DE102011000655A1

DE102011000655A1 - Wärmetransportsystem

Info

Publication number: DE102011000655A1
Application number: DE102011000655A
Authority: DE
Inventors: Uwe Athmann; Kristian Franzius
Original assignee: Athmann Uwe 45145; Franzius Kristian 32427
Current assignee: Athmann Uwe De; Franzius Kristian Mw; Hemsing Christian De; Steverding Stefan De
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2011-08-11
Anticipated expiration: 2031-02-12
Also published as: DE102011000655B4

Abstract

Verfahren zum Wärmetransport, wobei ein Wärmespeichermedium in einem transportablen Behälter (101) von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke transportiert wird, wobei der Behälter (101) Anschlussstutzen für eine Beladung und Entleerung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass für die Speicherung von sensibler Wärme bei Temperaturen unterhalb von 100°C Wasser als fluides Wärmespeichermedium verwendet wird, dass ein Behälter mit einem Mehrkammersystem zur getrennten Aufnahme von warmem (geladenem) und abgekühltem (entladenem) Wasser verwendet wird, wobei die Kammern jeweils in ihrem Volumen derart veränderbar sind, dass das Gesamtvolumen aller Kammern konstant ist, wobei jede Kammer mit wenigstens einem Anschlussstutzen in Fluidkommunikation steht, wobei die Befüllung und Entleerung der Kammern wenigstens zeitweise gleichzeitig erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmetransportsystem. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Wärmetransportsystem, welches ohne vorgegebene, installierte Transportwege, z. B. Leitungen auskommt sowie die hierfür benötigten mobilen Wärmespeicher und die Verfahren zu deren Be- und Entladung.
Durch steigende Energiepreise sowie durch den durch die Verbrennung fossiler Energieträger hervorgerufenen anthropogenen Treibhauseffekt gilt es, die vorhandene Energie effizienter zu nutzen und auch bislang nicht genutzte Energiequellen zu erschließen. Mit Hilfe der hier beschriebenen mobilen Wärmespeicher ist es möglich, bislang ungenutzte Abwärme vom Entstehungsort (Wärmequelle) zu Wärmeabnehmern (Wärmesenken) zu transportieren, um sie dort zu nutzen. Dadurch können in den Wärmesenken andere Energieträger substituiert und somit die Umwelt entlastet werden.
Prinzipiell besteht die Möglichkeit, diese Abwärme von der Quelle über ein leitungsgebundenes Nah- oder Fernwärmenetz zu Wärmesenken zu transportieren. Vielfach ist der Bau eines solchen leitungsgebundenen Wärmenetzes jedoch schwierig oder unwirtschaftlich. Dies ist besonders der Fall, wenn es schwierige Geländesituationen wie z. B. die Querung von Flüssen oder Bahnstrecken zu bewältigen gilt.
Zur Speicherung von thermischer Energie ohne Leitungsbindung stehen generell drei physikalische Prozesse zur Verfügung: die sensible, latente und thermochemische Wärmespeicherung. Erste Systeme, welche sich der Speicherung latenter Wärme bedienen, um diese ohne Leitungsbindung zu transportieren, sind bereits am Markt verfügbar. Bei diesen Latentwärmespeichern auf Natriumacetatbasis ist die auskoppelbare Temperatur verfahrensbedingt auf etwa 50°C begrenzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, bestehende Abwärmepotenziale in vereinfachter und günstiger Weise nutzbar zu machen und somit zur Ressourcenschonung und zum Klimaschutz beizutragen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 6 sowie durch die Wärmetransportsysteme gemäß den Ansprüchen 5 und 9.
Die Erfindung basiert ausschließlich auf der sensiblen Wärmespeicherung. Die Temperatur der Wärmeträger (des Wärmespeichermediums) wird also verändert, um Wärmeenergie aufzunehmen oder abzugeben. Die aufgeladenen Wärmeträger werden dann vom Ort einer Wärmequelle zum einer Wärmesenke verbracht, wo die Wärme entladen wird.
Die Erfindung ist insbesondere für die mobile Nutzung von Abwärme aus industriellen, gewerblichen sowie landwirtschaftlichen Quellen bestimmt. Die Nutzung von Abwärme, wie sie in vielen Industrieprozessen, aber auch in Kraftwerken und Biogasanlagen anfällt, ist gemäß der Erfindung speicherbar und transportierbar. Diese Abwärme wird bislang nur teilweise genutzt und meist über Kühler in die Atmosphäre geleitet, da vielfach kein unmittelbarer Wärmebedarf in der notwendigen Größenordnung am Ort der Entstehung vorhanden ist.
Wesentlicher Aspekt der Erfindung ist es, in Abgrenzung zu bekannten Verfahren der Wärmespeicherung und des Transports gespeicherter Wärme, Verfahren und Vorrichtungen vorzuschlagen, welche besonders einfach in ihrem Aufbau und besonders Vorteilhaft in der Benutzung sind.
Generell kann Abwärme als Niedertemperaturwärme (unter 100°C, z. B. Kühlwasser von Blockheizkraftwerken von Biogasanlagen) sowie als Hochtemperaturwärme (über 100°C, z. B. Prozessdampf oder Abgas von Blockheizkraftwerken) anfallen. Daher werden zwei Konzepte vorgeschlagen, wovon eines die Speicherung von Niedertemperaturwärme erlaubt (T < 100°C) und ein anderes die Speicherung von hochtemperaturwärme erlaubt (T > 100°C).
Erfindungsgemäß wird Niedertemperaturwärme in einem Wärmespeicherfluid und Hochtemperaturwärme in einem festen Wärmespeichermedium gespeichert. Als Wärmespeicherfluid wird, aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität und einfachen Handhabung, Wasser verwendet. Gegebenenfalls können diesem Wasser noch Zusätze zur Korrosionsminderung, Frostsicherheit etc. beigemischt werden.
In beiden Fällen werden kostengünstige Speichermedien verwendet, die außerdem nahezu überall verfügbar sind.
Erfindungsgemäß werden Behälter mit dem Speichermedium auf den verfügbaren Transportwegen zwischen Wärmequellen und Wärmesenken transportiert. Die Konzepte sind insbesondere auf den Straßentransport ausgerichtet, aber auch andere Transportsysteme sind denkbar. Es werden Speichermedien mit einer Masse von 5 bis 50 Tonnen verwendet. Zur einfacheren Integration in bestehende Logistikkonzepte können die Speicher in containerähnlicher Bauform ausgeführt sein.
Der Umschlag von Niedertemperaturwärme erfolgt erfindungsgemäß an Wärmequelle und Wärmesenke durch schnelles Umpumpen des Wärmespeicherfluids vom Mobilspeicher in den Stationärspeicher. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in demselben Behälter, welcher das geladene Speichermedium anliefert auch das entladene Speichermedium aus dem Stationärspeicher aufgenommen. Hierbei ist entscheidend, dass ein Vermischen von warmem und kaltem Wärmespeicherfluid verhindert wird. Dies wird durch mehrere Kammern im Behälter realisiert, die jeweils in ihrer Größe veränderbar sind. Das Gesamtvolumen der Kammern bleibt jedoch konstant. Eine Kammer kann also auf Kosten einer anderen Kammer vergrößert/verkleinert werden, indem die Kammertrennung verschoben wird.
