein anderes Kühlmittel indirekt gekühlt werden, kondensiert und danach im flüssigen Zustand gespeichert wird, bevor es in einem zweiten Schritt, der Entladung, durch indirekte Zuführung von Wärme des Speichermediums oder eines anderen Wärmeträgers wieder verdampft, in das Druckgefäß geleitet und das dort befindliche Speichermedium unter Abgabe von technischer Arbeit aus diesem wieder verdrängt. Dabei ist die Verwendung von Wasser als Speichermedium und die von Kohlendioxid als Arbeitsmittel bevorzugt.The method according to the invention uses a liquid in a reversible cycle as a storage medium for storing regenerative energy or other excess energy which is cyclically mechanically lifted into a pressure vessel filled with gas or vapor of a working fluid which is under higher pressure than ambient pressure, and thereafter discharged to recover technical work, and characterized in that the storage medium in a first Step, the loading, is raised by supplying technical work in the pressure so that it displaces a pressure vessel located in the vaporous working agent and the vapor of the working fluid on surfaces, which are indirectly cooled by the storage medium or another coolant, condensed and thereafter is stored in the liquid state, before it evaporates again in a second step, the discharge, by indirect supply of heat of the storage medium or another heat carrier in the pressure vessel and the storage medium located there displaced under release of technical work from this again. The use of water as the storage medium and of carbon dioxide as a working medium is preferred.

Ebenfalls bevorzugt ist, einzeln oder in Kombination,

– die alternative Abführung der Kondensationswärme des Arbeitsmittels während der Beladung an eine externe Wärmesenke,
– die alternative Zuführung von externer Wärmeenergie während der Entladung für die Verdampfung des Arbeitsmittels,
– den Druck des Arbeitsmittels im Druckgefäß während der Beladung durch Absaugung zu senken und während der Beladung durch Kompression zu erhöhen,
– das während der Entladung nach der Wärmezuführung vorliegende dampfförmige Arbeitsmittel vor seiner Einleitung in das mit Speichermedium gefüllte Druckgefäß unter Abgabe von mechanischer Energie im Druck abzusenken, oder aber unter Einkopplung von mechanischer Energie durch Kompression im Druck anzuheben und danach mit oder ohne Auskopplung von Wärmeenergie in das Druckgefäß zu leiten,
– die Verdampfung des Arbeitsmittels auf einem Temperaturniveau durchzuführen, wie es für Kühl- oder Frostungsprozesse erforderlich ist,
– im Zuge der Beladung dem Arbeitsmittelspeicher direkt Wärme zuzuführen, die den Druck im Arbeitsmittelspeicher so erhöht, dass zwischen Arbeitsmittelspeicher und Rekuperator die Zuführung von mechanischer Energie durch eine Pumpe nicht erforderlich ist

Also preferred, individually or in combination,

The alternative removal of the heat of condensation of the working fluid during loading to an external heat sink,
The alternative supply of external heat energy during the discharge for the evaporation of the working medium,
To reduce the pressure of the working fluid in the pressure vessel during the loading by suction and to increase it during the loading by compression,
- Lowering the existing during the discharge after the heat supply vaporous working fluid prior to its introduction into the storage medium filled pressure vessel with release of mechanical energy in the pressure, or lift under the coupling of mechanical energy by compression in the pressure and then with or without extraction of heat energy in direct the pressure vessel,
To carry out the evaporation of the working fluid at a temperature level as required for cooling or freezing processes,
- In the course of loading the working fluid store to supply heat directly, which increases the pressure in the working fluid reservoir so that between working fluid accumulator and recuperator, the supply of mechanical energy by a pump is not required

Standortgebundene Pumpspeicherwerke erreichen Rückgewinnungsgrade von 75 bis 80%. Der standortunabhängige TKV-Druckwasserprozess kann beim heutigen Stand der Maschinen- und Apparatetechnik Wirkungsgrade von 70%, mit verbesserter Maschinentechnik sicherlich 75%, erreichen.location bound Pumped storage plants achieve recovery rates from 75 to 80%. The location-independent TKV pressurized water process can at today's level of machine and apparatus engineering efficiencies of 70%, with improved machine technology certainly 75%.

