DE102008036527A1 - Thermischer Energiespeicher - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zur wechselweisen Ein- und Auspeicherung der im Primärkreislauf eines solarthermischen Kraftwerkes gewonnenen thermischen Energie mittels eines zwischen mehreren Speichertanks (T1, T2, T3) jeweils unter Durchströmen einer mit dem Primärkreislauf und/oder dem Dampf/Wasserkreislauf in Wirkverbindung stehenden Wärmeübertragungsvorrichtung (4a, 4b) partiell förderbaren sowie auf eine höhere Temperatur aufheizbaren oder auf eine niedrigere Temperatur abkühlbaren Wärmeträgermedium (5) soll eine Lösung geschaffen werden, die es ermöglicht, bei im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen gleicher Speicherkapazität die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, insbesondere einen geringeren Platzbedarf und eine geringere Aufstellfläche zu beanspruchen. Dies wird dadurch erreicht, dass mindestens einer der mehreren Speichertanks (T2) wechselweise zur Speicherung eines jeweils partiell geförderten Volumens des Wärmeträgermediums (5) im Zustand seiner höheren Temperatur und zur Speicherung eines jeweils partiell geförderten Volumens des Wärmeträgermediums (5) im Zustand seiner niedrigeren Temperatur genutzt wird.

Description

  • Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur wechselweisen Ein- und Ausspeicherung der im Primärkreislauf eines solarthermischen Kraftwerkes gewonnenen thermischen Energie mittels eines zwischen mehreren Speichertanks jeweils unter Durchströmen einer mit dem Primärkreislauf und/oder dem Dampf/Wasserkreislauf in Wirkverbindung stehenden Wärmeübertragungsvorrichtung partiell förderbaren sowie auf eine höhere Temperatur aufheizbaren oder auf eine niedrigere Temperatur abkühlbaren Wärmeträgermediums. Weiterhin richtet sich die Erfindung auf einen thermischen Energiespeicher eines solarthermischen Kraftwerks, der mehrere in Fluid leitender Verbindung miteinander stehende Speichertanks mit zugeordneter Fördereinrichtung und zugeordneter, mit dem Primärkreislauf und/oder dem Dampf/Wasserkreislauf des solarthermischen Kraftwerkes in Wirkverbindung stehender Wärmeübertragungsvorrichtung, wobei in den mehreren Speichertanks ein Volumen an partiell zwischen einzelnen Speichertanks unter Durchströmen der Wärmeübertragungsvorrichtung förderbarem sowie auf eine höhere Temperatur aufheizbarem oder auf eine niedrigere Temperatur abkühlbarem Wärmeträgermedium gelagert ist.
  • Im Zusammenhang mit der Speicherung von in solarthermischen Kraftwerken gewonnener Energie ist es bekannt, diese Energie mithilfe einer Salzschmelze als Wärmeträgermedium in Speichertanks zu speichern. Hierdurch ist es möglich, in der Sonnenphase während der Sonneneinstrahlung Energie in dem Wärmeträgermedium zu speichern und durch Umpumpen des Wärmeträgermediums unter Durchströmen einer Wärmeübertragungsvorrichtung diese Energie in Zeiten fehlender Sonneneinstrahlung an das die Solarkollektoren durchströmende weitere Wärmeübertragungsmedium oder den Dampf/Wasserkreislauf des Solarkraftwerkes abzugeben.
  • Das Wärmeübertragungsmedium des thermischen Energiespeichers wird nach diesem Entladevorgang in einem weiteren Speichertank des thermischen Energiespeichers gelagert. Für eine erneute Beladung wird dieses Wärmeübertragungsmedium dann wiederum in einen anderen oder auch den vorherigen Speichertank unter Durchströmen einer Wärmeübertragungsvorrichtung, in welcher während der Sonnenscheinphase das im Solarkraftwerk zirkulierende Wärmeübertragungsmedium Wärme bzw. Energie an das Wärmeübertragungsmedium des thermischen Energiespeichers überträgt, zurückgefördert.