Erfindungsgemäß können hierzu die im Folgenden beschriebenen Isolierkolben oder Schlauchtrennungen verwendet werden. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit beim Umfüllen können leckagefreie Schnellschlussventile, wie sie z. B. für den Umschlag von Chemikalien Anwendung finden, verwendet werden. Selbst wenn die Trennung der Kupplung versehentlich während des Umfüllvorgangs unter Druck erfolgt, beträgt die Leckrate nur wenige Milliliter (Beispiel: www.waltherpraezision.de, Serie CN).
Der Durchmesser der Anschlussstutzen des Niedertemperaturspeichers ist aufgrund der hohen Umpumpraten des Wärmespeicherfluids ausreichend zu dimensionieren. Bei einer Umpumprate von beispielsweise 5 m³/min sollten die Anschlussstutzen in DN 150 bzw. DN 200 ausgeführt werden. Der Durchmesser der Anschlussstutzen ist in der Regel derselbe wie der der Verbindungsleitungen oder -schläuche. Bei der Wahl zu kleiner Durchmesser steigt der Druckverlust unverhältnismäßig hoch an. Die Wahl zu großer Durchmesser ist aus rein technischer Sicht unkritisch, sie führt jedoch zu hohen Kosten z. B. für die Absperrarmaturen.
Die Menge an Niedertemperaturwärme, die mit einer LKW-Ladung transportiert werden kann, ist stark abhängig vom Temperaturniveau. Nach oben hin ist die Temperatur aus sicherheitstechnischen Gründen auf 95°C begrenzt. Damit bestimmt vor allem die für die Wärmesenke erforderliche Minimaltemperatur die Energiespeicherdichte pro LKW-Ladung. Beträgt diese, beispielsweise bei Schwimmbädern, 40°C, so kann eine Temperaturdifferenz von 55 Kelvin genutzt werden, und in einer Speichermasse von 23 Tonnen können etwa 1.500 kWh transportiert werden.
Die erfindungsgemäße Hochtemperaturspeicherung ist vor allem zur Nutzung der Abgasabwärme von Generatoren zur Stromerzeugung oder Blockheizkraftwerken interessant. Derzeit sind in der BRD etwa 5.000 Biogasanlagen mit einer elektrischen Gesamtleistung von etwa 1,7 GW installiert, die mit einer mittleren Verfügbarkeit von 8.000 Stunden pro Jahr betrieben werden. Die von Biogasanlagen nutzbare thermische Leistung entspricht etwa ihrer elektrischen Leistungsabgabe. Der Anteil der nutzbaren Hochtemperaturwärme beträgt knapp die Hälfte der thermischen Leistung. Die überwiegende Anzahl der Biogasanlagen verfügt über keine ausreichende Wärmenutzung, was überwiegend durch die Aufstellungsorte in ländlichen Gegenden begründet ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Wärmespeicher handelt es sich um eine Variation des Funktionsprinzips des Winderhitzers des Hochofenprozesses (sog. Cowper), bei dem schamottbasierte Steine als Wärmespeichermaterial eingesetzt werden und bei dem der Wärmeübergang ebenfalls durch direkten Gas-Feststoffkontakt ohne zusätzliche Wärmetauscher erfolgt. Für die mobile Wärmespeicherung scheidet die Verwendung von Schamottsteinen allerdings aus, da sie über eine zu geringe mechanische Festigkeit verfügen. Zusätzlich wird ihre hohe thermische Belastbarkeit bei der Speicherung von Motorenabgas nicht benötigt. Es ist erfindungsgemäß ein festes, poröses, vorzugsweise mineralisches Speichermaterial verwendbar. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt eine Kiesschüttung eine geeignete Kombination aus mechanischer und thermischer Stabilität bei gleichzeitig geringen Materialkosten dar.
Mit einer Speicherdichte von etwa 100 kWh pro Tonne Speichermasse ist der wirtschaftlich bedingte Transportradius für Hochtemperaturwärme größer als der für Niedertemperaturwärme. Darüber hinaus eröffnet die Speicherung von Hochtemperaturwärme weitere Anwendungsgebiete, die sich mit der erfindungsgemäßen Speicherung von Niedertemperaturwärme oder ersten marktverfügbaren mobilen Latentwärmespeichern auf Natriumacetatbasis (vgl. www.latherm.de), bei denen die auskoppelbare Temperatur auf etwa 50°C verfahrensbedingt begrenzt ist, kaum realisieren lassen. Zu diesen weiteren Anwendungsgebieten gehören z. B. die Dampferzeugung, der Betrieb von Adsorptionskälteanlagen für Tieftemperaturanwendungen sowie die aus trinkwasserhygienischen Gründen zum Abtöten von Legionellen erforderliche Brauchwassererwärmung auf über 60°C. Auch wenn ein Teil dieses Anwendungsgebietes theoretisch durch die Verwendung anderer Latentwärmespeichermedien erschlossen werden könnte, würde dies unter Inkaufnahme höherer Kosten zur Beherrschung von Korrosionsproblemen und einer möglichen Einstufung in die Gefahrgutverordnung geschehen. Zum Verfahren der thermochemischen mobilen Wärmespeicherung, z. B. mit Zeolithen, konnten sich bis heute keine Verfahren am Markt etablieren.
Die Be- und Entladung mit Hochtemperaturwärme erfolgt durch direkten Gas-Feststoffkontakt, da hierdurch der beste Wärmeübergang erzielt werden kann. Darüber hinaus entfallen hierbei verfahrensbedingt die Kosten für Wärmetauscher. Der Umschlag des Wärmespeichermaterials erfolgt erfindungsgemäß durch Austausch von Transporteinheiten, die beispielsweise als Container ausgeführt sein können.
Kurze Transport- und Umschlagzeiten sind für die Realisierung der Erfindung von besonderer ökonomischer Bedeutung. Abhängig von der verwendeten Technologie, den vereinbarten Preisen für die Abwärme und der transportierten Speichermasse liegt der Wert einer Speicherladung im Bereich von 50 bis über 100 Euro. Bei einer zukünftigen Erhöhung des zulässigen Gesamtgewichtes für LKW Transporte würde sich dieser Wert entsprechend erhöhen.
