DE102010033956A1 - Druckgasspeichervorrichtung mit mindestens einem Druckgastank und mit einer Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere mit einem Wärmetauscher - Google Patents

Druckgasspeichervorrichtung mit mindestens einem Druckgastank und mit einer Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere mit einem Wärmetauscher Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckgasspeichervorrichtung (1, 21) mit mindestens einem Druckgastank (2, 22a, 22b, 22c, 22d) und mit einer Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung (5, 25), insbesondere mit einem Wärmetauscher, wobei der Druckgastank (2, 22a, 22b, 22c, 22d) mit der Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung (5, 25) in Wirkverbindung steht, insbesondere wärmeübertragend gekoppelt oder koppelbar ist Ein besserer Energieaustausch zwischen dem Druckgastank (2, 22a, 22b, 22c, 22d) und der Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung (5, 25) ist dadurch erzielt, dass die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung (5, 25) einen Wärmespeichertank (6, 26) aufweist, wobei der Druckgastank (2, 22a, 22b, 22c, 22d) im wesentlichen innerhalb des Wärmespeichertanks (6, 26) angeordnet ist

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Druckgasspeichervorrichtung mit mindestens einem Druckgastank und mit einer Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere mit einem Wärmetauscher, wobei der Druckgastank mit der Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung in Wirkverbindung steht, insbesondere wärmeübertragend gekoppelt oder koppelbar ist.
  • Aus der DE 10 2006 019 993 B3 ist eine Druckgasspeichervorrichtung bekannt. Die Druckgasspeichervorrichtung weist ein Gehäuse auf. In dem Gehäuse ist ein Druckgastank angeordnet. Weiterhin ist eine Wärmeaufnahme- bzw. Wärmeübertragungsvorrichtung vorgesehen, die als Kühlvorrichtung dient und mehrere Rohrwendel aufweist, wobei die Rohrwendel den Druckgastank umschlingen. Diese Druckgasspeichervorrichtung dient zur Lagerung von Wasserstoff. Beim Betanken des Druckgastanks kommt es zur Erwärmung des Wasserstoffs, da der Wasserstoff komprimiert wird. Die als Rohrwendel ausgeführte Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung dient nun dazu, die bei der Betankung frei werdende Wärmeenergie abzuführen und so den Druckgastank zu kühlen. Durch das Kühlen kann die Betankungszeit verringert werden.
  • Aus der EP 0 670 452 A1 ist eine weitere Druckgasspeichervorrichtung für gekühlte Gase bekannt. Die Druckgasspeichervorrichtung weist einen doppelwandig ausgebildeten Druckgastank auf. In einem Zwischenraum der Doppelwand ist eine Art Wärmetauscher angeordnet bzw. realisiert. Der Wärmetauscher dient dazu, Wärme von der äußeren Gehäusewand auf die Innenwand bzw. auf den Inhalt des Druckgastanks zu übertragen, um das gespeicherte Gas zu erwärmen und in einem überkritischen Zustand zu halten. Als Wärmeübertragungsmedium nutzt der Wärmetauscher das gespeicherte Gas selbst. Das Gas wird dazu über eine Rohrleitung dem Druckgastank entnommen und von dort zur äußeren Gehäusewand geführt und von dort aus weiter wieder zur Innenwand und so fort. Hierdurch wird Wärme von der äußeren Gehäusewand auf die Innenwand des Druckgasspeichers übertragen. Die Rohrleitung ist rohrwendelförmig zwischen der Außenwand und der Innenwand angeordnet. Die Rohrleitung besteht aus einem Aluminiumrohr mit einem Durchmesser von 0,32 cm.
  • Aus der DE 10 2006 031 424 A1 ist ein Druckluftspeicherkraftwerk bekannt. Das Druckluftspeicherkraftwerk weist eine Druckgasspeichervorrichtung, nämlich eine Druckluftspeichervorrichtung zum Speichern von komprimierter Luft auf. Druckluft wird in einen Druckgastank verpresst, wobei die Druckluft bei Bedarf für eine Gasturbine als Verbrennungsluft verwendbar ist. Es wird vorgeschlagen, den Druckgastank in 200 Meter Meerestiefe zu verankern und den Tank mit Meerwasser zu fluten, wobei in diesen Druckgastank von oben Luft bei konstanten Druck von ca. 20 bar eingepresst und das Meerwasser im Tank verdrängt bzw. umgekehrt Druckluft von ca. 20 bar entnommen werden kann.
  • Aus der DE 10 2008 036 100 A1 ist eine Windkraftanlage mit einer Druckgasspeichervorrichtung bekannt. Die Windkraftanlage besteht im wesentlichen aus einem Turm, in dessen Spitze ein Windrad drehbar gelagert ist. Über eine Antriebswelle, wird ein Generator angetrieben und mit dem Generator wird Strom erzeugt. Ferner wird mittels einer Pumpenwelle ein Kompressor angetrieben, so dass wahlweise entweder Strom oder Druckluft erzeugbar ist. Durch die Kompression der Luft entsteht Wärme, die mittels eines Wärmetauschers abgeführt wird. Die Luft wird von dem Kompressor über Druckrohrleitungen zu dem Wärmetauscher geführt und von dem Wärmetauscher anschließend zu dem Druckgastank. Der Wärmetauscher ist zwischen dem Kompressor und dem Druckgastank angeordnet.