  • Thermische Energiespeicher dieser Art sind aus der Praxis aus einem Solarkraftwerk (SEGS I) bekannt, das 1985 in Betrieb genommen wurde. Ein ebensolcher thermischer Energiespeicher ist weiterhin im Versuchskraftwerk Solar Two in Kalifornien im Einsatz. Auch für das im Bau befindliche Solar-Kraftwerk Andasol 1 ist ein thermischer Energiespeicher in Form eines Salzschmelzespeichers vorgesehen, der einen sechsstündigen Volllastbetrieb des solarthermischen Kraftwerkes Andasol 1 ohne Sonneneinstrahlung erlaubt. Dieser thermische Energiespeicher umfasst zwei Speichertanks und weist ein Salzinventar von insgesamt 28.000 t auf. Hierbei wird, wie in 1 dargestellt, in einem nach der Entladung „kalten” Salztank 1 das ausgekühlte Salz mit einer nominellen Temperatur von 292°C gelagert und wird nach der Beladung im „heißen” Salztank 2 das aufgeheizte Salz bzw. die aufgeheizte Salzschmelze mit einer nominellen Temperatur von 384°C gelagert. Zu Beginn der Ladephase befindet sich das Salzinventar bzw. die Salzschmelze im Salztank 1 und wird dann während einer Sonnenschein- und Ladephase mittels einer Fördervorrichtung 3 unter Durchströmung einer Wärmeübertragungsvorrichtung 4a, in welcher es mittels des weiteren, im Primärkreislauf des solarthermischen Kraftwerkes zirkulierenden Wärmeübertragungsmediums, üblicherweise ein Thermoöl, auf die Nominaltemperatur von ca. 384°C aufgeheizt wird, in den Salztank 2 als zweitem Speichertank gepumpt. In dem Salztank 2 wird die Salzschmelze so lange gelagert, bis dann während einer Phase ohne Sonnenschein die im rechten Teilbild der 1 dargestellte Entladephase beginnt. Hierbei wird die Salzschmelze umgekehrt zur Beladephase vom Salztank 2 in den Salztank 1 zurückgepumpt, wobei in der Wärmeübertragungsvorrichtung 4b die in der Salzschmelze bzw. dem Wärmeübertragungsmedium gespeicherte Wärme oder Energie an den Dampf/Wasserkreislauf des Kraftwerkes oder gegebenenfalls auch an das im Primärkreislauf des solarthermischen Kraftwerkes strömende weitere Wärmeübertragungsmedium abgegeben wird.
  • Die Auslegung eines solchen, mehrere Speichertanks umfassenden thermischen Energiespeichers hängt von den Einstrahlungsbedingungen am jeweiligen Standort des solarthermischen Kraftwerkes sowie von der mit dem Kraftwerk befriedigten Energienachfrage ab. Hierbei sind insbesondere die tageszeitliche und jahreszeitliche Energienachfrage und die daraus abgeleitete Energiebereitstellungsstrategie des Kraftwerksbetreibers von Bedeutung.
  • Aufgrund von anlagentechnisch bedingten Rahmenparametern ist die Größe eines Speichertanks auf ca. 15.000 m3 begrenzt, so dass die mit einem Tank speicherbare thermische Energie maximal 1.200 MWh beträgt. Um größere Mengen an thermischer Energie speichern zu können, besteht die bisherige Konzeption darin, die Anzahl der Tanks zu vervielfachen, also statt jeweils eines Kaltsalztanks 1 und eines Heißsalztanks 2 jeweils zwei, vier, sechs, acht usw. Kaltsalztanks 1 und zwei, vier, sechs, acht usw. Heißsalztanks 2 zu verwenden.
  • Ein solches aus der Praxis bekanntes Mehrtanksystem, welches zwei Kaltsalztanks 1 und zwei Heißsalztanks 2 umfasst, ist in der 2 dargestellt.
  • Um ein Energiespeichersystem, mit einer Tankgröße von mehr als 15.000 m3 und einer Speicherungsmöglichkeit von mehr als 1.200 MWh realisieren zu können, ist es bisher also notwendig, ein Mehrfachtanksystem bzw. eine Mehrfachtankkonfiguration auszubilden, das/die auf der sogenannten „kalten” (Kaltschmelztank 1) Seite und der „heißen” (Heißsalztank 2) Seite durch eine Vervielfachung der einzelnen Speichertanks gekennzeichnet ist. Dies führt zu einem erheblichen Investitionsaufwand, der jeden einzelnen Speichertank berücksichtigen muss, sowie einem entsprechenden Platzbedarf für jeden einzelnen Speichertank und hat gegebenenfalls eine Beeinträchtigung des für das solarthermische Kraftwerk vorgesehenen Solarfeldes durch von den einzelnen Speichertanks verursachte Verschattung zur Folge.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, bei jeweils gleicher Speicherkapazität die vorstehend aufgeführten Nachteile zu vermeiden.
  • Bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens einer der mehreren Speichertanks wechselweise zur Speicherung eines jeweils partiell geförderten Volumens des Wärmeträgermediums im Zustand seiner höheren Temperatur und zur Speicherung eines jeweils partiell geförderten Volumens des Wärmeträgermediums im Zustand seiner niedrigeren Temperatur genutzt wird. Hierbei kann es gemäß Weiterbildung zweckmäßig sein, dass in einem, zumindest im Wesentlichen, gefüllten ersten Speichertank der mehreren Speichertanks gelagertes Wärmeträgermedium unter Durchströmen der Wärmeübertragungsvorrichtung in einen zumindest im Wesentlichen leeren Speichertank der mehreren Speichertanks gefördert wird und anschließend in einem zumindest im Wesentlichen gefüllten zweiten Speichertank der mehreren Speichertanks gelagertes Wärmeträgermedium unter Durchströmen der Wärmeübertragungsvorrichtung in den im Wesentlichen geleerten ersten Speichertank gefördert wird.
  • Ebenso wird bei einem thermischen Energiespeicher der eingangs bezeichneten Art die vorstehende Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens einer der mehreren Speichertanks wechselweise ein partiell gefördertes Wärmeträgermediumvolumen im Zustand seiner höheren Temperatur und ein partiell gefördertes Wärmeträgermediumvolumen im Zustand seiner niedrigeren Temperatur speichert. Hierbei kann es gemäß Weiterbildung zweckmäßig sein, dass von den mehreren Speichertanks ein Speichertank ein ungefülltes Freivolumen aufweist, das einem von jedem der mehreren Speichertanks jeweils in einen anderen der mehreren Speichertanks maximal zu fördernden Fördervolumen an Wärmeträgermedium entspricht und die übrigen Speichertanks der mehreren Speichertanks mit ihrem jeweiligen Sollvolumen an Wärmeträgermedium befüllt sind.
  • Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen weiteren Unteransprüchen.
  • Mit der Erfindung ist es nun möglich, die Kosten, den Platzbedarf und die daraus resultierende Verschattungsproblematik dadurch zu reduzieren, dass zusätzlich zu den mit dem Wärmeträgermedium (hier der Salzschmelze) gefüllten Speichertanks, die die jeweils aktuell genutzte Speicherkapazität des als Mehrtanksystem ausgebildeten thermischen Energiespeichers ausbilden, lediglich ein zusätzlicher leerer Tank, der ein solches Freivolumen aufweist, das zur Aufnahme des definiert von einem der gefüllten Speichertanks zu fördernden Fördervolumens ausreicht, vorgesehen und vorhanden ist. Für die Speicherkapazität eines bisherigen zwei Heißsalztanks und zwei Kaltsalztanks umfassenden Viertanksystems sind nunmehr nur noch drei Speichertanks notwendig, für ein drei Kaltsalztanks und drei Heißsalztanks umfassendes bisheriges Sechstanksystem sind nur noch vier Speichertanks und für ein vier Heißsalztanks und vier Kaltsalztanks umfassendes bisheriges Achttanksystem sind nur noch fünf Speichertanks notwendig. Dies wird dadurch erreicht, dass sowohl beim Beladungsvorgang des thermischen Energiespeichers des thermischen Energiespeichersystems eines solaren Kraftwerkes während der Sonnenscheinphase als auch bei der Entladung des thermischen Energiespeichers das Salzinventar bzw. das definierte Fördervolumen an Wärmeübertragungsmedium aus einem gefüllten Speichertank, welches je nach Beladungsvorgang ein Kaltsalztank oder „kalter” Speichertank oder ein Heißsalztank oder „heißer” Speichertank sein kann, in den jeweils nicht gefüllten, ein dem Fördervolumen entsprechendes Freivolumen aufweisenden Speichertank gefördert wird und anschließend von einem weiteren, noch gefüllten Speichertank dann das Fördervolumen an Wärmeübertragungsmedium in den zuvor entleerten Speichertank gefördert wird. Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen steht zu jedem Zeitpunkt soviel ungefülltes Freivolumen in einem der Speichertanks zur Verfügung, dass das anlagenspezifisch vorgesehene und definierte partielle Fördervolumen jeweils von einem Tank in einen anderen Tank gefördert werden kann und dabei bei Durchströmen der jeweils zugeordneten Wärmeübertragungsvorrichtung eine Wärmeübertragung zwischen dem geförderten Wärmeträgermedium und dem Primärkreislauf und/oder dem Dampf/Wasserkreislauf des solarthermischen Kraftwerkes erfolgen kann.
  • Bei einer Dreitank-Anlage, die zwei mit ihrem Nennvolumen oder Sollvolumen befüllte volle Speichertanks und einen das definierte notwendige ungefüllte Freivolumen aufweisenden leeren Speichertank umfasst, befindet sich zu Beginn einer Beladungsphase während einer Sonnenscheinphase in den vollen Tanks das Wärmeübertragungsmedium mit einer niedrigen Temperatur von beispielsweise 300°C. Es wird nun aus einem dieser vollen Tanks das Fördervolumen in den leeren Speichertank gepumpt. Hierbei durchströmt das Wärmeträgermedium die Wärmeübertragungsvorrichtung und nimmt hier von dem darin ebenfalls strömenden Wärmeübertragungsmedium des Primärkreislaufes des solarthermischen Kraftwerkes Energie auf und speichert diese dann in dem zunächst leeren und nun gefüllt werdenden Speichertank (Heißsalztank). Wenn nun der zunächst volle Speichertank (Kaltsalztank) leer ist, wird in diesen Tank das Wärmeträgermedium aus dem weiteren vollen, befüllten Speichertank (Kaltsalztank) unter Durchströmen der Wärmeübertragungsvorrichtung gefördert. Dieser ursprünglich „kalte” Speichertank wird nun mit aufgeheiztem Wärmeträgermedium befüllt und somit zu einem „heißen” Speichertank. Bei der Entladung des thermischen Energiespeichers wird umgekehrt in analoger Weise unter Durchströmen einer mit dem Dampf/Wasserkreislauf und/oder dem Primärkreislauf des solarthermischen Kraftwerkes verbundenen Wärmeübertragungsvorrichtung ein Fördervolumen eines vollen, „heißen” Speichertanks in einen leeren, „kalten” Speichertank entleert oder umgefüllt, und der jeweils dann entleerte Speichertank aus einem anderen noch befüllten Speichertank befüllt.
