DE102010034294A1

DE102010034294A1 - Wärmespeicher

Info

Publication number: DE102010034294A1
Application number: DE102010034294A
Authority: DE
Inventors: Dr. Maaß Hans-Jürgen; Dr. Mostertz Mathias; Steven Koning; Andrew Lochbrunner; Ulrich Schlathölter
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2012-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher (W) mit einem flüssigen Wärmeträger (W1, W2) und einem Speicherbehälter (S), der einen zur Aufnahme des Wärmeträgers geeigneten Speicherraum (SP) aufweist. Der Speicherbehälter (S) umfasst eine bewegliche Trennwand (T), die den Speicherraum (SP) während des Betriebs des Wärmespeichers (W) in zwei Teilräume (T1, T2) trennt, von denen jeder eine Teilmenge (W1, W2) des flüssigen Wärmeträgers enthalten kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher mit einem flüssigen Wärmeträger und einem Speicherbehälter, der einen zur Aufnahme des Wärmeträgers geeigneten Speicherraum aufweist.
Solarthermische Kraftwerke nutzten die Energie der Sonne zur Stromerzeugung. Über Spiegel wird die Strahlung der Sonne auf einen Absorber fokussiert und in Wärme umgewandelt, die auf ein in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierendes Thermalöl übertragen wird. Das Thermalöl, das sich im Absorber auf eine Temperatur von ca. 400°C aufheizt, gibt einen Teil seiner Wärmeenergie über einen Wärmtauscher wieder ab, wobei überhitzter Wasserdampf erzeugt wird. Auf eine Temperatur von ca. 300°C abgekühlt, gelangt das Thermalöl schließlich zurück zum Absorber. Der überhitzte Wasserdampf wird in einer mit einem Generator gekoppelten Dampfturbine entspannt, und erzeugt auf diese Weise elektrischen Strom. Um auch zu Zeiten elektrischen Strom erzeugen zu können, in denen die Sonne nicht scheint, umfasst ein solarthermisches Kraftwerke gewöhnlich einen Wärmespeicher, in dem in sonnenreichen Zeiten ein Teil der über den Absorber aufgenommenen Sonnenwärme gespeichert und aus dem in sonnenarmen Zeiten Wärme zu Stromproduktion entnommen wird. Nach dem Stand der Technik weist ein solcher Wärmespeicher zwei thermisch gegen die Umgebung isolierte, voneinander getrennte Speicherbehälter auf, zwischen denen eine als Wärmeträger dienende Salzschmelze hin und her gepumpt werden kann. Zur Wärmespeicherung wird einem der Speicherbehälter Salzschmelze mit einer Temperatur von ca. 300°C entnommen, über einen mit dem Absorber gekoppelten Wärmetauscher auf ca. 400°C aufgeheizt und anschließend zur Zwischenspeicherung in den zweiten Speicherbehälter gepumpt. Beispielsweise in der Nacht wird aus dem zweiten Speicherbehälter Salzschmelze abgezogen, über einen mit dem Dampfkreislauf der Dampfturbine gekoppelten Wärmetauscher unter Produktion von Wasserdampf auf ca. 300°C abgekühlt und anschließend in den ersten Speicherbehälter zurückgeführt.
Nicht zuletzt aufgrund der erforderlichen Größe der beiden Speicherbehälter fallen für einen Wärmespeicher Investitionskosten an, die die Wirtschaftlichkeit eines solarthermischen Kraftwerks erheblich beeinträchtigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmespeicher der gattungsgemäßen Art anzugeben, der im Vergleich zum Stand der Technik geringere Investitionskosten aufweist.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Speicherbehälter eine bewegliche Trennwand umfasst, die den Speicherraum während des Betriebs des Wärmespeichers in zwei Teilräume trennt, von denen jeder eine Teilmenge des flüssigen Wärmeträgers enthalten kann.
Vorzugsweise können die beiden Teilräume dazu genutzt werden, um während des Betriebs des Wärmespeichers sowohl durch Wärmezufuhr aufgeheizten als auch durch Wärmeabfuhr abgekühlten flüssigen Wärmeträger aufzunehmen. Hierbei kann aufgeheizter Wärmeträger einem der Teilräume zugeführt bzw. entnommen werden, während gleichzeitig abgekühlter Wärmeträger dem zweitem Teilraum mit gleichem Massenstrom entnommen bzw. zugeführt wird. Der erfindungsgemäße Wärmespeicher kann daher mit nur einem einzigen Speicherbehälter ausgeführt werden, dessen Bauvolumen nur etwa halb so groß ist, wie das der beiden Speicherbehälter, die für einen konventionellen Wärmespeicher erforderlich sind. Entsprechend geringer sind auch die für den Speicherbehälter anfallenden Investitionskosten.