Bei den derzeitigen Betriebskosten für LKW oder größere Traktoren von etwa 60 bis 80 Euro pro Stunde (inklusive Fahrer) liegt der wirtschaftlich vertretbare Transportradius im Bereich zwischen 5 und 15 Kilometern und ist damit deutlich größer als der Versorgungsradius der meisten Nahwärmenetze.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen mobilen Hochtemperaturwärmespeicherung besteht in dem extrem einfachen und robusten Aufbau. Der Wärmespeicher kann, sofern er mit den Abgasen von Verbrennungsmotoren, deren Temperatur in aller Regel 400–500°C beträgt, beladen wird, weder überhitzen noch kann er überladen werden. In diesem Temperaturbereich kann z. B. Kies als Wärmespeichermaterial verwendet werden, da eine thermische Umwandlung des Materials, der sogenannte Quarzsprung, erst bei 573°C stattfinden würde und so sicher ausgeschlossen werden kann. Mit dem Bezugspreis von Kies, der in Kieswerken in der Größenordnung von mehreren Tausend Tonnen pro Tag umgesetzt wird und im Bereich von etwa 10 Euro pro Tonne liegt, kann kein anderes bekanntes Wärmespeichermaterial konkurrieren. Darüber hinaus ist Kies handelsüblich bereits in vielen Korngrößenverteilungen verfügbar, kann einfach nachgesiebt werden und besitzt verglichen mit vielen anderen Gesteinen eine vergleichsweise runde Struktur, die sich positiv auf die Durchströmung mit Gas und auf eine verfahrensnotwendige Auflockerung der Kiesschüttung auswirkt.
Zur Erhöhung des Wärmeüberganges vom heißen Abgas auf den kälteren Kies ist eine möglichst hohe Turbulenz der Gasströmung erforderlich, die zu einem erhöhten gasseitigen Differenzdruck oder Druckverlust über die Kiesschüttung führt. Dieser Druckverlust ist motorenseitig nach oben hin durch die ansteigenden Abgastemperaturen begrenzt. Verschiedene Motorentypen erlauben unterschiedliche maximale Abgasgegendrücke. Als allgemeingültige Obergrenze kann jedoch 10 mbar maximaler Abgasgegendruck angesehen werden. Damit ist der Hochtemperaturspeicher so zu dimensionieren, dass ein maximaler Gegendruck von etwa 7 mbar nicht überschritten werden kann.
Die Berechnung des Druckverlustes bei der Durchströmung von Schüttungen kann nach der Gleichung von Ergun berechnet werden, in die die Leerrohrströmungsgeschwindigkeit des Gases, dessen Temperatur, Dichte und Viskosität sowie der Kugeldurchmesser der Schüttung und dessen Lückengrad eingehen.
Mit zunehmender Temperatur steigt bei konstanter Gasströmung, bedingt durch die Erhöhung der Viskosität des Gases, der Druckverlust über die Schüttung. Daher sind die Hochtemperaturspeicher so auszulegen, dass der Druckverlust bei vollständig aufgeheiztem Speicher und einem gegebenen Abgasvolumenstrom sicher unterhalb von beispielsweise 7 mbar bleibt.
Die Beherrschung von verstärkten Randströmungen, die beim Durchströmen von in festen Geometrien befindlichen Schüttgütern auftreten, ist vergleichsweise einfach durch das Anbringen einer temperaturbeständigen weichen Schicht, wie z. B. Glaswolle, an den Behälterwänden zu erreichen. Glaswolle bietet darüber hinaus den Vorteil, dass sie bei einer verfahrensbedingten Unterschreitung des Wasser- und Säuretaupunktes (z. B. bei Biogasanlagen aus der Verbrennung von Schwefelwasserstoff) chemisch beständig ist. Die gasberührten Teile des Hochtemperaturwärmespeichers sollten aus diesem Grund aus höherwertigen Edelstählen, wie z. B. 1.4571, gefertigt sein. Für die ebenfalls mechanisch hoch beanspruchten Teile, wie den unteren Auflagerost und evtl. auch das gasdurchlässige Tragesystem unterhalb des Auflagerostes kann auch auf besonders gegen Schwefelsäure resistente Stähle wie 1.4539 zurückgegriffen werden.
Die wesentliche Herausforderung besteht in der Beherrschung der Wärmespannungen, die beim Aufheizen und Abkühlen der Schüttung entstehen. Die lineare Ausdehnung einzelner Kiesel liegt bei einer Temperaturänderung von 400 Kelvin etwa im Bereich von einem Prozent. Beim Abkühlen der Schüttung zieht sich diese zusammen, und es besteht die Gefahr, dass einzelne Steine in eine tiefere Ebene rutschen, so dass die Schüttung zusammensackt und sich im unteren Teil verdichtet. Bei erneuter Erwärmung treten dadurch im unteren Teil immer stärkere Kräfte durch die Wärmeausdehnung des Speichermaterials auf. Nach einer größeren Anzahl von Wechselzyklen kann es bei stationären Wärmespeichern hierdurch zu einer mechanischen Zerstörung der die Speichermasse umgebenden Behälter kommen.
Bei mobilen Wärmespeichern, die beispielsweise mit eher rundem Kies gefüllt sind, kommt es allein durch transportbedingte Erschütterungen zu einer fortwährenden Auflockerung des Speichermaterials. Durch die optional sich nach oben erweiternden konischen Behälterwände kann eine Ableitung der Wärmespannungen beim Aufheizvorgang nach oben erfolgen, die Auflockerung durch Transporterschütterungen wird begünstigt.
Das folgende Beispiel veranschaulicht eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Hochtemperaturwärmespeichers: Drei konische Behälter aus Edelstahl (z. B. 1.4571) mit einer Höhe von 2.300 mm, einem oberen Durchmesser von 2.000 mm und einem unteren Durchmesser von 1.500 mm sind in einem innenseitig wärmegedämmten Container installiert und mit insgesamt 23 Tonnen Kies gefüllt. Bei einer Beladung bis zu einer mittleren Temperatur von 450°C und einer Entladung bis auf 50°C können etwa 2.300 kWh an Wärme gespeichert werden. Für den Fall, dass zukünftig LKW-Transporte bis 60 Tonnen (sogenannte Gigaliner) zugelassen werden, erhöht sich der Anwendungsbereich aller Verfahren der mobilen Wärmespeicherung erheblich.
Die Metallkonstruktion der mobilen Hochtemperaturwärmespeicher nach dem o. g. Beispiel ist für alle Größen von Biogasanlagen und verwendeten Motorentypen gleich. Abhängig vom jeweiligen Abgasvolumenstrom und dem maximal zulässigen Abgasgegendruck werden unterschiedliche Kiesschüttungen verwendet.
Die Speicherdichte der erfindungsgemäßen Hochtemperaturwärmespeicherung pro Containerladung liegt mit etwa 100 kWh pro Tonne Speichermasse, unabhängig von der gesetzlich zulässigen Begrenzung der Transporttonnage, etwa 50 Prozent höher als die der erfindungsgemäßen Niedertemperaturwärmespeicherung, und damit im Bereich von marktverfügbaren Latentwärmespeichern auf Natriumacetatbasis.
