DE102009010358A1

DE102009010358A1 - Wärmespeicher, Kraftwerk und Verfahren zur Bereitstellung von Prozeßwärme

Info

Publication number: DE102009010358A1
Application number: DE102009010358A
Authority: DE
Inventors: Bernd Holzapfel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-01-02
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2010-07-08

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Wärmespeicher (3) zur Bereitstellung von Prozesswärme, vorzugsweise für einen Dampfkreislauf, insbesondere zur Verwendung in einem solarthermischen Kraftwerk (1), mit einem Speichermedium gefüllten transportablen Behälter, wobei das Speichermedium Wärmeenergie durch die Behälterwand aufnimmt und zu einem späteren Zeitpunkt als Prozesswärme abgibt, insbesondere zur Dampferzeugung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher zur Bereitstellung von Prozeßwärme, vorzugsweise für einen Dampfkreislauf, insbesondere zur Verwendung in einem solarthermischen Kraftwerk, weiter insbesondere in einem CSP-Kraftwerk. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftwerk, vorzugsweise ein Dampfkraftwerk, insbesondere ein Parabolrinnenkraftwerk, Solarturmkraftwerk oder Paraboloidkraftwerk oder ein Kraftwerk auf Basis optischer Linsen mit einer Mehrzahl von Wärmespeichern zur Bereitstellung von Prozeßwärme. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung von Prozeßwärme, vorzugsweise für einen Dampfkreislauf, insbesondere in einem CSP-Kraftwerksprozeß.
Die Effizienz der Energienutzung bei industriellen Prozessen und im Bereich der Kraftwerkstechnik kann durch den Einsatz von thermischen Speichersystemen deutlich gesteigert werden. Bei zyklischen Prozeßabläufen kann Energie, die sonst am Ende eines Zyklus verlorengehen würde, gespeichert werden, um dann im nachfolgenden Zyklus wieder genutzt zu werden. Bei einer zeitlichen Verschiebung zwischen dem Angebot und dem Bedarf an thermischer Energie können thermische Speichersysteme diese zeitliche Differenz ausgleichen. Bei Prozessen mit ausgeprägten zeitlich Lastspitzen können Systemkomponenten des Kraftwerks für ein mittleres Leistungsniveau dimensioniert werden, wobei der thermische Speicher in Phasen mit hohem Leistungsbedarf entladen wird, während bei Unterschreitung der durchschnittlichen Leistung Energie zurückgespeichert wird. Dadurch können Teillastverluste und Investitionskosten verringert werden. Im übrigen wird die Belastung der Systemkomponenten des Kraftwerks durch thermische Wechsellast reduziert, wodurch die Lebensdauer der Systemkomponenten erhöht wird. Bei Systemkomponenten, deren zeitliche Auslastung kurzfristigen Schwankungen unterliegt, bieten sich thermische Speicher zur Reduzierung von Anfahrzeiten an. Hier kann gespeicherte Energie genutzt werden, um eine ausreichende Betriebstemperatur für die Systemkomponenten sicher zu stellen und damit die Dynamik und den Wirkungsgrad des Systems zu verbessern.
Für die effiziente Speicherung von Wärme oder Kälte sind Latentwärmespeicher besonders geeignet, wobei die Phasenumwandlung eines Phasenwechselmaterials (phase change material) ausgenutzt wird, um große Wärmemengen in einem schmalen Temperaturbereich speichern zu können. Der Einsatz von Latentwärmespeichern ist insbesondere im Zusammenhang mit solchen Anwendungen von Vorteil, bei denen auch das Wärmeträgerfluid oder das Prozeßmedium zweiphasig betrieben wird. Für den Bereich der Dampferzeugung, der Erzeugung von Prozeßdampf und Organic Rankine Cycle-Verfahren haben Latentwärmespeicher gegenüber sensiblen Wärmespeichern deutliche Vorteile.
Gegenüber konventionellen sensiblen Wärmespeichern sind mit Latentspeichermedien hohe Energiedichten bei weitgehend konstanter Betriebstemperatur erreichbar. Dadurch kann die Menge an Speichermaterial und die Baugröße der Wärmeüberträger signifikant reduziert werden. Die aus dem Stand der Technik bekannten Latentspeichermedien weisen jedoch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit auf, so daß zum Erreichen einer ausreichend hohen Wärmestromdichte entweder sehr große unwirtschaftliche Wärmeübertragungsflächen oder Speichermaterialien mit erheblich höherer Wärmeleitfähigkeit benötigt werden.