Der wirtschaftliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass man regenerative Energie durch Umwandlung in mechanische und thermische Energie über lange Zeit mit geringen Verlusten speicherbar macht, was eine bedarfsgerechte Versorgung mit Elektroenergie und Wärme auf Basis regenerativer Energie ermöglicht.Of the economic advantage of the invention is that one regenerative Energy through conversion into mechanical and thermal energy over a long time Time with low losses makes storable what a needs-based Supply of electric energy and heat based on regenerative energy allows.

Die Erfindung soll anhand der folgenden Beispiele näher veranschaulicht werden, ohne sie jedoch auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken.The Invention will be illustrated by the following examples, without, however, to the specific embodiments described to restrict.

Beispiel 1example 1

Die Beschreibung erfolgt anhand 1 und illustriert die standortunabhängige Anwendung der Erfindung für die Umwandlung von regenerativer oder anderer überschüssiger Energie in speicherbare mechanische Energie und deren Rückumwandlung in Elektroenergie für die bedarfsgerechte Versorgung.The description is based on 1 and illustrates the site-independent application of the invention for the conversion of regenerative or other excess energy into storable mechanical energy and its re-conversion into electrical energy for on-demand care.

Bei Beginn der Beladung hat das Speichermedium Wasser eine Temperatur von 10°C und befindet sich im Becken 1. Der Druckwasserspeicher 4 steht unter einem Druck von 45 bar und ist mit Kohlendioxiddampf gefüllt. Die Pumpe 2 entnimmt das Wasser aus dem Becken 1 und hebt den Wasserdruck auf 45 bar und danach gleitend auf den für die Wärmeabgabe an das Speichermedium Wasser erforderlichen Kondensationsdruck von 55 bar.At the beginning of loading, the storage medium water has a temperature of 10 ° C and is located in the basin 1 , The pressurized water tank 4 is under a pressure of 45 bar and is filled with carbon dioxide vapor. The pump 2 takes the water out of the basin 1 and raises the water pressure to 45 bar and then sliding on the required for the heat transfer to the storage medium water condensation pressure of 55 bar.

Das Druckwasser strömt durch den Rekuperator 3 und verdrängt den Kohlendioxiddampf aus dem Druckwasserspeicher 4. Der verdrängte Kohlendioxiddampf strömt durch den Rekuperator 3 und kondensiert dort unter einem Druck von 54,7 bar, entsprechend einer Kondensationstemperatur von 18°C unter Abgabe seiner Kondensationswärme an das Wasser, wodurch die Wassertemperatur um ca. 6 K steigt. Das nun flüssige Kohlendioxid wird im Arbeitsmittelspeicher 5 gelagert. Der Dampfraum 6 des Arbeitsmittelspeichers 5 ist zum Zwecke des Druckausgleiches mit dem Rekuperator 3 und dem Druckwasserspeicher 4 verbunden. Die Volumendifferenz zwischen flüssigem und dampfförmigem Kohlendioxid beträgt bei einer Kondensationstemperatur von 18°C 4,3 m³/t, so dass pro t Kohlendioxid 4,3 m³ Wasser unter einem Druck von 54,7 bar gespeichert werden können. Die Entladung beginnt mit dem Ableiten des Wassers aus dem Druckwasserspeicher 4 über den Rekuperator 3 und die Druckwasserturbine 7, was zur Flashverdampfung von Kohlendioxid im Arbeitsmittelspeicher 5 führt und der Zuführung von flüssigem Kohlendioxid aus dem Arbeitsmittelspeicher 5 zum Rekuperator 3.The pressurized water flows through the recuperator 3 and displaces the carbon dioxide vapor from the pressurized water storage tank 4 , The displaced carbon dioxide vapor flows through the recuperator 3 and condenses there under a pressure of 54.7 bar, corresponding to a condensation temperature of 18 ° C while releasing its heat of condensation to the water, whereby the water temperature rises by about 6 K. The now liquid carbon dioxide is stored in the working fluid 5 stored. The steam room 6 of the working medium memory 5 is for the purpose of pressure equalization with the recuperator 3 and the pressurized water storage 4 connected. The volume difference between liquid and vapor carbon dioxide is at a condensation temperature of 18 ° C 4.3 m ³ / t, so that per ton of carbon dioxide 4.3 m ^{3 of} water can be stored under a pressure of 54.7 bar. The discharge begins with the discharge of the water from the pressurized water storage tank 4 over the recuperator 3 and the pressurized water turbine 7 , which is the Flashverdampfung of carbon dioxide in the working fluid storage 5 leads and the supply of liquid carbon dioxide from the working fluid reservoir 5 to the recuperator 3 ,