Anhand der Zeichnungen wird das erfindungsgemäße Prinzip der mobilen sensiblen Wärmespeicherung näher erläutert:
1 und 2 zeigen den Lade- bzw. Entladevorgang mit einem mobilen Niedertemperaturwärmespeicher gemäß der Erfindung;
3 bis 5 zeigen alternative Ausführungsformen eines Niedertemperaturwärmespeichers mit Trennkolben gemäß der Erfindung;
6 bis 9 zeigen den Aufbau und die Anordnung eines Trennkolbens in einem Niedertemperaturwärmespeicher gemäß der Erfindung;
10 bis 12 zeigen eine Ausführungsform eines Niedertemperaturwärmespeichers mit Schlauchtrennung gemäß der Erfindung, wobei unterschiedliche Füllzustände dargestellt sind;
13 bis 15 zeige die Anordnung eines Trennschlauches in einem Niedertemperaturwärmespeicher gemäß der Erfindung;
16 bis 23 zeigen alternative Ausführungsformen eines Niedertemperaturwärmespeichers mit Schlauchtrennung gemäß der Erfindung;
24 bis 27 zeigen die Be- und Entladung eines Mobilspeichers mit fester mineralischer Speichermasse gemäß der Erfindung;
28 und 29 zeigen eine Ausführungsform des Mobilspeichers mit fester mineralischer Speichermasse gemäß der Erfindung;
30 bis 34 zeigen alternative Ausführungsformen des Mobilspeichers mit fester mineralischer Speichermasse gemäß der Erfindung;
In 1 ist der Beladungsvorgang eines mobilen Wärmespeichers für Niedertemperaturwärme an einer Wärmequelle (102) dargestellt.
An der Wärmequelle (101) ist jeweils mindestens ein stationärer Speicher für warmes (104) und kaltes (105) Wärmespeicherfluid installiert. Das kalte Wärmespeicherfluid wird aus dem kalten Stationärspeicher (105) entnommen, an der Wärmequelle (101) erwärmt und dem warmen Stationärspeicher (104) zugeführt. Alternativ zu den hier dargestellten zwei Stationärspeichern (104, 105) mit variablen Füllständen könnte z. B. auch ein Stationärspeicher mit einer Trennung, ähnlich der des Mobilspeichers (101) verwendet werden. Die Beschreibung des Lade- und Entladevorganges erfolgt exemplarisch auf Basis von jeweils zwei Stationärspeichern an der Wärmequelle (102) und der Wärmesenke (108) und schließt auch andere Ausführungen der Stationärspeicher mit ein, ohne dass diese explizit erwähnt werden.
Ein Speicher (101) zur Aufnahme von kaltem und warmem Wärmespeicherfluid ist auf einem Fahrgestell montiert und mit kaltem Wärmespeicherfluid beladen. Zum Aufladen wird der Speicher an der Wärmequelle mit den beiden Stationärspeichern verbunden. Über den Stutzen A wird durch die Pumpe (109) kaltes Wärmespeicherfluid aus dem Mobilspeicher (101) in den Stationärspeicher für kaltes Fluid (105) gepumpt. Hierdurch wird der Isolierkolben (113) zur Saugseite (in 1 nach links) bewegt und saugt warmes Wärmespeicherfluid aus dem Stationärspeicher (104) über den Stutzen B in den Mobilspeicher. Die Pumpe (109) ist zur Materialschonung auf der kalten Seite montiert. Der Ladevorgang ist abgeschlossen, wenn der Isolierkolben am Abschlussboden des Mobilspeichers angekommen ist und vollständig mit warmem Wärmespeicherfluid gefüllt ist.
In 2 ist der Entladevorgang des mobilen Wärmespeichers an der Wärmesenke (108) dargestellt. Hierzu wird aus dem Stationärspeicher (107) das kalte Fluid über den Stutzen B in den mobilen Speicher gepumpt. Das einströmende kalte Fluid schiebt den Isolierkolben (113) nach links und verdrängt somit das warme Fluid aus dem Mobilspeicher, so dass dieses über den Stutzen A in den warmen Stationärspeicher (106) gedrückt wird. Am Ende des Entladevorgangs befindet sich der Isolierkolben in der Endlage am linken Abschlussboden und der Mobilspeicher ist komplett mit kaltem Fluid gefüllt. Auch bei der Entladung ist die Pumpe (109) zur Materialschonung auf der kalten Seite montiert. Von der Wärmesenke (108) wird warmes Wärmespeicherfluid aus dem Stationärspeicher (106) entnommen und nach Entzug der thermischen Energie in den kalten Stationärspeicher (107) übergeben.
In 3 bis 5 sind drei Varianten des Speichers mit verschieden Isolierkolben dargestellt. Das Profil des Isolierkolbens (113) entspricht dem der Abschlussböden des Innenbehälters (110), so dass in der Endlage des Isolierkolbens nur ein minimales Restvolumen zwischen Kolben und Abschlussboden verbleibt. Das Profil von Kolben und Abschlussböden kann z. B. als Kegel, Klöpperboden oder auch flach ausgeführt sein. Als bevorzugte Variante wird die in 3 dargestellte Bauart mit flachen kegelförmigen Böden und Kolbenseiten angesehen, da diese Kegel sowohl preiswert in der Fertigung als auch druckstabil sind. An der Oberseite des Innenbehälters (110) ist ein Entlüftungsstutzen (116) angebracht, um Luftansammlungen im Speicher zu verhindern. An der Unterseite des Innenbehälters (110) ist ein Ablaufstutzen mit einer Frostsicherung (117) angebracht, über den während Betriebspausen im Winter verhindert wird, dass der Speicher zufriert und durch die Volumenausdehnung des Eises beschädigt wird.
3: Darstellung des Speichers zur Aufnahme von kaltem und warmem Wärmespeicherfluid. Der Innenbehälter (110) mit Wärmedämmung (111) hat mindestens zwei Öffnungen A und B, zur Einfüllung bzw. zur Entnahme des Wärmespeicherfluids. Die Wärmedämmung ist durch eine Verkleidung (112) geschützt. Der wärmegedämmte Speicher wird durch den verschiebbaren und gegen die Speicherwand abgedichteten eingebuchteten Isolierkolben (113) in zwei thermisch entkoppelte Kammern geteilt. Das Gesamtvolumen der beiden Kammern ist stets gleich, sodass das Wärmespeicherfluid durch die eine Öffnung entnommen und durch die andere Öffnung zurück in den Speicher geführt werden kann. Befindet sich der Kolben z. B. ganz links, so ist die linke Kammer leer und die rechte hat ihr Maximalvolumen. Wird nun Wärmespeicherfluid durch Öffnung A in den Speicher gepumpt, so tritt das Wärmespeicherfluid aus der rechten Kammer durch Öffnung B aus. Die eingebuchtete Form des Isolierkolbens hat den Vorteil, dass bei vergleichsweise geringem Kolbenvolumen die Kontaktfläche zum Innenbehälter (110) groß ist, so dass einem Verkeilen des Kolbens durch die Bewegung entgegengewirkt werden kann.
4: Darstellung des Speichers analog zu 3, jedoch mit ausgewölbtem Isolierkolben (114) und entsprechenden Abschlussböden des Innenbehälters (110). Die Wölbungen können z. B. kegelförmig oder als Klöpperboden ausgebildet sein.
5: Darstellung des Speichers analog zu 3, jedoch mit flachem Isolierkolben (115) und flachen Abschlussböden des Innenbehälters (110).