  • Die bekannten Druckgasspeichervorrichtungen sind noch nicht optimal ausgebildet. Der Energieaustausch zwischen dem Druckgastank und der Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere dem Wärmetauscher ist noch nicht optimal.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Druckgasspeichervorrichtung derart auszugestalten und weiterzubilden, so dass der Energieaustausch zwischen dem Druckgastank und der Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere dem Wärmetauscher verbessert ist.
  • Die zuvor aufgezeigte Aufgabe wird nun dadurch gelöst, dass die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung einen Wärmespeichertank aufweist, wobei der Druckgastank im wesentlichen innerhalb des Wärmespeichertanks angeordnet ist. Dies hat den Vorteil – verglichen mit dem bisher bekannten Stand der Technik –, dass der Druckgastank direkt von dem Wärmespeichermedium umgeben ist. Das Wärmespeichermedium fließt durch die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere durch den Wärmetauscher und füllt den Wärmespeichertank. An dieser Stelle darf bereits angemerkt werden, was im folgenden nochmals erläutert werden wird, dass mit dem Begriff ”Wärmetauscher” in der einfachsten Ausgestaltung eine Wärmeübertragungsvorrichtung gemeint ist, die mit Hilfe eines entsprechenden Wärmespeichermediums Wärme, insbesondere vom Druckgastank aufnehmen und insbesondere dann von hier, vzw. in ein anderes System abführen kann. Das Wärmespeichermedium umgibt den Druckgasttank nun möglichst vollständig. Dadurch wird die bspw. aufgrund der Kompression des Gases entstehende Wärmeenergie möglichst vollständig und ohne Umwege zum Erwärmen des Wärmespeichermediums genutzt. Hierdurch ist ein möglichst guter thermischer Kontakt zwischen dem Druckgastank und dem Wärmespeichermedium hergestellt. Der Druckgastank ist direkt mit dem Wärmespeichermedium gekoppelt, insbesondere erfolgt daher eine direkte Wärmeübertragung von der Wandung des Druckgastankes auf das mit dieser Wandung in vzw. direktem Kontakt stehende Wärmespeichermedium. Wird die Temperatur im Druckgastank durch eine Expansion oder eine Kompression des darin enthaltenen Gases geändert, gleicht sich die Temperatur im Wärmespeichermedium besonders schnell an, da das Wärmespeichermedium den Druckgastank direkt umgibt, insbesondere umspült. Diese Druckgasspeichervorrichtung verfügt daher über einen verbesserten Wirkungsgrad und kann insbesondere als Druckgasspeichervorrichtung bei Druckluftspeicherkraftwerken eingesetzt werden. Als Wärmespeichermedium kann insbesondere Wasser eingesetzt werden.
  • Die zuvor aufgezeigte Aufgabe wird ferner nun dadurch gelöst, dass die Wärmeaufnahme- und/oder Übertragungsvorrichtung, insbesondere der Wärmetauscher innerhalb des Druckgastanks angeordnet ist. Dies ist eine „inverse” – zweite – Lösung zur oben genannten – ersten – Lösung der Aufgabe. Diese inverse Lösung hat den Vorteil – verglichen mit dem bisher bekannten Stand der Technik –, dass die Wärmeaufnahme- und/oder Übertragungsvorrichtung, insbesondere der Wärmetauscher, vzw. dessen Wandung in direktem Kontakt mit dem Gas steht bzw. direkt vom Gas umgeben ist. Das Gas umgibt die Wärmeaufnahme- und/oder Übertragungsvorrichtung, insbesondere den Wärmetauscher möglichst vollständig. Dadurch wird die bspw. aufgrund der Kompression des Gases entstehende Wärmeenergie ohne Umwege zum Erwärmen des Wärmespeichermediums genutzt. Hierdurch ist ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Druckgas und dem Wärmespeichermedium hergestellt. Der Druckgastank ist direkt mit dem Wärmespeichermedium gekoppelt. Wird die Temperatur im Druckgastank durch eine Expansion oder eine Kompression des darin enthaltenen Gases geändert, gleicht sich die Temperatur im Wärmespeichermedium besonders schnell an, da das Gas die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere den Wärmetauscher direkt umgibt, insbesondere „umspült”. Die Wärmeaufnahme- und/oder Übertragungsvorrichtung, insbesondere der Wärmetauscher kann Rippen, Lamellen oder Rohrwendel aufweisen, wobei diese Rippen, Lamellen oder Rohwendel von dem Wärmespeichermedium durchflossen sind. Der Druckgastank ist vzw. thermisch gut gedämmt. Die Wärmeaufnahme- und/oder Übertragungsvorrichtung, insbesondere der Wärmetauscher ist vzw. thermisch gut leitend ausgebildet.
  • Die eingangs genannten Nachteile sind daher vermieden und entsprechende Vorteile erzielt.
  • Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Druckgasspeichervorrichtung in vorteilhafter Art und Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierfür darf zunächst auf die dem Patentanspruch 1 und 14 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im folgenden wird nun eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung anhand der Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
  • 1 in einer schematischen Schnittansicht eine erste Druckgasspeichervorrichtung,
  • 2 in einer schematischen Schnittansicht gemäß der Schnittebene A-A in 3 eine zweite Druckgasspeichervorrichtung, und
  • 3 in einer schematischen Schnittansicht gemäß der Schnittebene B-B aus 2 die zweite Druckgasspeichervorrichtung.