Durch die Flashverdampfung des Kohlendioxids kühlt sich das Arbeitsmittel im Arbeitsmittelspeicher auf 10°C, entsprechend einem Dampfdruck von 45 bar ab. Dieser Druck wird im System gehalten durch die Übertragung von Wärme vom Druckwasser an flüssiges Kohlendioxid im Rekuperator 3, wodurch sich das Wasser wieder auf 10°C abkühlt.Due to the flash evaporation of the carbon dioxide, the working fluid cools in Arbeitsmittelspei at 10 ° C, corresponding to a vapor pressure of 45 bar. This pressure is maintained in the system by the transfer of heat from the pressurized water to liquid carbon dioxide in the recuperator 3 , causing the water to cool back to 10 ° C.

Beispiel 2Example 2

Eine deutliche verfahrenstechnische Überlegenheit gegenüber Pumpspeicherwerken erreicht der TKV-E Prozess an Standorten an denen Abwärme zur Verfügung steht, die üblicherweise über Rückkühlwerke an die Umgebung abgeführt wird. Ein Anwendungsbeispiel dieser Art zeigt 2.The TKV-E process achieves a clear procedural superiority over pumped storage plants at locations where waste heat is available, which is usually discharged to the environment via recooling plants. An application example of this type shows 2 ,

Bei dieser Anwendung des TKV-Prozesses verdrängt während der Beladung das von der Druckwasserpumpe 2 geförderte Wasser wie in Variante 1 den Kohlendioxiddampf aus dem Druckwasserspeicher 4, an der Turbomaschine 8 vorbei, hin zum Rekuperator 3. Hier gibt das Arbeitsmittel seine Kondensationswärme nicht an das Speichermedium Wasser, sonder an das Rückkühlwerk 10 ab. Zur besseren Vergleichbarkeit mit Variante 1 soll die Kondensationstemperatur ebenfalls 18°C betragen, was eine Kühlwassertemperatur von ca. 15°C und einen Wasserdruck von ca. 55 bar erfordert. Das im Rekuperator 3 anfallende flüssige Kohlendioxid wird im Arbeitsmittelspeicher 5 zwischengelagert. Die Beladung ist beendet, wenn der Druckwasserspeicher mit Wasser gefüllt ist. Die Entladung beginnt mit der Zuführung von Kohlendioxid aus dem Arbeitsmittelspeicher 5 zum Rekuperator 3 mit Hilfe einer Pumpe, wo das Kohlendioxid durch Zuführung von Wärme der Abwärmequelle 9, z. B. unter einem Druck von 80 bar verdampft und überhitzt wird. Das Kohlendioxid strömt dann in den Druckwasserspeicher 4 und drückt das Wasser mit einem Druck von 80 bar über die Druckwasserturbine 7.In this application of the TKV process displaces during loading of the pressurized water pump 2 subsidized water as in variant 1, the carbon dioxide vapor from the pressurized water tank 4 , at the turbo machine 8th over to the recuperator 3 , Here, the working fluid does not give its heat of condensation to the storage medium water, but to the recooling plant 10 from. For better comparability with variant 1, the condensation temperature should also be 18 ° C, which requires a cooling water temperature of about 15 ° C and a water pressure of about 55 bar. That in the recuperator 3 accumulating liquid carbon dioxide is stored in the working fluid reservoir 5 stored. The loading is completed when the pressurized water tank is filled with water. The discharge begins with the supply of carbon dioxide from the working fluid reservoir 5 to the recuperator 3 by means of a pump, where the carbon dioxide by supplying heat to the waste heat source 9 , z. B. is vaporized under a pressure of 80 bar and overheated. The carbon dioxide then flows into the pressurized water tank 4 and presses the water at a pressure of 80 bar over the pressurized water turbine 7 ,

Während beim Ausführungsbeispiel 1 das Verhältnis der Drücke für Entladung zu Beladung 45 bar zu 55 bar ist, was einem Verhältnis von 0,82 entspricht, erreicht Variante 2 ein Druckverhältnis von 80 zu 55 bar, was zu einem Druckverhältnis von 1,45 führt, was das Arbeitsvermögen des Druckwassers von 1,20 auf 2,1 kWh/t Wasser anhebt. Daraus ergibt sich bei gleichem Energiepotential eine Reduzierung des Volumens des Druckwasserspeichers um ca. 40%.While at embodiment 1 the ratio the pressures for discharge to load 45 bar to 55 bar, which corresponds to a ratio of 0.82, Variant 2 achieves a pressure ratio of 80 to 55 bar, which is to a pressure ratio of 1.45 leads, what the working capacity of pressurized water from 1.20 to 2.1 kWh / t of water. This results in at the same energy potential, a reduction in the volume of Pressurized water storage by about 40%.