  • Die Erfindung umfasst in ihrem allgemeinen Aspekt somit die Möglichkeit, dass mindestens einer der mehreren Speichertanks auf diese Weise zur Speicherung eines jeweils partiell unter Durchströmen einer Wärmeübertragungsvorrichtung geförderten Volumens des Wärmeträgermediums im Zustand seiner höheren Temperatur („heiß”) und zur Speicherung eines jeweils partiell geförderten Volumens des Wärmeträgermediums im Zustand seiner niedrigen Temperatur („kalt”) genutzt wird. Während im Stand der Technik ein Speichertank jeweils entweder zur Speicherung des Wärmeträgermediums im Zustand seiner höheren Temperatur oder im Zustand seiner niedrigen Temperatur genutzt wird, ist erfindungsgemäß nun vorgesehen, dass mindestens ein Tank wechselweise sowohl der Speicherung des Wärmeträgermediums im Zustand seiner höheren Temperatur als auch im Zustand seiner niedrigeren Temperatur dient, also sowohl als „heißer” Speichertank oder Heißsalztank als auch als „kalter” Speichertank oder Kaltsalztank fungiert.
  • Durch die Erfindung ist es möglich, die notwendigen Investitionskosten sowie den notwendigen Platzbedarf gegenüber Speichersystemen mit gleicher Speicherkapazität nach dem Stand der Technik zu verringern. Darüber hinaus ergibt sich gegenüber den bekannten Systemen mit zwei Speichern, also einem Heißsalztank und einem Kaltsalztank eine Verdoppelung der Speicherkapazität bei gleicher Speichertankgröße, obwohl nur ein (und nicht zwei) zusätzlicher Tank vorgesehen wird. Hierdurch lässt sich die Nutzung des Solarkraftwerkes in Phasen des Nichtsonnenscheins, also in den Abend- und Nachtstunden verlängern.
  • Kostengünstig lässt sich das erfindungsgemäße Mehrtanksystem des thermischen Energiespeichers dann mit einer Pumpe realisieren, wenn diese in Fluid leitender Verbindung mit allen Tanks steht und diese Tanks mittels dieser einen Pumpe sowohl befüllbar als auch entleerbar sind, wie dies die Erfindung schließlich in Ausgestaltung vorsieht. Bei dieser Konstruktion ist es nicht notwendig, jedem Tank eine Pumpe zuzuordnen.
  • Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in
  • 1 in schematischer Prinzipdarstellung eine Speichertankkonfiguration nach dem Stand der Technik,
  • 2 in schematischer Darstellung eine weitere Speichertankkonfiguration nach dem Stand der Technik,
  • 3 in schematischer Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Speichertankkonfiguration im Zusammenhang mit einem Beladungsvorgang und in
  • 4 in schematischer Prinzipdarstellung die erfindungsgemäße Speichertankkonfiguration nach 3 im Zusammenhang mit einem Entladungsvorgang.
  • Die in den 3 und 4 dargestellte erfindungsgemäße Ausführungsform umfasst einen thermischen Energiespeicher eines solarthermischen Kraftwerkes, der drei Speichertanks T1, T2 und T3 umfasst. Die Tanks können voll sein, was durch ein kleines v gekennzeichnet ist, oder sie können leer sein, was durch ein kleines l gekennzeichnet ist. „Voll” heißt hierbei, dass die Tanks mit ihrem jeweiligen Sollvolumen mit dem Wärmeträgermedium 5 befüllt sind. Bei dem Wärmeträgermedium 5 handelt es sich um eine Salzschmelze. Als „leer” wird ein Tank bezeichnet, wenn er das definierte und vorbestimmte ungefüllte Freivolumen 6 aufweist. Dieses Freivolumen 6 entspricht dem während eines jeweiligen Beladevorganges oder Enladevorganges des Wärmeträgermediums 5 partiell von einem der Speichertanks T1, T2 oder T3, in den jeweils das umgefüllte Freivolumen 6 aufweisenden Tank geförderten partiellen Volumen an Wärmeträgermedium 5. Die gesamte Speicherkapazität des thermischen Energiespeichers wird von dem in allen das Speichersystem dieses thermischen Energiespeichers ausbildenden Speichertanks, im Ausführungsbeispiel die Tanks T1, T2 und T3, insgesamt gelagerten Wärmeträgermediumvolumen ausgebildet, d. h. von der Summe aller Einzelkapazitäten der jeweiligen Tanks T1, T2 und T3 gebildet. „Heiß” bedeutet im vorliegenden Ausführungsbeispiel den Zustand höherer Temperatur des Wärmeträgermediums 5, welchen dieses in Sonnenscheinphasen im Rahmen eines Beladungsvorganges dann einnimmt, wenn das entsprechende Wärmeträgermediumvolumen durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 4a von einem Speichertank zu einem anderen Speichertank gefördert, insbesondere gepumpt, wird. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 4a steht in Wirkverbindung mit dem durch den Primärkreislauf des Solarkraftwerkes fließenden Wärmeträgermedium, welches in Sonnenscheinphasen und Beladephasen des thermischen Energiespeichers eine höhere Temperatur als das Wärmeträgermedium 5 des thermischen Energiespeichers aufweist. Folglich wird in der Wärmeübertragungsvorrichtung 4a Energie in Form von Wärme an das die Wärmeübertragungsvorrichtung 4a durchströmende Wärmeträgermedium 5 abgegeben und dieses wird auf seinen Zustand höherer Temperatur aufgeheizt. Analog wird in Nichtsonnenscheinphasen bei Förderung von Wärmeträgermedium 5 durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 4b von dem Wärmeträgermedium 5 Wärme und damit Energie an das Wärmeträgermedium des Primärkreislaufes des solarthermischen Kraftwerkes oder aber wie im in 4 gezeigten Beispiel von der vom Wärmeträgermedium 5 durchströmten Wärmeübertragungsvorrichtung 4b Wärme und Energie an den Dampf/Wasserkreislauf des Kraftwerkes in der Wärmeübertragungsvorrichtung 4b abgegeben. Auf diese Weise wird das die Wärmeübertragungsvorrichtung 4b durchströmende Volumen an Wärmeträgermedium 5 auf seinen Zustand niedrigerer Temperatur abgekühlt. Diese Zustand niedrigerer Temperatur wird mit „kalt” bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel möge die höhere Temperatur 400°C und die niedrigere Temperatur 300°C betragen. Auch wenn von einem „leeren” Tank die Rede ist, so ist dieser doch nie vollständig geleert, da aus apparatetechnischen und verfahrenstechnischen Gründen, wie der Gefahr des Auftretens von Spannungen im Tank, der notwendigen minimalen Eintauchtiefe der Pumpen sowie des Einfrierrisikos des geschmolzenen Salzes, die Speichertanks T1, T2 und T3 nie restlos entleert werden. Vielmehr wird in jedem der Speichertanks T1, T2 und T3 jeweils soviel an Wärmeträgermedium 5, im vorliegenden Fall Salzschmelze, belassen, dass ein problemloser Betrieb gesichert ist. In den 14 ist der Füllstand eines Tanks T1, T2, T3 durch waagerechte Striche angedeutet. Ebenso ist ein „voller” Speichertank nie restlos gefüllt. Unter „leer” wird also der minimale Füllzustand und unter „voll” der jeweils maximale Füllzustand eines Speichertanks T1, T2, T3, der das Füllvolumen und/oder Sollvolumen des jeweiligen Tanks darstellt, verstanden. Die Differenz zwischen minimalem und maximalem Füllstand stellt sowohl das aus einem Tank geförderte Fördervolumen als auch das in einem „leeren” Tank zur Verfügung stehende Freivolumen 6 dar. So bedeutet also die Bezeichnung T1 (v, k), dass der Speichertank T1 maximal gefüllt ist und das Speichermedium eine Temperatur von 300°C (kalt) aufweist, wohingegen die Bezeichnung T3 (l, h) bedeutet, dass der Speichertank T3 seinen minimalen Füllstand aufweist und das Wärmeübertragungsmedium 5 eine Temperatur von 400°C (heiß) aufweist.
  • Während einer Sonnenscheinphase soll nun der thermische Energiespeicher des solarthermischen Kraftwerkes mit der zu speichernden Wärme und folglich der zu speichernden Energie beladen werden. Der diesbezügliche Ausgangszustand ist im oberen Teilbild der 3 als „1. Beladung: Stufe 1” dargestellt. In den gefüllten Tanks T1 und T2 befindet sich das Wärmeträgermedium 5 im Zustand der niedrigeren Temperatur und der leere Tank T3 weist ein Freivolumen 6 sowie einen minimalen Füllstand an Wärmeträgermedium 5 auf. Nun startet der Beladevorgang und das Wärmeträgermedium 5 wird wie durch die schwarzen Pfeile angedeutet mittels der Fördervorrichtung 3, wobei es sich hierbei um eine Pumpe handelt, unter Durchströmen der Wärmeübertragungsvorrichtung 4a in den das Freivolumen 6 aufweisenden heißen Speichertank T3 gefördert bzw. gepumpt. Dabei wird partiell das gesamten Volumen des Speichertankes T2 (bis zum Erreichen des vorgesehenen minimalen Füllstandes), welches lediglich einen Teil des im Energiespeicher gelagerten Gesamtvolumens an Wärmeträgermedium darstellt, in den Speichertank T3 gefördert oder umgepumpt, so dass sich das dort zunächst vorhandene ungefüllte Freivolumen 6 mit heißem, d. h. sich im Zustand seiner höheren Temperatur befindlichen, Wärmeträgermedium 5 befüllt. Die Temperaturerhöhung erfährt das Wärmeträgermedium 5 in der Wärmeübertragungsvorrichtung 4a, indem es dort von dem im Primärkreislauf des solarthermischen Kraftwerkes zirkulierenden Wärmeträgermedium Wärme und Energie aufnimmt. Am Ende dieser ersten Stufe der Beladung befindet sich dann 400°C heißes Wärmeträgermedium 5 in dem Speichertank T3 und es stellt sich die im mittleren Teil der 3 dargestellte Speichertankkonfiguration ein, nämlich ein voller und kalter Speichertank T1, ein leerer und kalter Speichertank T2 und ein voller und heißer Speichertank T3. Durch die Umfüllung von Wärmeträgermedium 5 vom Tank T2 in den Tank T3 ist nun im Speichertank T2 ein ungefülltes Freivolumen 6 entstanden. Es folgt nun der Schritt „2. Beladung: Stufe 2”, bei welchem nunmehr das noch im Speichertank T1 befindliche Fördervolumen an Wärmeträgermedium 5 unter Durchströmen der Wärmeübertragungsvorrichtung 4a in Richtung der schwarzen Pfeile in den Speichertank T2 gefördert wird. Das partiell geförderte Fördervolumen wird ebenfalls auf 400°C aufgeheizt, so dass sich nach Abschluss dieses Beladungsvorganges die im unteren Teilbild der 3 dargestellte Speichertankkonfiguration ergibt. In dieser mit „3. Speicher voll beladen” bezeichneten Speichertankkonfiguration befindet sich das umgefüllte Freivolumen 6 nun in dem kalten und leeren Speichertank T1 und sind die beiden weiteren Speichertanks T2 und T3 im Wesentlichen, d. h. bis zu ihrem maximalen Füllstand, mit heißem, im vorliegenden Fall 400°C heißem, Wärmeträgermedium 5 gefüllt.