  • In 1 ist eine Druckgasspeichervorrichtung 1 gut zu erkennen. Die Druckgasspeichervorrichtung 1 weist einen Druckgastank 2 auf. Der Druckgastank 2 dient zum Speichern eines Gases 3. Als Gas 3 kann insbesondere Luft dienen bzw. in dem Druckgastank 2 kann insbesondere Luft gespeichert werden.
  • Die Druckgasspeichervorrichtung 1 weist ferner eine Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung 5, hier einen Wärmetauscher auf. Der Druckgastank 2 steht mit dieser Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung 5, hier mit dem Wärmetauscher in Wirkverbindung, ist nämlich wärmeübertragend gekoppelt. Grundsätzlich kann vom Aufbau her die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung unterschiedlich aufgebaut sein, mit dem Begriff ”Wärmetauscher” ist daher zunächst – im einfachsten Fall – eine Vorrichtung gemeint, mit deren Hilfe, insbesondere Wärme vom Druckgastank 2 mit Hilfe eines, insbesondere flüssigen Wärmespeichermediums abgeführt werden kann. Unterschiedliche Ausführungsformen sind hier denkbar. Wobei die bevorzugten Ausführungsformen, was noch erläutert werden wird, in den 1 bis 3 dargestellt sind.
  • Die eingangs genannten Nachteile sind nun dadurch vermieden, dass die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung 5, insbesondere der Wärmetauscher 5 einen Wärmespeichertank 6 aufweist, wobei der Druckgastank 2 im wesentlichen innerhalb des Wärmespeichertanks 6 angeordnet ist.
  • Der Druckgastank 2 weist ein gut wärmeleitendes Material auf. Insbesondere besteht der Druckgastank 2 im wesentlichen aus einem wärmeleitenden Material. Der Druckgastank 2 weist eine Wand 4 auf. Die Wand 4 weist das gut wärmeleitende Material auf. Die Wand 4 besteht insbesondere aus dem gut wärmeleitenden Material. Die Wand 4 des Druckgastanks 2 ist daher gut wärmeleitend ausgebildet. Der Druckgastank 2 ist insbesondere mechanisch stabil ausgebildet. Der Druckgastank 2 kann bspw. aus Kupfer oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sein. Der Druckgastank 2 kann an seiner Innenseite und/oder an seiner Außenseite einen Korrosionsschutz aufweisen.
  • Der Wärmespeichertank 6 ist mit einem Wärmespeichermedium 7 gefüllt. Das Wärmespeichermedium 7 ist vzw. ein Fluid. Das Wärmespeichermedium 7 ist vzw. Wasser.
  • Der Wärmespeichertank 6 bildet eine Hülle um den Druckgastank 2 herum. Das Wasser bzw. das Wärmespeichermedium 7 umgibt den Druckgastank 2. Das Wärmespeichermedium 7 umspült insbesondere die Wand 4 des Druckgastanks 2. Bei der Kompression des Gases 3 erwärmt sich das Gas 3. Diese Wärmeenergie geht in der hier dargestellten Ausgestaltung der Druckgasspeichervorrichtung 1 nicht verloren, da die Wärmeenergie über die Wand 4 direkt an das Wärmespeichermedium 7 abgegeben wird. Die nun in dem Wärmespeichermedium 7 gespeicherte Wärmeenergie kann dann bspw. anderweitig verwendet werden und über das Wärmespeichermedium 7 abtransportiert werden. Der Druckgastank 2 befindet sich innerhalb des Wärmespeichertanks 6. Der Druckgastank 2 ist daher von dem Wärmespeichermedium 7 nicht nur umgeben, sondern der Druckgastank 2 – insbesondere die Wand 4 – steht einerseits in direktem Kontakt mit dem Wärmespeichermedium 7. Andererseits steht die Wand 4 in direktem Kontakt mit dem Gas 3. Dadurch wird die Abwärme des komprimierten Gases 3 ohne Umwege zum Erwärmen des Wärmespeichermediums 7 genutzt. Durch die Integration des Druckgastanks 2 in den Wärmespeichertank 6 wird eine effektive energetische Kopplung des Druckgastanks 2 mit dem Wärmespeichermedium 7 realisiert. Die durch die Kompression des Gases 3 erzeugte Wärme wird dadurch möglichst vollständig in dem Wärmespeichermedium 7 gespeichert.
  • Vorzugsweise ist der Wärmespeichertank 6 möglichst gut wärmedämmend ausgebildet. Dazu kann der Wärmspeichertank 6, insbesondere die Außenwand 10 aus einem wärmedämmenden Material bestehen bzw. dieses wärmedämmende Material aufweisen. Ferner sind alle unter Druck stehenden Zuleitungen (nicht dargestellt) möglichst gut isoliert oder konstruktiv so aufgebaut, dass auftretende Wärmeverluste dem Wärmespeichermedium 7 zugeführt werden. Der Wärmespeichertank 6 ist vzw. thermisch isolierend bzw. thermisch dämmend ausgebildet. In bevorzugter Ausgestaltung kann der Wärmespeichertank 6 eine erhöhte mechanische Stabilität aufweisen. Der Wärmespeichertank 6 kann Verstärkungselemente aus Edelstahl oder aus einem faserverstärktem Kunststoff aufweisen (nicht dargestellt). Der Wärmespeichertank 6 kann aus einem faserverstärktem Kunststoff und/oder aus Edelstahl bestehen. Als faserverstärkter Kunststoff kann bspw. glasfaserverstärkter Kunststoff eingesetzt werden.