Aus dem Stand der Technik sind thermische Speichersysteme mit Zwei-Tank-Systemen für Solarkraftwerke bekannt, wobei eine Salzschmelze als Speichermedium eingesetzt wird. Dadurch soll der Betrieb des Solarkraftwerks auch nach Sonnenuntergang und bei ungenügender Sonnenstrahlung ermöglicht werden. Solche Kurzzeitspeicher dienen zur Überbrückung von Engpässen bei der einfallenden Solarstrahlung für wenige Stunden oder allenfalls für einen Tag.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmespeicher der eingangs genannten Art zur Bereitstellung von Prozeßwärme zur Verfügung zu stellen, der eine einfache Nutzung von gespeicherter Wärmeenergie bei geringen Kosten ermöglicht und gleichzeitig eine hohe Effizienz der Prozeßwärmebereitstellung und -nutzung gewährleistet.
Die vorgenannte Aufgabe ist bei einem Wärmespeicher der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß ein mit einem Speichermedium gefüllter transportabler Behälter vorgesehen ist, wobei das Speichermedium Wärmeenergie durch die Behälterwand aufnimmt und zu einem späteren Zeitpunkt als Prozeßwärme abgibt, insbesondere zur Dampferzeugung. Die Erfindung sieht den Einsatz von kleinen transportablen Behältern vor, die mit dem Speichermedium befüllt sind, wobei die Behälter leicht handhabbar und transportierbar sein sollen.
Anders als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Bereitstellung von Prozeßwärme, wobei ein Speichermedium erhitzt und anschließend in einem Rohrleitungssystem durch einen Wärmetauscher geleitet wird, in dem dann die Wärmeübertragung von dem Speichermedium auf einen Prozeßstrom erfolgt, ist es erfindungsgemäß möglich und vorgesehen, daß vorzugsweise eine Mehrzahl von Wärmespeichern erwärmt wird, wobei die erwärmten Wärmespeicher anschließend in einen ein zu verdampfendes Fluid aufweisenden Dampferzeuger eingebracht werden, wobei in dem Dampferzeuger ein Wärmeübergang von dem Speichermedium über die Behälterwände an das Fluid erfolgt, was zumindest zu einer teilweisen Verdampfung des Fluides in dem Dampferzeuger führt. Nach dem erfolgten Wärmeübergang werden dann die Wärmespeicher aus dem Dampferzeuger ausgebracht und erneut erwärmt.
Während des Wärmeübergangs werden die Behälter von dem zu verdampfenden Fluid umspült bzw. umströmt, was zu einem erhöhten Wärmeübergang führt. Hier können Mittel vorgesehen sein, um eine turbulente Umströmung der einzelnen Behälter zu erreichen, was zu einer Verstärkung des Wärmeübergangs beiträgt. Der Transport der Behälter von dem Ort der Erwärmung (Wärmequelle) zum Ort der Wärmeabgabe (Dampferzeuger) und zurück kann über entsprechend ausgebildete Fördereinrichtungen, wie Förderbändern oder dgl., erfolgen. Dadurch ist ein einfacher Transport der mit dem Speichermedium gefüllten Behälter sichergestellt, ohne daß es durch ein Erstarren des Speichermediums in den Behältern bei der Abkühlung zu einer Prozeßstörung kommen kann.
Vorzugsweise können die erfindungsgemäßen Wärmespeicher zur Dampferzeugung in Kraftwerken eingesetzt werden, die mit konzentriertem Sonnenlicht arbeiten. Dabei werden Sonnenstrahlen mit Spiegel- oder Linsensystemen auf ein Absorberrohr bzw. einen Kollektor konzentriert, in dem die zu erwärmenden Behälter mit dem Speichermedium nacheinander fixiert werden, um das Speichermedium entsprechend stark (auf bis zu 4-stelllige Temperaturgrade) zu erhitzen. Werden Latentspeichermedien eingesetzt, kann es beim Erhitzen zu einem Phasenübergang des Latentspeichermediums kommen, wobei bei konstanter Temperatur Wärmeenergie aufgenommen wird, die zu einem späteren Zeitpunkt als latente (versteckte) Wärmeenergie zur Dampferzeugung für eine Dampfturbine oder dergleichen genutzt werden kann.