In 6 ist der linke Teil des Mobilspeichers von 3 detaillierter dargestellt. Der eingebuchtete Isolierkolben (113) besteht aus einem zylindrischen Rohrstück (141) und bevorzugt aus flachen Konen (142). Vorzugsweise ist der Kolben aus Edelstahl gefertigt und kann mit hier nicht explizit dargestellten Versteifungsrippen stabilisiert sein. Der Kolben kann alternativ auch aus Kunststoff, z. B. GFK mit Schaumkern hergestellt werden. Der durch das Rohrstück und die Konen (142) gebildete Innenraum des Kolbens (113) kann sowohl hohl als auch beispielsweise mit Polyurethan ausgeschäumt sein. Um die Kräfte zu minimieren, die der Isolierkolben über die Zentrierung (155) auf den Innenbehälter (110) ausübt und die ihn an der Bewegung während der Ladevorgänge behindern, verfügt der Isolierkolben über Gewichte (143). Durch diese Gewichte kann die durchschnittliche Dichte des Kolbens so eingestellt werden, dass sie der Dichte des Wärmespeicherfluides entspricht. D. h. bei einer Dichte von etwa 1.000 kg/m³ schwimmt der Kolben nicht innerhalb des Speichers auf bzw. sinkt nicht in diesem ab, so dass er sich leicht während der Ladevorgänge bewegen kann.
7 veranschaulicht die Demontage der in 6 dargestellten Komponenten. Nach Entfernen der seitlichen Isolierkappe (159) kann die Flanschverbindung (150, 152) gelöst werden und so der angeflanschte Abschlussboden (150) mit dem konischen Füllstück (151) entfernt werden.
In 8 ist die Seitenansicht von links von 7 (aus der Blickrichtung Z) dargestellt. Die Isolierung des zylindrischen Speicherteils (158) ragt über die Dichtfläche des geöffneten Gehäuseflansches (152) hinaus. Innerhalb des Gehäuseflansches (152) wird die angeschraubte äußere umlaufende Dichtung (159) sichtbar. Der umlaufende Auflagering, der die Schraubenkräfte auf die Dichtung überträgt, ist zur Erhöhung der Übersichtlichkeit hier nicht graphisch dargestellt. Diese Dichtung besteht aus einem temperaturbeständigen flexiblen Material, wie beispielsweise NBR. An mindestens drei Stellen (hier: an sechs Stellen) am Umfang sind federnd gelagerte Zentrierungen (155) angebracht, die den Isolierkolben auch bei fertigungsbedingten Unrundheiten von Innenbehälter (110) und zylindrischem Rohrstück des Kolbens (141) mittig führen. Die umlaufenden Dichtungen sind mit einem so großen Übermaß ausgeführt, dass sie ebenfalls die Unrundheiten kompensieren und die Leckrate des Wärmespeicherfluides zwischen warmer und kalter Seite minimieren.
In 9 ist die in 7 dargestellte federgeführte Zentrierung (155) im Detail dargestellt. Dargestellt sind der Isolierkolben (113) mit Konus (142), Ausgleichsgewicht (143), zylindrischem Rohrstück (141) und der äußeren umlaufenden Dichtung (159), die durch Schrauben (167) befestigt ist. Zusätzlich zur äußeren Dichtung (159) können auch innere Dichtungen (166), die durch Schrauben (168) befestigt werden, angebracht sein. Der Isolierkolben (113) wird durch Rollen (160), die hier beispielhaft als federnd gelagerte Kugelrollen (siehe auch: www.tretter.de) ausgeführt sind, geführt. Die Kugelrollen sind beweglich in einer Führung (161) gelagert. Sie werden durch Tellerfedern (162), die durch einen Einschraubstopfen (163) gehalten und justiert werden, gegen den zylindrischen Teil des Innenbehälters (110) gedrückt, so dass der Isolierkolben (113) trotz fertigungsbedingter Unrundheiten zentriert im Innenbehälter geführt werden kann.
In 10 bis 12 ist eine Variante der Trennung des warmen und kalten Wärmespeicherfluids mit einem flexiblen Schlauch (170) dargestellt. Der Schlauch trennt den Innenraum (171) vom Mantelraum (172) des Speichers. Der Schlauch (170) besteht aus einem temperaturbeständigen flüssigkeitsundurchlässigen Material, wie z. B. einem nicht dehnbaren silikonisierten Polyestergewebe, wie es für Airbags von PKW genutzt wird (420 g/m² Flächengewicht, beidseitige Silikonschicht von 90 g/m²). Zur Verringerung des Wärmeübergangs während der Ladevorgänge kann dieses Gewebe doppelt ausgeführt und optional zusätzlich mit einer innen liegenden zusätzlichen temperaturbeständigen flexiblen Dämmschicht (z. B. Filz) versehen sein. Für diese Ausführungsvariante kann ein einseitig silikonbeschichtetes Gewebe verwendet werden.
Der Schlauch hat denselben Durchmesser wie der zylindrische Innenbehälter (110) und eine Länge, die der Summe der Länge des zylindrischen Innenbehälters plus des Durchmessers des Innenbehälters zuzüglich eines Sicherheitszuschlags von einigen Prozent entspricht. Durch dieses Längenmaß kann sich der Schlauch bei Füllung des Mantelraums (172) zusammenfalten, so dass der Innenraum (171) vollständig entleert wird, ohne dass größere Kräfte auf die Befestigungspunkte (173) vom Schlauch am Innenbehälter (110) auftreten.
Insbesondere bei allen im Folgenden dargestellten Varianten des Mobilspeichers mit Schlauchtrennung ist die Belieferung großer Abnehmer mit jeweils vollständiger Entladung an der Wärmesenke anzustreben. Eine nur teilweise Entleerung, wie sie z. B. bei der Belieferung mehrerer kleiner Wärmeabnehmer, wie z. B. Wohnhäusern, stattfinden würde, hätte durch die längere Aufenthaltszeit von warmem und kaltem Wärmeträgerfluid im Mobilspeicher einen größeren Wärmeübergang über das Schlauchmaterial zur Folge. Durch kurze Zeiten und vollständige Umfüllung kann der Verlust an transportierbarer Wärme durch Temperaturausgleich über das Schlauchmaterial unter fünf Prozent gehalten werden.
In 10 ist der Mobilspeicher mit konischen Abschlussböden (150, 151) und Kammertrennung durch einen flexiblen Schlauch (170) während eines Umladevorgangs dargestellt. Es befindet sich Wärmespeicherfluid sowohl im Innenraum des Schlauches (171) als auch im Mantelraum (172).
In 11 ist der Innenraum (171) vollständig gefüllt und der Mantelraum (172) nahezu komplett entleert.
In 12 ist der Mantelraum (172) vollständig gefüllt und der Innenraum (171) ist nahezu vollständig entleert. Der Schlauch (170) legt sich dabei an die konischen Abschlussböden (150, 151), so dass im Befestigungsbereich (173) keine größeren Kräfte auf den Schlauch auftreten.