  • Der Wärmespeichertank 6 und der Druckgastank 2 begrenzen einen Zwischenraum 8, in dem das Wärmespeichermedium 7 angeordnet bzw. vorgesehen ist. Das Wärmespeichermedium 7 füllt den Zwischenraum 8 aus. Der Druckgastank 2 kann im wesentlichen zylinderförmig geformt sein. Der Wärmespeichertank 6 Ist ebenfalls zylinderförmig geformt. Die Form des Wärmespeichertanks 6 kann an die Form des Druckgastanks 2 angepasst sein. Der Zwischenraum 8 erstreckt sich hier sowohl seitlich um den Druckgastank 2 herum, als auch zwischen der nicht näher bezeichneten Oberseite des Druckgastanks 2 und der Decke 9 des Wärmespeichertanks 6. Der Druckgastank 2 kann mittels nicht dargestellter Streben oder dergleichen mit dem Wärmespeichertank 6 derart in Verbindung stehen, dass der Druckgastank 2 an der Außenwand 10 des Wärmespeichertanks 6 abgestützt ist.
  • Der natürliche, konvektive Wärmeübergang zwischen dem Druckgastank 2 und dem Wärmespeichermedium 7 kann durch eine erzwungene Konvektion verbessert sein. Dazu kann das Wärmespeichermedium 7 mittels einer Umwälzpumpe (nicht dargestellt) umgewälzt werden. Die Umwälzpumpe kann in dem Zwischenraum 8 angeordnet sein.
  • Durch die Integration des Druckgastanks 2 in den Wärmespeichertank 6 entfallen aufwendige Transportsysteme für das Wärmespeichermedium 7. Der Druckgastank 2 und der Wärmespeichertank 6 sind ohne großen konstruktiven Aufwand auf dem gleichen Temperaturniveau durch den direkten Kontakt energetisch gekoppelt. Ändert sich die Temperatur des Gases 3 oder des Wärmespeichermediums 7, so ändert sich entsprechend die Temperatur des Wärmespeichermediums 7 bzw. des Gases 3. Die Druckgasspeichervorrichtung 1 hat dadurch einen verbesserten Wirkungsgrad. Insbesondere kann die Druckgasspeichervorrichtung 1 zum Speichern von Druckluft eines Druckluftkraftwerks (nicht näher dargestellt) dienen. Wenn bspw. mit einem solchen Druckluftkraftwerk Energie in dem Druckgastank 2 in Form des komprimierten Gases 3 gespeichert wird, kann die dadurch entstehende nutzbare Wärmeenergie in Form des Wärmespeichermediums 7 weiter verwendet werden. Bspw. kann das erhitzte Wärmespeichermedium 7 zur Verringerung von Heizkosten beitragen. Die Verringerung von Heizkosten ist sehr vorteilhaft.
  • Vorzugsweise weist die Druckgasspeichervorrichtung 1 einen Kompressor 11 auf. Der Kompressor 11 ist vzw. elektrisch betrieben. Der Kompressor 11 wird vzw. von einem Elektromotor angetrieben. Insbesondere kann der Kompressor 11 in die Druckgasspeichervorrichtung 1 integriert sein. Hierdurch kann die Abwärme des Kompressors 11 zur Erwärmung des Wärmespeichermediums 7 genutzt werden. Der Druckgastank 2 weist einen Einlass 12 auf, wobei der Einlass 12 den Druckgastank 2 mit einer Vorkammer 13 verbindet. In der Vorkammer 13 ist der Kompressor 11 angeordnet. Die Vorkammer 13 wiederum weist einen Eingang 14 auf, wobei der Eingang 14 zur Zufuhr des Gases 3 dient. Das Gas 3 strömt durch den Eingang 14 zum in der Vorkammer 13 angeordneten Kompressor 11. Mit dem Kompressor 11 wird das Gas 3 komprimiert und in den nicht näher bezeichneten Innenraum des Druckgastanks 2 gepumpt.
  • Der Druckgastank 2 weist ferner einen Auslass 15 auf. Der Auslass 15 ist hier durch ein Rohr 16 ausgebildet. Das Rohr 16 bildet in der Außenwand 10 des Wärmespeichertanks 6 einen Ausgang 17. Der Ausgang 17 kann funktional wirksam mit einem druckluftgetriebenen Stromgenerator 18 verbunden sein.