In Abhängigkeit von der benötigten Energiemenge können mehr oder weniger mit einem Speichermedium gefüllte und zuvor erhitzte Behälter eingesetzt werden, um während eines ununterbrochenen Kraftwerkbetriebes eine ausreichend große Wärmemenge als Prozeßwärme bereit zu stellen. Der erfindungsgemäße Wärmespeicher ermöglicht es, ein Herunterfahren von Dampfturbinen des Kraftwerks zu vermeiden. Durch Erhöhung der Stückzahl von Behältern ist die Lagerdauer und Vorhaltung von Prozeßwärme über einen Zeitraum von bis zu einer Woche möglich. Das Speichermedium kann mittels Konzentratoren auf ein Vielfaches der benötigten Prozeßwärme erhitzt werden, so daß dessen Temperatur während der Einlagerung der Behälter lediglich geringfügig absinkt und über Tage eine Mehrbenutzung möglich ist.
Ein Latentspeichermedium kann während einer Änderung seines Aggregatzustandes durch Erwärmen oder Abkühlen des Behälters Wärmeenergie durch die Behälterwand aufnehmen bzw. zu einem späteren Zeitpunkt als Prozeßwärme abgeben, wobei Salzsysteme als Latentspeichermedien besonders geeignet sind. Dabei kann mit binären Nitratsalzen, wie beispielsweise mit den Systemen KNO₃-NaNO₃ und KNO₃-LiNO₃, der relevante Temperaturbereich der Dampferzeugung insbesondere zwischen 120°C und 300°C abgedeckt werden. Vorzugsweise wird eine Salzschmelze eingesetzt, die ca. 60 Gew.-% NaNO₃ (Natriumnitrat) und ca. 40 Gew.-% KNO₃ (Kaliumnitrat) aufweist. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um hochreine Salze mit sehr niedrigem Chlorgehalt, um eine Korrosion der Behälterwandungen so gering wie möglich zu halten.
Bei dem eingesetzten Speichermedium muß es beim Erhitzen bzw. Abkühlen jedoch nicht zu einer Phasenumwandlung kommen. Entscheidend ist die Tatsache, daß Wärme aufgenommen und abgegeben wird. Diese Eigenschaften werden durch die spezielle Kombination aus Speichermedium und Hohlkörper optimiert. Beispielsweise können als Speichermedien auch Kies, Quarzsand und Paraffin eingesetzt werden.
Der Behälter des erfindungsgemäßen Wärmespeichers muß ausreichend hochtemperaturbeständig sein, damit es bei der notwendigen Erwärmung des Speichermediums nicht zu einer Zerstörung des Behälters kommt. Vorzugsweise ist der Behälter derart temperaturbeständig, daß eine Erwärmung durch konzentrierte Sonnenstrahlen in solarthermischen Kraftwerken möglich ist. Hier kommt es zur Erwärmung der Behälter auf bis zu 2800°C, vorzugsweise auch bis zu auf 1300°C. Der Behälter kann in diesem Zusammenhang aus einem Hartmetall und/oder eine Hartmetallegierung und/oder einem keramischen Material, vorzugsweise aus Zirkoniumoxid, und/oder aus Schiefer hergestellt sein.
Weiter vorzugsweise bildet der Behälter während der Aufnahme bzw. Abgabe von Wärmeenergie ein geschlossenes System für das Speichermedium. Weiter vorzugsweise können fest verschlossene Behälter eingesetzt werden, in denen das Speichermedium ortsfest angeordnet ist, so daß ein Austritt des Speichermediums aus den Behältern während des zyklischen Erwärmens und Abkühlens der Behälter nicht zu befürchten steht.
Der Behälter kann quader- oder zylinderförmig sein, was die Transportierbarkeit und auch die Lagerbarkeit, im Ergebnis also das Handling des Behälters, erleichtert und der Platzbedarf zur Lagerung der Behälter verringert. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß der Behälter ein Füllvolumen von 50 cm³ bis 500 cm³ aufweist, was ebenfalls zu einem vereinfachten Handling beiträgt.
Zur Erwärmung des Speichermediums unabhängig von einer solarthermischen Erwärmung kann wenigstens eine Heizeinrichtung in und/oder an dem Behälter vorgesehen sein, wobei, vorzugsweise, als Heizleiter der Heizeinrichtung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen zwei Behälterwänden vorgese hen sein kann, beispielsweise eine stabähnliche Längsverbindung aus Wolfram oder einer Wolframlegierung.