  • Während die Speichertanks T1 und T3 während dieser in der 3 dargestellten Verfahrensschritte jeweils „kalt” oder „heiß” bleiben, wechselt der Speichertank T2 von einem kalten Zustand, in welchem er mit dem Wärmeträgermedium 5 in seinem Zustand niedrigerer Temperatur befüllt ist, in einen heißen Zustand, während welchem er mit Wärmeträgermedium 5 in seinem Zustand höherer Temperatur befüllt ist.
  • Analog zu dem vorstehend geschilderten Beladungsvorgang erfolgt die Entladung des Mehrtanksystems des thermischen Speichers wie dies in 4 dargestellt ist. Der Zustand „3. Speicher voll beladen” gemäß 3 stellt nun den Ausgangszustand zum Beginn der Verfahrensstufe „4. Entladung: Stufe 1” gemäß oberem Teilbild der 4 dar. Hier startet nun der Entladevorgang der Speichertanks T1, T2, T3, der bei Abwesenheit von Sonnenschein, insbesondere abends oder nachts, durchgeführt wird. Wie dem oberen Teilbild der 4 zu entnehmen ist, wird nun heißes Wärmeträgermedium 5 vom Speichertank T2 in Richtung der schwarzen Pfeile in den kalten Speichertank T1 gefördert. Hierbei gibt das Wärmeträgermedium 5 in der Wärmeübertragungsvorrichtung 4b Wärme und folglich Energie an den damit in Wirkverbindung stehenden Dampf/Wasserkreislauf und/oder den Primärkreislauf des solarthermischen Kraftwerkes ab. Folglich wird die Temperatur des Wärmeträgermediums 5 im Energiespeicher gesenkt, so dass dieses mit der im vorliegenden Fall ausgewählten „kalten” Temperatur von 300°C in den Speichertank T1 einströmt. Wenn dann das Fördervolumen des Speichertankes T2 vollständig in den Speichertank T1 umgefüllt worden ist, stellt sich die im mittleren Teilbild der 4 dargestellte Speichertankkonfiguration ein, bei welcher der Speichertank T1 nun vollständig mit kaltem Wärmeträgermedium 5 befüllt ist, sich im Speichertank T2 das Freivolumen 6 befindet und der Speichertank T3 noch mit heißem Speichermedium 5 befüllt ist. Es folgt nun der mit „5. Entladung: Stufe 2” bezeichnete Schritt, bei welchem das im Speichertank T3 befindliche Fördervolumen an Wärmeträgermedium 5 entsprechend der Richtung der schwarzen Pfeile in den Speichertank T2 gefördert bzw. umgepumpt wird. Hierbei gibt das Wärmeträgermedium 5 wiederum in der Wärmeübertragungsvorrichtung 4b Wärme und Energie an einen Wärmeträgerkreislauf, an den Dampf/Wasserkreislauf und/oder bei einer nicht dargestellten Variante an den Primärkreislauf des solarthermischen Kraftwerkes ab. Hierbei wird das Wärmeträgermedium 5 auf im Ausführungsbeispiel vorgesehene 300°C abgekühlt und es stellt sich die im unteren Teilbild der 4 dargestellte, mit „6. Speicher komplett entladen” bezeichnete Situation dar, in welcher nun der Speichertank T3 das Freivolumen 6 aufweist und die Speichertanks T1 und T2 mit „kaltem” Wärmeträgermedium 5 gefüllt sind. Auch bei Durchführung dieses Entladevorganges findet der Speichertank T2 wiederum sowohl als „heißer” als auch als „kalter” Speichertank Verwendung.
  • Von der im unteren Teilbild der 4 dargestellten Situation kann dann wieder auf die im oberen Teilbild der 3 dargestellte Situation umgeschaltet werden und eine erneute Beladung des thermischen Energiespeichers vorgenommen werden.
  • Auch wenn das Verfahren für eine Speichertankkonfiguration mit drei Speichertanks T1, T2 und T3 beschrieben ist, so ist dies in analoger und gleichartiger Weise auch auf andere Mehrtanksysteme übertragbar, wobei neben vollständig mit Wärmeträgermedium 5 befüllten Speichertanks lediglich jeweils ein zusätzlicher, das Freivolumen 6 aufweisender Speichertank vorhanden sein muss.