Durch Einkopplung von Niedertemperaturabwärme wird es außerdem möglich den Umwandlungsverlust des erfindungsgemäßen Verfahrens auszugleichen, so dass die ausgespeiste elektrische Arbeit höher liegen kann, als die für die Speicherung zugeführte.By Coupling of low-temperature waste heat, it is also possible the To compensate for conversion loss of the method according to the invention, so that the output electrical work can be higher than that supplied for storage.

Sollte das Temperaturniveau der Abwärme eine Verdampfung und ausreichende Überhitzung des Arbeitsmittels nicht erlauben, dann ist, wie 2 zeigt, möglich, zwischen den Rekuperator 3 und den Druckwasserspeicher 4 eine Maschine 8 zu schalten, die den Druck im Druckwasserspeicher 4 während der Beladung senkt oder während der Entladung erhöht. Die Zweckmäßigkeit dieser Maßnahme ist standortspezifisch betriebswirtschaftlich zu bewerten.If the temperature level of the waste heat does not allow evaporation and sufficient overheating of the working fluid, then how 2 shows, possible, between the recuperator 3 and the pressurized water storage tank 4 a machine 8th to turn off the pressure in the pressurized water tank 4 lowers during loading or increases during unloading. The expediency of this measure is to be evaluated on a business-specific basis.

Ausführungsbeispiel 3embodiment 3

Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Alternative für ein konventionelles wärmegeführtes Heizkraftwerk, das z. B. einen Wärmespeicher und/oder ein Heiznetz mit einer Vorlauftemperatur von 120 bis 150°C und einer Rücklauftemperatur von 50 bis 60°C speist.These Variant of the method according to the invention is an alternative for a conventional heat-controlled cogeneration plant, the Z. B. a heat storage and / or a heating network with a flow temperature of 120 to 150 ° C and a Return temperature from 50 to 60 ° C fed.

Die Beschreibung dieser Variante des Verfahrens erfolgt mit Hilfe von 3.The description of this variant of the method is carried out with the aid of 3 ,

Die Beladung des Wärmespeichers 4 erfolgt mit Hilfe eines Wärmepumpenprozesses, dessen Maschine 7 Kohlendioxiddampf aus dem Rekuperator 3 saugt und verdichtet. Das für die Verdampfung erforderliche flüssige Kohlendioxid wird dem Rekuperator 3 aus dem Arbeitsmittelspeicher 5 zugeführt. Die für die Verdampfung des Kohlendioxides erforderliche Wärme liefert die Abwärmequelle 2 über den Rekuperator 3. Der im Verdichter 7 komprimierte Kohlendioxiddampf heizt im Rekuperator 9 Wasser auf, dass dem Wärmespeicher 4 und/oder dem Heiznetz 10 entnommen und nach Erwärmung wieder zugeführt wird.The loading of the heat storage 4 is done by means of a heat pump process, the machine 7 Carbon dioxide vapor from the recuperator 3 sucks and compacts. The required for evaporation liquid carbon dioxide is the recuperator 3 from the working fluid store 5 fed. The heat required to vaporize the carbon dioxide supplies the waste heat source 2 over the recuperator 3 , The one in the compressor 7 compressed carbon dioxide steam heats in the recuperator 9 Water on that heat storage 4 and / or the heating network 10 removed and recycled after heating.

Das Kohlendioxid kühlt sich dabei ab, wird über die Expansions-Turbomaschine 8 entspannt und verflüssigt, bevor es wieder dem Arbeitsmittelspeicher 5 und mit Beginn des neuen Zyklus dem Rekuperator 3 zugeführt wird.The carbon dioxide cools down, is via the expansion turbo engine 8th Relaxed and liquefied before returning to the resource store 5 and at the beginning of the new cycle the recuperator 3 is supplied.