  • Der Stromgenerator 18 kann in alternativer Ausgestaltung in einer nicht dargestellten Kammer der Druckgasspeichervorrichtung 1 angeordnet sein. Die Druckgasspeichervorrichtung 1 dient damit zur Umwandlung und Zwischenspeicherung von elektrischer Energie. Die elektrische Energie wird mittels des Kompressors 11 in Arbeit am Gas 3 umgewandelt. Durch die Kompression des Gases 3 entsteht Wärmeenergie, die in dem Wärmespeichermedium 7 gespeichert wird. Wenn die gespeicherte Energie wieder benötigt wird, kann das komprimierte Gas 3 aus dem Druckgastank 2 über den Auslass 15 und den Ausgang 17 wieder abgelassen werden und dem Stromgenerator 18 zugeführt werden. Entsprechende Steuerventile, insbesondere im Bereich des Auslasses 15 sind hier nicht im einzelnen dargestellt.
  • Die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung 5, hier vzw. der Wärmetauscher, nämlich insbesondere der Wärmespeichertank 6 weist vzw. mehrere Anschlüsse 19, 20 auf, wobei das Wärmespeichermedium 7 über die Anschlüsse 19, 20 dem Wärmespeichertank 6 zugeführt oder aus dem Wärmespeichertank 6 entnommen werden kann. Der Anschluss 20 ist höher als der Anschluss 19 angeordnet. Der Anschluss 20 ist nahe der Decke 9 des Wärmespeichertanks 6 angeordnet und der Anschluss 19 ist nahe der nicht näher bezeichneten Unterseite des Wärmespeichertanks 6 angeordnet. Der Anschluss 20 dient zur Entnahme des erwärmten Wärmespeichermediums 7. Der Anschluss 19 dient zur Zufuhr von kaltem Wärmespeichermedium 7. Die Temperatur des Wärmespeichermediums 7, insbesondere wenn Wasser verwendet wird, kann zwischen 80 und 90°C liegen. Bei Wassertemperaturen von 80–90°C können die Anschlüsse 19, 20 als übliche Wasseranschlüsse ausgebildet sein.
  • Es existieren nun verschiedene, bevorzugte Verwendungsmöglichkeiten für die Druckgasspeichervorrichtung 1:
    Unter Berücksichtigung der entsprechenden unterschiedlichen Verwendungsmöglichkeiten kann insbesondere dann auch die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere spezifisch weiter ausgestaltet werden. Bspw. ist durchaus denkbar, dass – im einfachsten Fall – die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung im wesentlichen ausschließlich den Wärmespeichertank 6 aufweist und hierdurch eine Art ”Heizkörper” ausgebildet ist, wobei von der Außenwandung des Wärmespeichertanks dann über Konvektion Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird. Bei den bevorzugten weiteren Ausführungsformen weist jedoch der Wärmespeichertank 6 insbesondere auch einen Zufluss und Abfluss für ein Wärmespeichermedium auf mit dessen Hilfe die im Druckgastank 2 entstehende bzw. entstandende Wärme abführbar ist, wobei diese Energie sinnvoll weiter verwendet werden kann, bspw. in einem Heizungssystem oder bei anderen Anwendungsfällen, wie auch die folgenden Ausführungen zeigen:
    Der Kompressor 11 kann bspw. mit Strom aus einer Fotovoltaikanlage (nicht dargestellt) angetrieben werden. Fotovoltaikanlagen erzeugen regenerativ Strom. Mit der Druckgasspeichervorrichtung 1 kann die Fotovoltaikanlage nicht nur den Strombedarf bedienen, sondern auch einen Haushalt mit Wärmeenergie über das Wärmespeichermedium 7 bedienen. So eine Druckgasspeichervorrichtung 1 kann bspw. für einen oder für mehrere Haushalte bereitgestellt werden, wobei der Strom aus einer oder mehrere Fotovoltaikanlagen über den Kompressor 11 in dem Druckgastank 2 zwischengespeichert wird. Der Kompressor 11 kann jedoch auch mit einer anderen Stromquelle verbunden sein, bspw. mit dem Generator einer Windkraftanlage oder mit dem öffentlichen Stromnetz.
  • Ferner ist denkbar, die Druckgasspeichervorrichtung 1 in öffentlichen Stromnetzen einzusetzen, um die lokale Versorgungssicherheit im Stromnetz zu erhöhen.
  • Bei der Gasentnahme aus dem Druckgastank 2 kühlt sich das Gas 3 bzw. die Luft ab. Denkbar wäre, dass austretende, abgekühlte Gas 3 funktional wirksam über den Ausgang 17 mit einem Kühlsystem oder einer Klimaanlage zu verbinden.
  • Ferner ist denkbar, den Ausgang 17 bspw. durch Rohrleitungen mit Druckluftanschlüssen zu verbinden. An diesen Druckluftanschlüssen könnten Reifen aufgepumpt werden oder druckluftbetriebene Arbeitsmittel angeschlossen werden.
  • Wenn die Druckkraftspeichervorrichtung 1 mit einem nachgeschalteten Stromgenerator 18 betrieben wird, kann die Druckgasspeichervorrichtung 1 zum Abfangen von Verbrauchsspitzen dienen. Nachts kann Energie in dem Druckgastank 2 gespeichert werden und zu einer Spitzenlastzeit – bspw. morgens zwischen 6 Uhr und 8 Uhr – kann Strom in das öffentliche Stromnetz zurückgespeist werden.