In 13 bis 15 ist die Befestigung des Schlauches (170) im Speicher dargestellt. Der Schlauch (170) wird mit schalenförmigen Kreissegmenten (174) in der Nähe des Gehäuseflansches (152) am zylindrischen Teil des Innenbehälters (110) befestigt, insbesondere verschraubt. Die schalenförmigen Kreissegmente sind mit abgerundeten Begrenzungsflächen versehen, so dass der Schlauch bei den Ladevorgängen nicht beschädigt wird. 13 zeigt den Mobilspeicher mit konischen Abschlussböden und Schlauchtrennung im montierten Zustand, 14 die Demontage der Isolierkappe und des Abschlussbodens mit konischem Innenteil und dem am zylindrischen Teil des Innenbehälters (110) befestigten Schlauch (170). 15 zeigt die Seitenansicht des geöffneten Wärmespeichers mit montiertem Schlauch von links (Blickrichtung Z in 14). Die schalenförmigen Kreissegmente zur Befestigung des Schlauches sind in 15 als lose Bauteile nahe ihrem Montageort dargestellt.
In 16 bis 23 sind weitere Variationen des Mobilspeichers mit Schlauchtrennung dargestellt, die als Untervarianten der in 10 bis 12 dargestellten Trennung mit einem großen Schlauch zu verstehen sind.
In 16 ist eine Trennung der Kammern für warmes und kaltes Fluid mit zwei jeweils einseitig offenen Schläuchen (180, 181) dargestellt, die durch die seitlichen Anschlussstutzen montiert sind. Die beiden einseitig offenen Schläuche sind so dimensioniert, dass sie jeweils das Gesamtvolumen des Mobilspeichers einnehmen können. Eine Montage der beiden Schläuche am zylindrischen Innenbehälter (110) analog zu 13 bis 15 ist ebenfalls möglich, ohne dass dies gesondert graphisch dargestellt wird.
17 zeigt eine Variation von 16, bei der an mindestens einem Boden der einseitig offenen Schläuche (180, 181) eine Isolierschicht (182) an mindestens einem der Schläuche zur Verminderung des Wärmeübergangs während der Ladevorgänge angebracht ist.
In 18 ist die Kammertrennung (183) mittig im Mobilspeicher montiert, so dass sie in beiden Endlagen die gesamte Kammer ausfüllen kann. Die mittige Montage kann analog zu der in 14 dargestellten erfolgen. Alternativ hierzu kann die Kammertrennung in einen (hier nicht explizit graphisch dargestellten) mittig angeordneten Gehäuseflansch eingeflanscht werden.
19: Analog zu 16, jedoch mit nur einem einseitig offenen wärmegedämmten Schlauch (184). Dieser Schlauch (184) kann aus einem dehnbaren oder einem nicht dehnbaren Material bestehen, kann aber in beiden Fällen das Gesamtvolumen des Speichers ausfüllen. Die beiden Kammern für warmes und kaltes Wärmespeicherfluid werden durch den Innen- und Außenraum des Schlauches (184) gebildet.
20: Analog zu 16, jedoch mit einem separaten Isoliermaterial (185) zwischen den beiden einseitig offenen Schläuchen (180, 181).
21: Ähnlich 20, jedoch kommt nur ein Schlauch (186) zum Einsatz, der mehr als die doppelte Länge des Mobilspeichers aufweist und etwa mittig an mindestens zwei Stellen, z. B. mit Metallklammern, eingeschnürt ist, so dass sich eine dritte Kammer (187) ausbildet, die mit Isoliermaterial gefüllt ist.
22: Mobilspeicher mit Schlauchtrennung, bei der die Trennung des Innenbehältervolumens durch mehrere flexible beidseitig offene wärmedämmende Schläuche (189) erfolgt, die beidseitig an je einer wärmegedämmten Innenwand (188) befestigt sind.
23: Analog zu 22, jedoch mit einseitig offenen Schläuchen (190), die an ihrem offenen Ende an einer wärmegedämmten Innenwand (188) befestigt sind.
In 24 bis 27 wird beispielhaft die Be- und Entladung eines Mobilspeichers mit fester mineralischer Speichermasse dargestellt.
Drei konische gasdichte Behälter (230), in deren Inneren sich das poröse Wärmespeichermaterial befindet, sind, wie beispielhaft in 24 dargestellt, in einem Container (231) montiert. Zur Verringerung von Wärmeverlusten sind die drei Behälter sowie der Innenraum des Containers mit Mineralwolle (232) gedämmt. Das heiße Abgas eines Stromaggregates mit Verbrennungsmotor (220) wird über den Stutzen A in den linken der drei Behälter eingeleitet, durchströmt das poröse Wärmespeichermaterial (233) von unten nach oben und tritt im oberen Teil des linken Behälters wieder aus. Der Wärmeübergang vom heißen Abgas an das Wärmespeichermaterial erfolgt ungehindert durch direkten Gas-Feststoffkontakt. Am Boden der drei Behälter ist jeweils als zusätzliche Option ein Ablassstutzen (236) für bei der Abkühlung aus dem Gas ausfallendes Kondensat angebracht. Zum Schutz des Verbrennungsmotors darf ein zusätzlicher maximaler Abgasgegendruck nicht überschritten werden. Als allgemeiner Richtwert kann hier von 10 mbar für das gesamte Abgassystem nach dem Schalldämpfer ausgegangen werden. Als Auslegungsgrundlage und zur Berücksichtigung von Rohrleitungsverlusten soll der maximale Druckverlust über das gesamte Speichermaterial im aufgeheizten Zustand inklusive der Strömungsverluste innerhalb des Mobilspeichers 7 mbar betragen. Als zusätzliche Sicherheit ist zwischen Verbrennungsmotor und Mobilspeicher ein Sicherheitsventil (221) installiert, das bei einem unzulässig hohen Druckverlust über den Mobilspeicher öffnet, das heiße Abgas über einen Notkamin (222) in die Umgebung ableitet und den Motor so vor Beschädigungen schützt. 24 zeigt den Mobilspeicher während des fortgeschrittenen Beladungsvorgangs. Über den Stutzen A wird vom Verbrennungsmotor kommendes 450°C heißes Abgas in den Speicher geleitet. Die Speichermasse im linken Behälter hat eine mittlere Temperatur von 400°C, die im mittleren Behälter von 200°C, während die Speichermasse im linken Behälter noch eine mittlere Temperatur von etwa 50°C aufweist. Das Abgas wird über einen Kamin (223) an die Umgebung abgegeben.
In 24 bis 26 sind die drei Behälter (230) beispielhaft in Reihe geschaltet. Ebenso können die Behälter parallel geschaltet werden, wie in 27 dargestellt. Durch die Parallelschaltung verringert sich die Anströmgeschwindigkeit des Abgases auf das Speichermaterial, so dass bei gleicher Schüttung der Druckverlust über das Speichermaterial deutlich abnimmt. Dieser Verringerung des Druckverlustes bei Parallelschaltung der drei Behälter kann durch die Wahl eines kleineren Korndurchmessers des Speichermaterials entgegengewirkt werden.
Beispielhaft kann für einen Stromerzeuger mit einer elektrischen Leistung von 500 kW, bei dem der Druckverlust über das Speichermaterial etwa 7 mbar betragen soll, bei Reihenschaltung der drei Behälter eine Kiesschüttung mit Kornduchmessern von 32 bis 38 mm und bei Parallelschaltung eine Kiesschüttung mit einem Korndurchmesser von 3 bis 7 mm verwendet werden.