Um Wärmeverluste an die Umgebung zu begrenzen, ist der Speicherraum des Speicherbehälters erfindungsgemäß von einer Wärmeisolierung umgeben, die den Speicherraum gegenüber der Umgebung thermisch isoliert. Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass die bewegliche Trennwand als thermischer Isolator ausgeführt ist, der den Wärmeübergang zwischen den beiden flüssigen Wärmeträgern, wenn schon nicht vollständig unterbindet, so doch zumindest erschwert.
Sowohl der Speicherraum als auch die beiden Teilräume können beliebige Form und Lage aufweisen. Bevorzugt jedoch liegt der geometrische Schwerpunkt des einen Teilraumes in jedem Betriebszustand des Wärmespeichers höher als der geometrische Schwerpunkt des zweiten Teilraumes, so dass von einem oberen und einem unteren Teilraum gesprochen werden kann. Sinnvollerweise weist im oberen Teilraum gespeicherter Wärmeträger eine höhere Temperatur, und damit eine geringere Dichte auf, als Wärmeträger, der im unteren Teilraum gespeichert ist. Die bewegliche Trennwand ist vorzugsweise mit einer mittleren Dichte ausgeführt, die größer ist als die Dichte des wärmeren und kleiner als die Dichte des kälteren Wärmeträgers, so dass sie Trennwand auf dem kälteren Wärmeträger schwimmen, bzw. zwischen kälterem und wärmerem Wärmeträger im Speicherraum schweben kann.
Die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Speicherbehälters hängt wesentlich davon ab, dass die bewegliche Trennwand sich stets frei und ungehindert durch den Speicherraum bewegen kann. Zumindest der Bereich des Speicherraums, durch den sich die bewegliche Trennwand während des Betriebs des erfindungsgemäßen Wärmspeichers bewegen kann, weist daher vorzugsweise eine Form ohne Kanten und Absätze auf, an denen sich die Trennwand verhaken oder verklemmen könnte. Besonders bevorzugt ist der Speicherraum, zumindest in dem oben beschriebenen Teilbereich, als senkrecht stehender Zylinder ausgeführt, entlang dessen Längsachse die Trennwand frei beweglich ist. Form und Abmessungen der beweglichen Trennwand sind so gewählt, dass ein Verklemmen der Trennwand im zylindrischen Teil des Speicherraums in jeder Betriebsphase des Wärmespeichers sicher ausgeschlossen ist. Zweckmäßigerweise besitzt die bewegliche Trennwand die Form eines Zylinders, dessen Durchmesser umso größer gewählt werden kann, je geringer seine Höhe ist. Da die bewegliche Trennwand ihre Aufgabe, die beiden Wärmeträger voneinander zu trennen, umso besser erfüllen kann, je größer ihr Durchmesser ist, wird sie zweckmäßigerweise als flacher Zylinder ausgeführt, der ein Verhältnis von Durchmesser zu Höhe von mehr als fünf aufweist. Vorstellbar ist auch, dass die bewegliche Trennwand als Kugel oder Kugelsegment oder Kugelschicht ausgeführt ist.
Zweckmäßigerweise besitzt die bewegliche Trennwand die Eigenschaft der dynamischen Eigenstabilisierung. Hierunter ist zu verstehen, das sie während des Betriebs des Wärmespeichers selbständig wieder in ihre ursprüngliche Gleichgewichtslage zurückzustreben, sobald sie – beispielsweise aufgrund von Turbulenzen einem oder in beiden der flüssigen Wärmeträgern – aus dieser ausgelenkt wird. Um die dynamischen Eigenstabilisierung zu erreichen, ist die bewegliche Trennwand sinnvollerweise mit einem tief liegenden Schwerpunkt ausgeführt, der sich auf ihrer senkrechten Achse befindet.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die 1 zeigt einen Wärmespeicher mit einem Speicherbehälter, der einen weitgehend zylinderförmigen Speicherraum aufweist.