  • Ferner ist auch denkbar das Wärmespeichermedium 7 zu heizen, um durch die dadurch ausgelöste Erwärmung des Gases 3 einen höheren Druck im Druckgastank 2 zu erzeugen. In diesem Fall wäre die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere als Wärmezuführvorrichtung ausgebildet. Dieser höhere Druck im Druckgastank 2 kann wiederum mittels des Stromgenerators 18 in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Druckgasspeichervorrichtung 1 dient in diesem Fall nicht nur als Wärmespeicher, sondern als Wandler für Wärmeenergie in Stromenergie. Es besteht also prinzipiell die Möglichkeit der Umwandlung von Heizenergie in Druckenergie und somit in elektrischen Strom. Dadurch wird die verfügbare Stromreserve mittels Heizenergie erhöht.
  • Ferner ist es denkbar, die Druckgasspeichervorrichtung 1 als Stromzwischenspeicher für Windenergieanlagen einzusetzen. Durch die Erwärmung des Speichermediums 7, wäre diese Druckgasspeichervorrichtung 1 auch als Wärmequelle für die Versorgung größere Objekte, wie z. B. Dörfer, Städte und/oder Gewerbebetriebe geeignet. Die Größe des Druckgastankes 2 und das Volumen des Wärmespeichertanks 6 müsste entsprechend angepasst bzw. skaliert werden. Die Druckgasspeichervorrichtung 1 hat die oben genannten Vorteile, da sich der Druckgastank 2 innerhalb des Wärmespeichertanks 6 befindet. Der Druckgastank 2 hat direkten Kontakt zum Wärmespeichermedium 7. Die thermische Kopplung zwischen dem Druckgastank 2 und dem Wärmespeichertank 6 bzw. dem Wärmespeichermedium 7 ist möglichst hoch. Dies kann durch eine entsprechende Formgebung des Druckgastanks 2 und eine geeignete Oberflächeneigenschaft des Druckgastanks 2 erfolgen. Insbesondere ist die Oberfläche des Druckgastankes 2 möglichst groß, so dass eine große Kontaktfläche (nicht näher bezeichnet) mit dem Wärmespeichermedium 7 entsteht.
  • Im folgenden darf auf 2 und 3 näher eingegangen werden.
  • In 2 und 3 ist eine Druckgasspeichervorrichtung 21 gut zu erkennen. Die Druckgasspeichervorrichtung 21 weist mehrere, vzw. vier Druckgastanks 22a, 22b, 22c, 22d auf. In alternativer Ausgestaltung kann die Anzahl der Druckgastanks 22a, 22b, 22c, 22d größer oder kleiner als vier sein.
  • Die Druckgastanks 22a, 22b, 22c, 22d dienen zum Speichern eines Gases 23. Als Gas 23 kann insbesondere Luft dienen. Die Druckgastanks 22a, 22b, 22c, 22d sind beabstandet voneinander angeordnet. Die Druckgastanks 22a, 22b, 22c, 22d sind vzw. im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet. Die Druckgastanks 22a, 22b, 22c, 22d erstrecken sich im wesentlichen parallel zueinander. Die Druckgastanks 22a, 22b, 22c, 22d weisen jeweils eine Wand 24 auf. Die Wand 24 ist aus einem vzw. gut wärmeleitenden Material hergestellt. Insbesondere können die Druckgastanks 22a, 22b, 22c, 22d aus Kupfer oder einer Aluminiumlegierung ggf. mit einem Korrosionsschutz hergestellt sein.
  • Die Druckgasspeichervorrichtung 21 weist ferner eine Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung 25, insbesondere einen Wärmetauscher auf. Die Druckgastanks 22a, 22b, 22c, 22d stehen mit der Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung 25, insbesondere dem Wärmetauscher in Wirkverbindung.
  • Die eingangs genannten Nachteile sind nun dadurch vermieden, dass die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung 25, insbesondere der Wärmetauscher (25) einen Wärmespeichertank 26 aufweist, wobei die Druckgastanks 22a, 22b, 22c, 22d innerhalb des Wärmespeichertanks 26 angeordnet sind. Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen darf an dieser Stelle auch auf die Ausführungen zu 1 verwiesen werden, wo die grundsätzliche Funktionsweise bereits in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel für nur einen Druckgastank 2 erläutert worden ist, hierauf aber Bezug genommen werden darf.
  • Der Wärmespeichertank 26 ist mit einem Wärmespeichermedium 27 gefüllt. Das Wärmespeichermedium 27 ist vzw. als ein Fluid ausgebildet. Das Wärmespeichermedium 27 ist vzw. Wasser. Der Wärmespeichertank 26 bildet eine Hülle um die Druckgastanks 22a, 22b, 22c, 22d. Das Wärmespeichermedium 27 umgibt die Druckgastanks 22a, 22b, 22c, 22d. Das Wärmespeichermedium 27 umspült die Wände 24 der Druckgastanks 22a, 22b, 22c, 22d. Hierdurch ist ein besonders guter Wärmeenergieaustausch zwischen dem Wärmespeichermedium 27 und dem Gas 23 ermöglicht. Die Druckgastanks 22a bis 22d stehen in direktem Kontakt mit dem Wärmespeichermedium 27. Der Wärmespeichertank 26 und die Druckgastanks 22a bis 22d begrenzen einen Zwischenraum 28, wobei der Zwischenraum 28 mit dem Wärmespeichermedium 27 gefüllt ist.