  • In nicht dargestellter Weise ist es natürlich auch möglich, in Zeiten, in denen nicht die volle Speicherkapazität benutzt wird, analog zu der gemäß 1 aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrensweise das Wärmeträgermedium 5 lediglich von einem Tank in einen anderen und zurück zu fördern.
  • Im Ausführungsbeispiel ist jeweils nur eine Pumpe 3 und eine Wärmeübertragungsvorrichtung 4a, 4b dargestellt. Es ist somit möglich, alle Tanks T1, T2 und T3 kreis- oder sternförmig mit der einen Pumpe 3 derart zu verschalten, dass jeder Tank T1, T2 oder T3 mit der Pumpe sowohl befüllt als auch entleert werden kann. Es können aber auch mehrere Pumpen, insbesondere je Tank eine Pumpe, und auch unterschiedliche Wärmeübertragungsvorrichtungen 4a, 4b vorgesehen sein. So ist es nicht nur möglich, dass im Rahmen des in 3 dargestellten Beladevorganges eine Wärmetauschervorrichtung 4a Verwendung findet, die mit dem Primärkreislauf, d. h. dem Wärmeträgermediumkreislauf eines solarthermischen Kraftwerkes in Wirkverbindung steht, was durch den in der 4 symbolisch dargestellten Sonnenkollektor angedeutet ist, und dass im Rahmen des in 4 dargestellten Entladevorganges als Wärmeübertragungsvorrichtung 4b ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der in Wirkverbindung mit dem Dampf/Wasserkreislauf des jeweiligen solarthermischen Kraftwerkes steht, so dass mithilfe der in der 4 dargestellten Wärmetauschervorrichtung Wärme an ein einer Dampfturbine zuzuführendes Wasser/Dampfmedium des Dampf/Wasserkreislaufes des jeweiligen solarthermischen Kraftwerkes von dem Wärmeträgermedium 5 abgegeben wird, wie dies durch die symbolisch dargestellte Dampfturbine angedeutet ist. Es kann auch lediglich eine Art von Wärmeübertragungsvorrichtung vorgesehen sein, die sowohl beim Belade- als auch beim Entladevorgang des Energiespeichers durchströmt wird und beispielsweise ausschließlich mit dem Primärkreislauf oder dem Dampf/Wasserkreislauf des Solarkraftwerkes in Wirkverbindung steht. So ist es möglich, dass zwischen den Tanks T1, T2 und T3 ein Wärmeträgermedium, beispielsweise eine Salzschmelze, strömt, die über eine Wärmeübertragungsvorrichtung 4a mit einem Primärkreislauf eines solarthermischen Kraftwerkes in Verbindung steht, in welchem ebenfalls eine Salzschmelze als Wärmeträgermedium des Primärkreislaufes durch die Solarkollektoren geführt wird. Dieses Wärmeträgermedium des Primärkreislaufes steht dann mittels einer zweiten Wärmeübertragungsvorrichtung in Verbindung mit dem Dampf/Wasserkreislauf des solarthermischen Kraftwerkes. In Sonnenscheinphasen nimmt das Wärmeträgermedium 5 nun über eine Wärmeübertragungsvorrichtung 4a vom Primärkreislauf Energie auf und speichert diese in dem die Tanks T1, T2 und T3 aufweisenden Energiespeicher. In Nicht-Sonnenscheinphasen kann nun das Wärmeträgermedium 5 über die Wärmeübertragungsvorrichtung 4a die gespeicherte Energie wieder an den Primärkreislauf abgeben, der diese Energie dann an den Dampf/Wasserkreislauf überträgt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die in Form von Wärme in dem Wärmeträgermedium 5 gespeicherte Energie über eine andere Wärmeübertragungsvorrichtung 4b in Nicht-Sonnenscheinphasen direkt Energie an den Dampf/Wasserkreislauf überträgt.
  • Ebenso kann es möglich sein, dass im Primärkreislauf Öl als Wärmeträgermedium zirkuliert, welches in Sonnenscheinphasen über eine Wärmeübertragungsvorrichtung 4a Wärme an das Wärmeträgermedium 5 überträgt. Diese im Wärmeträgermedium 5 gespeicherte Energie kann dann ebenfalls entweder über die Wärmeübertragungsvorrichtung 4a während Nicht-Sonnenscheinphasen an das Wärmeträgermedium des Primärkreislaufes, in diesem Falle ein Öl, übertragen werden, oder aber es kann auch über eine zweite Wärmeübertragungsvorrichtung 4b Energie in Form von Wärme direkt an den Dampf/Wasserkreislauf des Kraftwerkes abgegeben werden.
  • Eine weitere Alternative besteht darin, dass es lediglich einen Kraftwerkskreislauf gibt, in welchem beispielsweise Wasser als Wärmeträgermedium die Solarkollektoren durchströmt und in Dampfform auf Turbinen geleitet und in kondensierter Form wieder den Solarkollektoren zugeführt wird. In einem solchen Dampf/Wasserkreislauf, der gleichzeitig Primärkreislauf des solarthermischen Kraftwerkes ist, kann dann von dem Wärmeträgermedium über eine Wärmeübertragungsvorrichtung 4a oder 4b in Sonnenscheinphasen Wärmeenergie auf das in den Tanks T1, T2 und T3 gespeicherte Wärmeträgermedium 5 übertragen werden. In Nicht-Sonnenscheinphasen wird dann über die jeweilige Wärmeübertragungsvorrichtung 4a oder 4b die Wärmeenergie an den Direktverdampfungskreislauf rückübertragen.
  • Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße thermische Energiespeicher bei jeder Art von Primär- und/oder Sekundärkreislauf und jeder Art von darin gefördertem oder verwendetem Wärmeträgermedium anwendbar. Der Kern der Erfindung richtet sich auf die Speicherung der in Sonnenscheinphasen gewonnenen und nicht genutzten Energie in einem eine Vielzahl von Tanks T1 bis Tn umfassenden Energiespeicher.

Claims (11)

  1. Verfahren zur wechselweisen Ein- und Ausspeicherung der im Primärkreislauf eines solarthermischen Kraftwerkes gewonnenen thermischen Energie mittels eines zwischen mehreren Speichertanks (T1, T2, T3) jeweils unter Durchströmen einer mit dem Primärkreislauf und/oder dem Dampf/Wasserkreislauf in Wirkverbindung stehenden Wärmeübertragungsvorrichtung (4a, 4b) partiell förderbaren sowie auf eine höhere Temperatur aufheizbaren oder auf eine niedrigere Temperatur abkühlbaren Wärmeträgermediums (5), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der mehreren Speichertanks (T2) wechselweise zur Speicherung eines jeweils partiell geförderten Volumens des Wärmeträgermediums (5) im Zustand seiner höheren Temperatur und zur Speicherung eines jeweils partiell geförderten Volumens des Wärmeträgermediums (5) im Zustand seiner niedrigeren Temperatur genutzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zumindest im Wesentlichen gefüllten ersten Speichertank (T2) der mehreren Speichertanks (T1, T2, T3) gelagertes Wärmeträgermedium (5) unter Durchströmen der Wärmeübertragungsvorrichtung (4a, 4b) in einen zumindest im Wesentlichen leeren Speichertank (T3; T1) der mehreren Speichertanks (T1, T2, T3) gefördert wird und anschließend in einem im Wesentlichen gefüllten zweiten Speichertank (T1; T3) der mehreren Speichertanks (T1, T2, T3) gelagertes Wärmeträgermedium (5) unter Durchströmen der Wärmeübertragungsvorrichtung (4a, 4b) in den im Wesentlichen geleerten ersten Speichertank (T2) gefördert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderung sowohl beim Beladevorgang als auch beim Entladevorgang des thermischen Energiespeichers durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium (5) zwischen den Speichertanks (T1, T2, T3) umgepumpt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeträgermedium (5) eine Salzschmelze gelagert und gefördert wird.
  6. Thermischer Energiespeicher eines solarthermischen Kraftwerkes, der mehrere in Fluid leitender Verbindung miteinander stehende Speichertanks (T1, T2, T3) mit zugeordneter Fördereinrichtung (3) und zugeordneter, mit dem Primärkreislauf und/oder dem Dampf/Wasserkreislauf des solarthermischen Kraftwerkes in Wirkverbindung stehender Wärmeübertragungsvorrichtung (4a, 4b), wobei in den mehreren Speichertanks (T1, T2, T3) ein Volumen an partiell zwischen einzelnen Speichertanks (T1, T2, T3) unter Durchströmen der Wärmeübertragungsvorrichtung (4a, 4b) förderbarem sowie auf eine höhere Temperatur aufheizbarem oder auf eine niedrigere Temperatur abkühlbarem Wärmeträgermedium gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der mehreren Speichertanks (T2) wechselweise ein partiell gefördertes Wärmeträgermediumvolumen im Zustand seiner höheren Temperatur und ein partiell gefördertes Wärmeträgermediumvolumen im Zustand seiner niedrigeren Temperatur speichert.
  7. Energiespeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass von den mehreren Speichertanks (T1, T2, T3) ein Speichertank (T3; T1) ein ungefülltes Freivolumen (6) aufweist, das einem von jedem der mehreren Speichertanks (T1, T2, T3) jeweils in einen anderen der mehreren Speichertanks (T1, T2, T3) maximal zu fördernden Fördervolumen an Wärmeträgermedium (5) entspricht und die übrigen Speichertanks (T1, T2; T2, T3) der mehreren Speichertanks (T1, T2, T3) mit ihrem jeweiligen Sollvolumen an Wärmeträgermedium (5) befüllt sind.
  8. Energiespeicher nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle der mehreren Speichertanks (T1, T2, T3) dasselbe Füllvolumen und/oder Sollvolumen aufweisen.
  9. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass von den mehreren Speichertanks (T1, T2, T3) alle, bis auf den ein ungefülltes Freivolumen (6) aufweisenden Speichertank (T3; T1) zumindest im Wesentlichen mit Wärmeträgermedium (5) voll gefüllt sind.
  10. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium (5) eine Salzschmelze ist.
  11. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Speichertanks (T1, T2, T3) mit einer Pumpe (3) in Fluid leitender Verbindung stehen und mittels der Pumpe (3) befüllbar und entleerbar sind.
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