Der Wärmespeicher W eignet sich dazu, Wärme zu speichern und zeitversetzt wieder abzugeben. Ein zentrales Element des Wärmespeichers W bildet der Speicherbehälter S, der zur Aufnahme von flüssigem Wärmeträger dient, bei dem es sich beispielsweise um eine Salzschmelze handelt. Der Speicherbehälter S, der an seiner Außenseite mit einer Wärmeisolierung I versehen ist, weist in seinem Inneren einen Speicheraum SP auf, der weitgehend die Form eines senkrecht stehenden Zylinders besitzt. Während des Betriebes des Wärmespeichers W wird der Speicherraum SP durch die bewegliche Trennwand T in zwei Teilräume T1 und T2 getrennt, wobei sich im oberen Teilraum T1 Wärmeträger W1 befindet, der eine höhere Temperatur aufweist, als der Wärmeträger W2, den der untere Teilraum T2 enthält. Die bewegliche Trennwand T weist eine mittlere Dichte auf, die kleiner ist als die Dichte des kälteren Wärmeträgers W2, jedoch größer als die Dichte des wärmeren Wärmeträgers W1. Sie schwebt daher zwischen den beiden Wärmeträgern W1 und W2 und trennt diese voneinander. Zwischen der beweglichen Trennwand T und der Oberfläche des Speicherraumes SP besteht keine feste Verbindung, so dass sie sich mit dem Pegel des Wärmeträgers W2 entlang der Längsachse des Speicherraums SP auf und ab bewegen kann, wobei sich die Volumina der beiden Teilräume T1 und T2 gegensinnig, jedoch um den gleichen Betrag ändern. Um den Wärmeübergang zwischen den beiden Wärmeträgern W1 und W2 zu erschweren, ist die bewegliche Trennwand T als Isolator ausgeführt. Sie besitzt die Form eines flachen Zylinders, mit einem Durchmesser, der kleiner ist als derjenige des Speicherraumes SP.
Zur Speicherung von Wärme wird aus dem unteren Teilraum T2 flüssiger Wärmeträger W1 über Leitung 1 entnommen und mit Hilfe der Pumpe P1 durch den Wärmetauscher E1 geführt, wo er in indirektem Wärmetausch gegen ein Heizmedium 2 angewärmt wird, das sich dabei abkühlt. Bei dem Heizmedium 2 kann es sich beispielsweise um ein Thermalöl handeln, das im Absorber eines solarthermischen Kraftwerks aufgeheizt wurde. Über Leitung 3 wird der angewärmte flüssige Wärmeträger in den oberen Teilraum T1 eingeleitet, wo er die Menge des Wärmeträgers W1 vergrößert. Solange eine Entnahme von Wärmeträger W2 aus dem unteren Teilraum T2 möglich ist, kann die Wärmespeicherung fortgesetzt werden.
Um Wärme aus dem Wärmespeicher W zu entnehmen, wird flüssiger Wärmeträger W1 aus dem oberen Teilraum T1 über die Leitung 4 entnommen und mit Hilfe der Pumpe P2 durch den Wärmetauscher E2 geführt, wo er in indirektem Wärmetausch gegen ein Kühlmedium 5 abgekühlt wird, das sich dabei erwärmt. Bei dem Kühlmedium 5 kann es sich beispielsweise um Wasser handeln, das dabei in Dampf umgesetzt wird, der nachfolgend in einer Dampfturbine arbeitsleistend entspannt wird. Über Leitung 6 wird der abgekühlte flüssige Wärmeträger in den unteren Teilraum T2 eingeleitet, wo er die Menge des Wärmeträgers W2 vergrößert. Solange eine Entnahme von Wärmeträger W1 aus dem oberen Teilraum T1 möglich ist, kann die Wärmeentnahme fortgesetzt werden.

Claims

Wärmespeicher mit einem flüssigen Wärmeträger und einem Speicherbehälter, der einen zur Aufnahme des Wärmeträgers geeigneten Speicherraum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter eine bewegliche Trennwand umfasst, die den Speicherraum während des Betriebs des Wärmespeichers in zwei Teilräume trennt, von denen jeder eine Teilmenge des flüssigen Wärmeträgers enthalten kann.
Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand den Speicherraum in einen oberen und einen unteren Teilraum trennt, wobei der Wärmträger im oberen Teilraum eine höhere Temperatur aufweist als derjenige im unteren Teilraum.
Wärmespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Trennwand eine mittlere Dichte aufweist, die größer ist als die Dichte des wärmeren und kleiner als die Dichte des kälteren Wärmeträgers.
Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Trennwand als thermischer Isolator ausgeführt ist.
Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherraum zumindest einen Teilbereich aufweist, der als senkrecht stehender Zylinder ausgeführt ist, entlang dessen Längsachse die Trennwand frei beweglich ist.
Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Trennwand Zylinderform aufweist.
Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Trennwand die Eigenschaft der dynamischen Eigenstabilisierung aufweist.