  • Die Verwendung von mehreren Druckgastanks 22a bis 22d hat den Vorteil, dass die Oberfläche der Druckgastanks 22a bis 22d vergrößert ist. Diese im Kontakt mit dem Wärmespeichermedium 27 stehende Oberfläche ermöglicht einen schnellen Austausch der Wärmeenergie zwischen dem Wärmespeichermedium 27 und dem Gas 23. Die Druckgastanks 22a bis 22d sind über entsprechende Ein- und Auslassöffnungen 29 mit dem Gas 23 befüllbar. Durch die Ein- und Auslassöffnungen kann ferner das Gas 23 aus den Druckgastanks 22a bis 22d wieder abgelassen werden. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausgestaltung ist hier kein Kompressor dargestellt. Ferner sind Einlass und Auslass nicht getrennt voneinander ausgebildet, sondern in die Ein- und Auslassöffnungen 29 zusammengefasst.
  • Der Wärmespeichertank 26 weist einen unteren Anschluss 30 und einen darüber angeordneten oberen Anschluss 31 für das Wärmespeichermedium 27 auf. Der Wärmespeichertank 26 weist daher vzw. mehrere Anschlüsse 30, 31 auf. Das Wärmespeichermedium 27 kann über die Anschlüsse 30, 31 dem Wärmespeichertank 26 zugeführt oder aus dem Wärmespeichertank 26 entnommen werden. Der Anschluss 31 ist hier höher als der Anschluss 30 angeordnet. Der Anschluss 31 ist nahe der nicht näher bezeichneten Oberseite des Wärmespeichertanks 26 angeordnet und der Anschluss 30 ist nahe der nicht näher bezeichneten Unterseite des Wärmespeichertanks 26 angeordnet. Der Anschluss 31 dient zur Entnahme des erwärmten Wärmespeichermediums 27. Der Anschluss 30 dient zur Zufuhr von „kaltem” Wärmespeichermedium 27. Das durch die Druckgastanks 22a bis 22d erwärmte Wärmespeichermedium 27 steigt von unten nach oben auf, so dass am oberen Anschluss 31 das erwärmte Wärmespeichermedium 27 entnommen werden kann.
  • Durch die in den 1 bis 3 dargestellte Druckgasspeichervorrichtung 1 bzw. 21, die einen oder mehrere Druckgastanks 2 bzw. 22a bis 22d aufweist und eine entsprechende Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung 5 bzw. 25 aufweist, die auch als Wärmezuführ- bzw. Wärmeabführvorrichtung bezeichenbar ist und vzw. als eine Art einfacher Wärmetauscher, nämlich insbesondere als Wärmespeichertank mit einem Zufluss und einem Abfluss ausgebildet ist, so wie in den 1 bis 3 dargestellt, bildet das so ausgestaltete System grundsätzlich eine ”Wärmetauscher-Einheit”, die im wesentlichen aus dem Druckgastank 2 bzw. den Druckgastank 22a bis 22d und der jeweiligen Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung gebildet ist und auf vielfältige Art und Weise und auf unterschiedlichen Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen kann.
  • Ferner kann die Druckgasspeichervorrichtung „invers” zu den beiden in 1 bis 3 dargestellten Druckgasspeichervorrichtungen aufgebaut sein. Hierbei ist die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere der Wärmetauscher innerhalb des Druckgastanks angeordnet (nicht dargestellt). Dies ist eine „inverse” Lösung zur oben genannten Lösung der Aufgabe. Diese inverse Lösung hat – verglichen zu den im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen – den Vorteil, dass die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere der Wärmetauscher bzw. dessen Wandung in direktem Kontakt mit dem Gas steht direkt bzw. direkt vom Gas umgeben ist. Das Gas umgibt die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere den Wärmetauscher möglichst vollständig. Dadurch wird die bspw. aufgrund der Kompression des Gases entstehende Wärmeenergie ohne Umwege zum Erwärmen des Wärmespeichermediums genutzt. Hierdurch ist ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Druckgas und dem Wärmespeichermedium hergestellt. Der Druckgastank ist direkt mit dem Wärmespeichermedium gekoppelt. Wird die Temperatur bspw. im Druckgastank durch eine Expansion oder eine Kompression des darin enthaltenen Gases geändert, gleicht sich die Temperatur im Wärmespeichermedium besonders schnell an, da das Gas die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere den Wärmetauscher bzw. dessen Wandung direkt umgibt, insbesondere umspült. Die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere der Wärmetauscher kann zusätzlich Rippen, Lamellen oder Rohrwendel aufweisen, wobei diese Rippen, Lamellen oder Rohwendel von einem Wärmespeichermedium durchflossen sind. Die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere der Wärmetauscher bzw. dessen Wandung ist vzw. besser wärmeleitend ausgebildet als eine Außenwand des Druckgastankes. Der Druckgastank ist daher vzw. thermisch gut gedämmt. Die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere der Wärmetauscher ist vzw. thermisch gut leitend ausgebildet. Wie bereits oben angesprochen, ist auch mit der ”inversen Lösung” durch das so gebildete System im wesentliche eine ”Wärmetauscher-Einheit” gebildet, die auf unterschiedlichen Anwendungsgebieten eingesetzt werden kann, so wie bereits oben für die Druckgasspeichervorrichtung 1 näher beschrieben.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Druckgasspeichervorrichtung
    2
    Druckgastank
    3
    Gas
    4
    Wand
    5
    Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung
    6
    Wärmespeichertank
    7
    Wärmespeichermedium
    8
    Zwischenraum
    9
    Decke
    10
    Außenwand
    11
    Kompressor
    12
    Einlass
    13
    Vorkammer
    14
    Eingang
    15
    Auslass
    16
    Rohr
    17
    Ausgang
    18
    Stromgenerator
    19
    Anschluss
    20
    Anschluss
    21
    Druckgasspeichervorrichtung
    22a
    Druckgastank
    22b
    Druckgastank
    22c
    Druckgastank
    22d
    Druckgastank
    23
    Gas
    24
    Wand
    25
    Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung
    26
    Wärmespeichertank
    27
    Wärmespeichermedium
    28
    Zwischenraum
    29
    Ein- und Auslassöffnung
    30
    Anschluss
    31
    Anschluss
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006019993 B3 [0002]
    • EP 0670452 A1 [0003]
    • DE 102006031424 A1 [0004]
    • DE 102008036100 A1 [0005]

Claims (17)

  1. Druckgasspeichervorrichtung (1, 21) mit mindestens einem Druckgastank (2, 22a, 22b, 22c, 22d) und mit einer Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung (5, 25), insbesondere mit einem Wärmetauscher, wobei der Druckgastank (2, 22a, 22b, 22c, 22d) mit der Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung (5, 25) in Wirkverbindung steht, insbesondere wärmeübertragend gekoppelt oder koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung (5, 25) einen Wärmespeichertank (6, 26) aufweist, wobei der Druckgastank (2, 22a, 22b, 22c, 22d) im wesentlichen innerhalb des Wärmespeichertanks (6, 26) angeordnet ist.
  2. Druckgasspeichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmespeichermedium (7, 27), insbesondere Wasser, innerhalb des Wärmespeichertanks (6, 26) vorgesehen ist und den Druckgastank (2, 22a, 22b, 22c, 22d) umgibt.
  3. Druckgasspeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgastank (2, 22a, 22b, 22c, 22d) eine Wand (4, 24) aufweist, wobei die Wand (4, 24) einerseits in direktem Kontakt mit einem Gas (3, 23) und andererseits mit dem Wärmespeichermedium (7, 27) steht.
  4. Druckgasspeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Druckgastanks (22a, 22b, 22c, 22d) vorgesehen sind.
  5. Druckgasspeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompressor (11) vorgesehen ist.
  6. Druckgasspeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgastank (2) einen Einlass (12) aufweist, wobei der Einlass (12) den Druckgastank (2) mit einer Vorkammer (13) verbindet und in der Vorkammer (13) der Kompressor (11) angeordnet ist.
  7. Druckgasspeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (13) einen Eingang (14) aufweist, wobei der Eingang (14) zur Zufuhr des Gases (3) zum Kompressor (11) dient.
  8. Druckgasspeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgastank (2) einen Auslass (15) aufweist.
  9. Druckgasspeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (15) funktional wirksam mit einem druckluftgetriebenen Stromgenerator (18) verbunden oder verbindbar ist.
  10. Druckgasspeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (4, 24) des Druckgastankes (2, 22a, 22b, 22c, 22d) besser wärmeleitend ist als die Außenwand (10) des Wärmespeichertanks (6, 26).
  11. Druckgasspeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeichertank (6, 26) mehrere Anschlüsse (19, 20, 30, 31) aufweist, wobei das Wärmespeichermedium (7, 27) über die Anschlüsse (19, 20, 30, 31) dem Wärmespeichertank (6, 26) zuführbar oder aus dem Wärmespeichertank (6, 26) entnehmbar ist.
  12. Druckgasspeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Anschlüsse (20, 31) höher als der andere Anschluss (19, 30) angeordnet ist.
  13. Druckgasspeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgastank (2, 22a, 22b, 22c, 22d) und die Wärmeaufnahme und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung (5, 25) so angeordnet und/oder ausgebildet sind, so dass aus dem so gebildeten System eine Art „Wärmetauscher-Einheit” gebildet ist.
  14. Druckgasspeichervorrichtung mit einem Druckgastank und mit einer Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere einem Wärmetauscher, wobei der Druckgastank mit der Wärmeaufnahme und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung in Wirkverbindung steht, insbesondere wärmeübertragend gekoppelt oder koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere der Wärmetauscher innerhalb des Druckgastanks angeordnet ist.
  15. Druckgasspeichervorrichtung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die entsprechende Wandung der Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere die Wandung des Wärmetauschers besser wärmeleitend ausgebildet ist als eine Außenwand des Druckgastankes.
  16. Druckgasspeichervorrichtung nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere der Wärmetauscher Rippen, Lamellen oder Rohrwendel aufweist.
  17. Druckgasspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgastank und die Wärmeaufnahme- und/oder Wärmeübertragungsvorrichtung derart ausgebildet und/oder angeordnet sind, so dass hierdurch eine Art ”Wärmetauscher-Einheit” gebildet ist.
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