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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
solches aus der Praxis bekanntes Mehrtanksystem, welches zwei Kaltsalztanks 1 und
zwei Heißsalztanks 2 umfasst,
ist in der 2 dargestellt.
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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.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu
schaffen, die es ermöglicht, bei
jeweils gleicher Speicherkapazität
die vorstehend aufgeführten
Nachteile zu vermeiden.
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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.
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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.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen
und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den jeweiligen weiteren Unteransprüchen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese
zeigt in
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1 in
schematischer Prinzipdarstellung eine Speichertankkonfiguration
nach dem Stand der Technik,
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2 in
schematischer Darstellung eine weitere Speichertankkonfiguration
nach dem Stand der Technik,
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3 in
schematischer Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Speichertankkonfiguration im
Zusammenhang mit einem Beladungsvorgang und in
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4 in
schematischer Prinzipdarstellung die erfindungsgemäße Speichertankkonfiguration nach 3 im
Zusammenhang mit einem Entladungsvorgang.
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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 1–4 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.