Nachfolgend wird die Erfindung exemplarisch anhand der Zeichnung erläutert. In der einzigen Figur der Zeichnung ist schematisch ein Verfahren zur Bereitstellung von Prozeßwärme für einen Dampfkreislauf in einem solarthermischen Kraftwerk 1 dargestellt. Das Kraftwerk 1 arbeitet mit konzentrierten Sonnenstrahlen 2 nach einer sogenannten Concentrating Solar Power-Technologie (CSP-Technologie). Bei dem dargestellten Verfahren wird die Sonnenenergie genutzt, um eine Mehrzahl von Wärmespeichern 3 zu erwärmen, wobei bei der Erwärmung eine Änderung des Aggregatzustandes eines Latentspeichermediums des Wärmespeichers 3 stattfindet. Bei dem Latentspeichermedium kann es sich um eine Salzmischung aus 60 Gew.-% Natriumnitrat und 40 Gew.-% Kaliumnitrat handeln. Die Wärmespeicher 3 weisen geschlossene Behälter auf, die mit dem Latentspeichermedium gefüllt sind. In der Figur sind lediglich einige Wärmespeicher 3 exemplarisch dargestellt, wobei es sich versteht, daß eine Vielzahl von Wärmespeichern 3 vorgesehen sein kann, um einen ausreichenden Wärmetransport und/oder eine ausreichende Wärmespeicherung sicherzustellen.
Bein Eintritt der Wärmespeicher 3 in einen Absorberbehälter 4 liegt das Latentspeichermedium vorzugsweise in einem festen Aggregatzustand vor. Durch die Wärmeenergie des Sonnenlichts 2 wird das Latentspeichermedium über seinen Schmelzpunkt hinaus erhitzt, so daß sich eine Salzschmelze bzw. ein Schmelzsalz in den Behältern bildet. Während der Änderung des Aggregatzustandes von fest nach flüssig wird Wärmeenergie bei konstanter Temperatur als Latentwärme aufgenommen. Grundsätzlich handelt es sich bei Latentwärme um (physikalische) Bindungsenergie. Bei Erreichen der Phasenübergangstemperatur des Latentspeichermediums erfolgt eine Zeit lang keine Temperaturerhöhung, solange, bis das Speichermaterial vollständig geschmolzen ist. Bei relativ geringer Temperaturdifferenz kann somit eine relativ große Wärmemenge pro Speichervolumen bzw. pro Behälter aufgenommen werden. Diese Energie wird über einen beliebigen Zeitraum verlustfrei gespeichert und wird erst beim Erstarren des Latentspeichermediums wieder abgegeben. Es versteht sich, daß an der Stelle von Latentspeichermedien grundsätzlich auch solche Speichermedien eingesetzt werden können, bei denen es bei der Erhit zung nicht zu einer Phasenumwandlung bzw. Änderung des Aggregatzustandes kommt. Vorzugsweise kommen jedoch Schmelzsalze zur Anwendung, die die zuvor beschriebenen Änderungen des Aggregatzustandes zeigen.
Nach der Phasenumwandlung von festem zu flüssigem Aggregatzustand werden die Wärmespeicher 3 mit einer Fördereinrichtung 5, beispielsweise mit einem Transportband, einem Dampferzeuger 6 zugeführt. Der Dampferzeuger 6 wird durchströmt von einem Wasserstrom 7, der vor dem Eintritt in den Dampferzeuger 6 eine Temperatur unterhalb von der Phasenübergangstemperatur des Latentspeichermediums aufweist. In dem Dampferzeuger 6 werden die Wärmespeicher 3 von dem Wasserstrom 7 intensiv umspült. Dabei werden die Wärmespeicher 3 bis auf eine Temperatur unterhalb der Phasenübergangstemperatur des Latentspeichermediums abgekühlt, so daß eine Änderung des Aggregatzustandes des Latentspeichermediums von flüssig nach fest erfolgt. Beim Erstarren des Latentspeichermediums wird die gespeicherte Wärme abgegeben, wobei ein Wärmeübergang von den Wärmespeichern 3 über die Behälterwände der mit dem Latentspeichermedium gefüllten Behälter an den Wasserstrom 7 erfolgt und der Wasserstrom 7 dabei verdampft wird. Mit der beim Erstarren des Latentspeichermediums freigesetzten Wärmeenergie wird somit ein Dampfstrom 8 erzeugt, der zur Stromerzeugung in einer Turbine 9 genutzt wird. An die Turbine 9 ist ein Generator 10 angekoppelt, der die mechanische Leitung der Turbine 9 in elektrische Leistung umwandelt.