Die Entladung des Wärmespeichers 4 erfolgt über das Heiznetz 10 und/oder über den Rekuperator 9. Das aus dem Arbeitsmittelspeicher 5 mit Hilfe der Pumpe 11 dem Rekuperator 9 zugeführte flüssige Arbeitsmittel verdampft im Rekuperator 9 und wird danach unter Abgabe von technischer Arbeit in der Maschine 7 entspannt und im Rekuperator 3 kondensiert. Die im Rekuperator 3 anfallende Kondensationswärme wird über das Rückkühlwerk an die Umgebung abgeführt.The discharge of the heat storage 4 takes place via the heating network 10 and / or the recuperator 9 , The from the resource store 5 with the help of the pump 11 the recuperator 9 supplied liquid working fluid evaporates in the recuperator 9 and is then submitting technical work in the machine 7 relaxed and in the recuperator 3 condensed. The in the recuperator 3 accumulating heat of condensation is dissipated via the recooling system to the environment.

Rekuperator 9, Expansionsmaschine 7, Rekuperator 3 und Rückkühlwerk 1 bilden bei der Entladung des Wärmespeichers einen Niedertemperaturkraftprozess, der beim Stand der Technik, bezogen auf die während der Beladung zugeführte Elektroenergie im Kondensationsbetrieb ohne Wärmeauskopplung einen Rückgewinnungsgrad von 50 bis 70% erreichen kann.recuperator 9 , Expansion machine 7 , Recuperator 3 and recooling plant 1 form during the discharge of the heat storage a low temperature power process, which can reach a degree of recovery of 50 to 70% in the prior art, based on the supplied during charging electric power in the condensation mode without heat extraction.

Wird keine Elektroenergie zurückgewonnen, sondern nur Wärme ausgekoppelt, dann kann eine Leistungszahl (ausgekoppelte Heizwärme zu für die Beladung aufgewendeter Elektroenergie) von bis größer 4 erreicht werden. Wird angenommen, dass 50% der dem Prozess während der Beladung zugeführten Elektroenergie für die Wärmeversorgung eingesetzt werden und die anderen 50% für die Rückgewinnung von Strom, dann kann diese Variante des TKV-KWK Prozesses als Heizkraftwerk im praktischen Betrieb eine Leistungszahl (rückgewonnene Elektroenergie plus abgegebene Prozess- und Heizwärme zu zugeführter Elektroenergie) von 2,0 bis 2,5 erreichen.Becomes no electrical energy recovered, but only heat decoupled, then a coefficient of performance (decoupled heating to heat for loading used electrical energy) of greater than 4 can be achieved. Becomes assumed that 50% of the electrical energy supplied to the process during loading for the heat supply be used and the other 50% for the recovery of electricity, then This variant of the TKV CHP process can be used as a combined heat and power plant Operation a coefficient of performance (recovered electrical energy plus delivered process and heating heat to supplied electric energy) from 2.0 to 2.5.

Beispiel 4Example 4

Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Kopplung der Beispiele 1 und 2. Das System verfügt somit über einen Druckwasser- und einen Wärmespeicher.These Variant of the method according to the invention is a coupling of Examples 1 and 2. The system thus has a Pressurized water and a heat storage.

Die Beschreibung des Ausführungsbeispiels erfolgt mit Hilfe der 4.The description of the embodiment is made with the aid of 4 ,

Während der Beladung drückt die Pumpe 13 Wasser in den unter Kohlendioxiddampf stehenden Druckwasserspeicher 12. Der verdrängte Kohlendioxiddampf wird im unterkritischen Zustand entweder im Rekuperator 3 durch Abführung von Wärme an das Rückkühlwerk 1 kondensiert und im flüssigem Zustand im Arbeitsmittelspeicher 5 zwischengelagert, oder dem Verdichter 7 zugeführt und dort auf überkritischen Druck komprimiert, im Rekuperator 9 durch Wärmeabgabe an den Wärmespeicher 4 oder das Heiznetz 10 gekühlt, danach in der Expansions-Turbomaschine 8 unter Abgabe von technischer Arbeit entspannt, verflüssigt und danach ebenfalls dem Arbeitsmittelspeicher 5 zugeführt.During loading, the pump pushes 13 Water in the standing under carbon dioxide vapor storage water heater 12 , The displaced carbon dioxide vapor is in the subcritical state either in the recuperator 3 by dissipating heat to the recooling plant 1 condensed and in the liquid state in the working fluid reservoir 5 stored intermediately, or the compressor 7 supplied and compressed there to supercritical pressure, in the recuperator 9 by heat transfer to the heat storage 4 or the heating network 10 cooled, then in the expansion turbo machine 8th under release of technical work relaxed, liquefied and then also the resource store 5 fed.