25 zeigt die gleiche Anordnung wie 24, jedoch am Ende des Aufladevorgangs. Die linke Speichermasse hat beinahe die Eintrittstemperatur des Abgases erreicht. Die Temperatur der rechten Speichermasse ist nur noch geringfügig unterhalb der Eintrittstemperatur am Stutzen A, so dass über den Kamin (223) 400°C heißes Abgas an die Umgebung abgegeben wird. Mit einer weiter fortschreitenden Aufheizung der drei Speichermassen verschlechtert sich durch den Abgasverlust das Verhältnis von Abgaswärme des Verbrennungsmotors zur gespeicherten Wärme. Zur Erzielung eines hohen Speicherwirkungsgrades sollte daher die Aufladung der gesamten Speichermasse nicht bis zur Abgastemperatur durchgeführt werden. Als Richtwert für den Ladeschluss kann gelten, wenn die Gastemperatur am Stutzen B gemessen in Grad Celsius etwa 85 bis 90 Prozent der in Grad Celsius gemessenen Temperatur am Stutzen A beträgt.
Sollte es aus genehmigungsrechtlicher Sicht erforderlich sein, eine vorgeschriebene Abgasmindesttemperatur im Kamin, von beispielsweise 60 K oberhalb des Wassertaupunktes, einzuhalten, so kann dies eine Wiederaufheizung des aus dem Speicher austretenden kalten Abgases erforderlich machen. Die Austrittstemperaturen des Abgases (z. B. 24, Stutzen B) liegen zu Beginn des Ladevorganges eines auf Umgebungstemperatur ausgekühlten Speichers typischerweise im Bereich von etwa 40 bis 65°C und steigen während des Beladungsvorganges bis nahe der Abgastemperatur am Eintrittsstutzen (A). Würde eine Wiederaufheizung des Abgases auf beispielsweise mindestens 120°C vorgeschrieben, so müsste das am Stutzen B aus dem Speicher austretende Abgas so lange aufgeheizt werden, bis der Speicher so weit aufgeladen ist, dass die Austrittstemperatur am Stutzen B diesen Mindestwert 120°C überschreitet.
Die Wiederaufheizung kann prinzipiell auf verschiedene Arten erfolgen:

a) Mit Abwärme des Verbrennungsmotors
– Einstufig über Erwärmung des Abgases über einen Ölkühler (Abgas-Motoröl-Wärmetauscher) mit Motoröltemperaturen deutlich über 150°C
– Zweistufig: Vorwärmung des Abgases mit Kühlwasser auf etwa 80°C. Zur weiteren Aufheizung kann ein Teilvolumenstrom des heißen Abgases gemäß b) erfolgen
b) Durch Beimischung eines Teilvolumenstroms des heißen Abgases vom Stutzen A, der im Bypass um den Wärmespeicher herumgeführt wird und dem kalten Abgas vor dem Eintritt in den Kamin (223) beigemischt wird.

Generell erhöht eine Wiederaufheizung der Abgase vor dem Eintritt in den Kamin den betriebsnotwendigen apparativen Aufwand erheblich. Insbesondere eine Wiederaufheizung der kalten Abgases mit einem Teilvolumenstrom des heißem Abgas wirkt dem erfindungsgemäßen Gedanken entgegen, da der Ladevorgang des Speichers länger dauert und daher insgesamt weniger der Abgasabwärme für die Abgabe an den Wärmekunden genutzt werden kann. Auch aus Sicht des Emissions- und Immissionsschutz wird hierdurch keine Minderung von erzielt, da durch die Wiederaufheizung die Kondensation vom Kamin räumlich in die Atmosphäre verlagert wird, wo sie bei Abkühlung der Abgase erneut stattfindet.
Sofern eine Wiederaufheizung der Abgase nicht zwingend durch eine Genehmigungsbehörde vorgeschrieben wird, sollte in jedem Fall aus ökologischer und ökonomischer Sicht hierauf verzichtet werden
Generell sollte zu Entladung des Mobilspeichers, unabhängig davon, ob die Behälter parallel oder in Reihe geschaltet sind, die kühlere Luft über den Stutzen B (Gasaustrittstutzen während der Aufladung) in den Speicher eingebracht werden. Hierdurch trifft die Luft zuerst auf den kühleren Teil des Speichermaterials und kann sich im Laufe der Durchströmung weiter aufheizen. Die Austrittstemperatur der heißen Luft wird so maximiert und der Wärmeübergang im Wärmetauscher (234) verbessert, so dass dieser kleiner dimensioniert werden kann.
In 26 ist die Entladung des Mobilspeichers an einer Wärmesenke (108) dargestellt. Die Entladung erfolgt analog zur Beladung ebenfalls im direkten Gas-Feststoffkontakt. Beispielhaft erfolgt die Entladung hier an in Reihe geschalteten Behältern, sie kann jedoch, wie bereits erwähnt, auch bei parallel geschalten Behältern erfolgen (unter Verwendung von feinerem Schüttgut zur Erhaltung des Druckverlustes). Über einen Ventilator (235) wird Luft beispielhaft mit einer Temperatur von 50 bis 100°C über den Stutzen B dem aufgeheizten Mobilspeicher zugeführt. Der Ventilator ist zur Materialschonung auf der kalten Seite montiert. Beim Durchströmen der aufgeheizten Speichermasse erwärmt sie sich bis beinahe zur Maximaltemperatur des Speichers. 27 zeigt beispielhaft die Entladung des Mobilspeichers mit parallel geschalteten gasdichten Innenbehältern. Sowohl in 26 als auch in 27 tritt die Luft mit 420°C aus dem Speicher aus und gibt ihre Wärme in einem Gas-Flüssigkeitswärmetauscher (234) ab, von dem aus die Wärmesenke (108) versorgt wird.
28: Darstellung des erfindungsgemäßen Speichers zur Be- und Entladung eines festen Speichermediums mit Wärmeenergie durch direkten Gaskontakt. Der Speicher verfügt über ein festes Speichermedium (233) mit innerem Poren- bzw. Gassensystem, das vom Wärmeträgergas über den Eintritt A zum Austritt B durchströmt wird, einer gasdichten Ummantelung (Innenbehälter, 230) mit innenseitigem weichen Material (240), wie z. B. Glaswolle zur Reduzierung der Randgängigkeit der Gasströmung, sowie hier beispielhaft dargestellt allseitig angebrachten krafttragenden thermischen Entkopplungen (241). Die gasdichte Ummantelung (230) stellt sicher, das über den Stutzen A eingebrachtes Wärmeträgergas gerichtet durch das feste Wämespeichermedium (233) geführt wird und am Stutzen B austritt, ohne dass eine Leckage in die Isolierung (232) bzw. die Umgebung auftreten kann. Die An- und Abströmflächen (242, 243) können beispielsweise als Roste, Lochbleche oder Gitter ausgeführt sein. Das Gewicht des Wärmespeichermaterials wird über den unteren Anströmrost (242), die untere gasdurchlässige Trägerkonstruktion (244), die krafttragenden thermischen Entkopplungen (241) auf die äußere Containerhülle (231) übertragen. An der Unterseite der gasdichten Ummantelung (230) ist ein Ablassstutzen (236) für bei der Abkühlung des Gases anfallendes Kondensat angebracht.