Danach strömt der entspannte und abgekühlte Dampf in einen Kondensator 11, wo er durch Wärmeübertragung an die Umgebung kondensiert. Aus dem Kondensator 11 wird dann der Wasserstrom 7 zum Dampferzeuger 6 geführt. Es versteht sich, daß der Dampfkreislauf lediglich schematisch in der Figur dargestellt ist.
Nach dem Wärmeübergang und der Erstarrung des Latentspeichermediums werden die Wärmespeicher 3 mit der Fördereinrichtung 5 aus dem Dampferzeuger 6 abtransportiert, in den Absorberbehälter 4 eingebracht und dort erneut auf eine Temperatur oberhalb von der Schmelztemperatur des Latentspeichermediums erwärmt.
Die Wärmespeicher 3 können somit als transportable Container sowie Wärmetauscher in Dampfkraftwerken dienen.

1: Kraftwerk
2: Sonnenlicht
3: Wärmespeicher
4: Absorberbehälter
5: Fördereinrichtung
6: Dampferzeuger
7: Wasserstrom
8: Dampfstrom
9: Turbine
10: Generator
11: Kondensator

Claims

Wärmespeicher (3) zur Bereitstellung von Prozeßwärme, vorzugsweise für einen Dampfkreislauf, insbesondere zur Verwendung in einem solarthermischen Kraftwerk (1), mit einem mit einem Speichermedium gefüllten transportablen Behälter, wobei das Speichermedium Wärmeenergie durch die Behälterwand aufnimmt und zu einem späteren Zeitpunkt als Prozeßwärme abgibt, insbesondere zur Dampferzeugung.
Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium während einer Änderung seines Aggregatzustandes durch Erwärmen oder Abkühlen des Behälters Wärmeenergie aufnimmt bzw. abgibt und daß, vorzugsweise, der Behälter mit einem Salzsystem gefüllt ist, weiter vorzugsweise mit binären Nitratsalzen, insbesondere mit KNO₃-NaNO₃ oder KNO₃-LiNO₃.
Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter hochtemperaturbeständig ist.
Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter aus einem Hartmetall und/oder einer Hartmetallegierung und/oder einem keramischen Material, vorzugsweise aus Zirkoniumoxid, und/oder aus Schiefer hergestellt ist.
Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter während der Aufnahme bzw. Abgabe von Wärmeenergie ein geschlossenes System für das Speichermedium bildet.
Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter quader- oder zylinderförmig ist.
Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter ein Füllvolumen von 50 cm³ bis 500 cm³ aufweist.
Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizeinrichtung für das Speichermedium vorgesehen ist, wobei, vorzugsweise, als Heizleiter eine elektrisch leitende Verbindung zwischen zwei Behälterwänden vorgesehen ist.
Kraftwerk (1), vorzugsweise Dampfkraftwerk, insbesondere solarthermisches Kraftwerk, wie Parabolrinnenkraftwerk, Solarturmkraftwerk, Paraboloidkraftwerk, mit einer Mehrzahl von Wärmespeichern (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bereitstellung von Prozeßwärme, vorzugsweise für einen Dampfkreislauf.
Verfahren zur Bereitstellung von Prozeßwärme, vorzugsweise für einen Dampfkreislauf, insbesondere in einem CSP-Kraftwerksprozeß, wobei eine Mehrzahl von Wärmespeichern (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 vorzugsweise solarthermisch erwärmt wird, wobei die Wärmespeicher nach der Erwärmung in einen Dampferzeuger zur Dampferzeugung eingebracht werden und wobei die Wärmespeicher nach einer Abkühlung aus dem Dampferzeuger ausgebracht und anschließend erneut vorzugsweise solarthermisch erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erwärmung der Wärmespeicher (3) eine Änderung des Aggregatzustandes des Speichermediums erfolgt, daß die Wärmespeicher (3) in dem Dampferzeuger (6) abgekühlt werden, so daß eine erneute Änderung des Aggregatzustandes erfolgt, wobei die bei der erneuten Änderung des Aggregatzustandes freigesetzte Wärmeenergie zur Dampferzeugung genutzt wird und wobei die Wärmespeicher (3) nach dem Wärmeübergang ausgebracht und anschließend erneut erwärmt werden.