Im Zuge der Entladung gibt der Wärmespeicher 4 seine thermische Energie an das Heiznetz 10 ab und flüssiges Kohlendioxid aus dem Arbeitsmittelspeicher 5 wird durch die Pumpe 11 im Druck erhöht und unter Zuführung von Wärme aus der Abwärmequelle 2 im Rekuperator 3 verdampft.In the course of the discharge gives the heat storage 4 its thermal energy to the heating network 10 and liquid carbon dioxide from the working fluid reservoir 5 is through the pump 11 increased in pressure and with the supply of heat from the waste heat source 2 in the recuperator 3 evaporated.

Der Kohlendioxiddampf wird in den Druckwasserspeicher 12 geleitet, aus dem es das Wasser unter Abgabe von technischer Arbeit über die Druckwasserturbine 14 in das Wasserbecken 15 drückt und/oder über den Verdichter 7 und den Rekuperator 9 zur Versorgung des Heiznetzes 10 mit Prozess- und Heizwärme eingesetzt, bevor es wie bei der Beladung in der Expansions-Turbomaschine 8 unter Abgabe technischer Arbeit entspannt und verflüssigt dem Arbeitsmittelspeicher 5 zugeführt wird.The carbon dioxide vapor is in the pressurized water tank 12 from which it discharges the water with technical work on the pressurized water turbine 14 in the water basin 15 pushes and / or over the compressor 7 and the recuperator 9 to supply the heating network 10 used with process and heating heat before it as in loading in the expansion turbo machine 8th under discharge of technical work relaxed and liquefied the resource store 5 is supplied.

Bei einer Abwärmetemperatur der Wärmequelle 2 von 30°C und einer vom Rückkühlwerk 1 gesicherten Kühltemperatur von 15°C kann die für die Druckwasserspeicherung eingesetzte Elektroenergie annähernd vollständig zurückgewonnen und die Wärmeversorgung mit einer Vorlauftemperatur von 120°C entsprechend einer Leistungszahl von 4 realisiert werden.At a waste heat temperature of the heat source 2 of 30 ° C and one from the recooling plant 1 secured cooling temperature of 15 ° C, the electrical energy used for the pressurized water storage can be almost completely recovered and the heat supply with a flow temperature of 120 ° C corresponding to a coefficient of performance of 4 can be realized.

Claims

Method for converting and storing regenerative energy or other surplus energy in which a liquid in a reversible cycle is used as a storage medium that is mechanically cycled into a pressure vessel filled with gas or vapor of a working medium which is under higher pressure than ambient pressure, lifted and then released with profit of technical work, characterized in that the storage medium is raised in a first step, the loading, by supplying technical work in pressure so that it flows into a pressure vessel and there befindlichem vaporous working fluid from this displaced and the vapor of the working fluid to areas that are indirectly cooled by the storage medium or other coolant, condensed and then stored in the liquid state, before it in a second step, the discharge, by indirect supply of heat of Speichererm ediums or other heat carrier vaporized again, passed into the pressure vessel and the storage medium located there, which ensures its evaporation by heat transfer to the working fluid, displaced from it again under the submission of technical work.

Method according to claim 1, characterized in that that water is used as storage medium.

Method according to claim 1, characterized the carbon dioxide is used as work equipment.

Method according to Claims 1 to 3, characterized that the condensation heat of the working medium during Loading to an external heat sink dissipated becomes.

Method according to Claims 1 to 4, characterized that the evaporation of the working fluid during discharge by supplying external heat he follows.

Method according to Claims 1 to 4, characterized that the pressure of the working fluid in the pressure vessel during the loading by suction is lowered.

The method of claim 1 to 4, characterized ge indicates that the pressure of the working fluid is increased during loading by compression.

Method according to Claims 1 to 4, characterized that during the discharge after the heat supply present vaporous Working fluid prior to its introduction into the storage vessel filled with pressure vessel Release of mechanical energy is lowered in pressure.

Method according to Claims 1 to 4, characterized that by feeding from external heat energy evaporated working fluid with the introduction of mechanical energy raised in pressure and then with or without extraction of heat energy directed into the pressure vessel becomes.

Method according to Claims 1 to 9, characterized the evaporation of the working fluid at a temperature level is carried out, as is for Cooling or Frosting is required.

Method according to claims 1 to 10, characterized in that that the resource store during the loading of the pressurized water storage heat is supplied directly.