Die Umkehrung der Strömungsrichtung des Gases von Stutzen B zu Stutzen A ist auch ohne explizite graphische Darstellung Bestandteil der Erfindung.
29 zeigt den Aufbau des unteren Auflagerostes detaillierter. Der untere Auflagerost (242) besteht beispielsweise aus Winkelprofilen aus Edelstahl, die mit einem ausreichenden Abstand für den Gasdurchtritt zueinander angebracht sind. Der Auflagerost ist fest mit der gasdurchlässigen Trägerkonstruktion (244) verbunden. Auf dem Auflagerost befindet sich eine mehrlagige Schicht von großen Steinen (246), die so groß sind, dass sie nicht durch den Auflagerost fallen können und die durch ein Edelstahlnetz (245) fest auf dem Auflagerost gehalten werden. Durch diese Fixierung der großen Steine wird verhindert, dass diese durch transportbedingte Erschütterungen in der feinkörnigeren Schicht des Speichermaterials aufschwimmen, wodurch letztlich die feinkörnige Schicht durch den Auflagerost rieseln würde.
Die Größenverhältnisse der Steine sind so zu wählen, dass das feinkörnige Speichermaterial nicht durch die Porenräume der großen Steine rieseln kann. Bei besonders feinkörnigem Speichermaterial kann auch eine zweite Schicht mit Steinen einer mittleren Korngröße (hier nicht dargestellt) hinzugefügt werden.
In 30 ist eine Variante der Entladung des Speichers mit festem Speichermaterial dargestellt durch einen Kaltluft ansaugenden Ventilator (247), bei der die heiße Luft direkt, d. h. ohne Wärmetauscher und Kreislaufführung, genutzt wird.
In 31 bis 34 sind Variation des erfindungsgemäßen Speichers mit festem Speichermaterial dargestellt.
In 31 ist eine mittige Trennwand (250) installiert, so dass das Gas innerhalb eines gasdichten Behälters (230) umgelenkt wird. Die längere Wegstrecke des Gases durch das Speichermaterial kann zur Erhöhung des Druckverlustes genutzt werden.
In 32 findet eine horizontale Durchströmung des festen Speichermaterials statt. Der gasdichte Behälter kann sowohl rund als auch eckig ausgeführt sein. Die seitlichen Begrenzungsroste (251, 253) halten die Wärmespeichermaterialien in Form und können wie bei den vertikalen Varianten oder auch als seitlich offene Lamellen- oder Jalousieroste oder durch schräg angestellte Flacheisen ausgeführt sein, durch die Wärmespannungen des Wärmespeichermaterials durch seitliche Bewegung der Schüttung abgebaut werden können.
In 33 ist die Durchströmung mehrerer paralleler Kammern (253) von Speichermaterial dargestellt.
34 zeigt ein radialsymmetrischen Aufbau mit konzentrischen An- und Abströmrosten (254, 255), die die Schüttung aus Wärmespeichermaterial in Form halten.
Eine Umkehr der Strömungsrichtung (zwischen den Ein- und Auslassstutzen A und B) ist bei allen dargestellten Zeichnungen auch ohne explizite graphische Darstellung Bestandteil der Erfindung.

Claims

Verfahren zum Wärmetransport, wobei ein Wärmespeichermedium in einem transportablen Behälter (101) von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke transportiert wird, wobei der Behälter (101) Anschlussstutzen für eine Beladung und Entleerung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass für die Speicherung von sensibler Wärme bei Temperaturen unterhalb von 100°C Wasser als fluides Wärmespeichermedium verwendet wird, dass ein Behälter mit einem Mehrkammersystem zur getrennten Aufnahme von warmem (geladenem) und abgekühltem (entladenem) Wasser verwendet wird, wobei die Kammern jeweils in ihrem Volumen derart veränderbar sind, dass das Gesamtvolumen aller Kammern konstant ist, wobei jede Kammer mit wenigstens einem Anschlussstutzen in Fluidkommunikation steht, wobei die Befüllung und Entleerung der Kammern wenigstens zeitweise gleichzeitig erfolgt.
Verfahren zur mobilen Wärmespeicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolben (113; 114; 115) als verschiebbare Trennung zwischen den Kammern in dem Behälter verwendet wird, wobei dieser Kolben entlang seines Umfangs durch federnd gelagerte Rollen (160), insbesondere Kugelrollen, geführt wird, die sich an einer inneren Behälterwandung abstützen.
Verfahren zur mobilen Wärmespeicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Kammern in dem Behälter durch einen flexiblen Schlauch (170) gebildet wird, dessen Volumen bei Befüllung und Entleerung veränderbar ist.
Verfahren zur mobilen Wärmespeicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Befüllen und Entleeren der Kammern des transportablen Behälters mit einer Umpumprate von 1 bis 10 m³/min, vorzugsweise mit 3 bis 6 m³/min erfolgt.
Transportabler Behälter zum Transport von Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke, wobei der Behälter Anschlussstutzen für eine Beladung und Entleerung aufweist, durch welche er mit Wasser befüllbar und entleerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter ein Mehrkammersystem zur getrennten Aufnahme von warmem (geladenem) und abgekühltem (entladenem) Wasser aufweist, wobei die Kammern jeweils in ihrem Volumen derart veränderbar sind, dass das Gesamtvolumen aller Kammern konstant ist, wobei jede Kammer mit wenigstens einem Anschlussstutzen in Fluidkommunikation steht, und wobei entweder ein Kolben (113; 114; 115) als verschiebbare Trennung zwischen den Kammern in dem Behälter verwendet wird, wobei dieser Kolben entlang seines Umfangs durch federnd gelagerte Rollen (160), insbesondere Kugelrollen, geführt wird, die sich an einer inneren Behälterwandung abstützen, oder mindestens eine der Kammern in dem Behälter durch einen flexiblen Schlauch (170) gebildet ist, dessen Volumen bei Befüllung und Entleerung veränderbar ist.
Verfahren zum Wärmetransport, wobei ein Wärmespeichermedium in einem transportablen Behälter von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke transportiert wird, wobei der Behälter Anschlüsse für ein Beschicken mit Gas und Entnahme von Gas aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass für die Speicherung von sensibler Wärme bei Temperaturen oberhalb von 100°C ein festes, poröses, insbesondere mineralisches Speichermaterial (233) verwendet wird, welches in dem Behälter als Schüttung eingebracht ist, wobei die Schüttung in Fluidverbindung mit den Anschlüssen steht, wobei zur Speicherung oder Entnahme von Hochtemperaturwärme oberhalb von 100°C, Gas mittels der Anschlüsse durch die Schüttung geleitet wird, so das Speichermaterial im direkten Gas-Feststoffkontakt thermisch be- bzw. entladen wird.
Verfahren zur mobilen Wärmespeicherung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Speicherung von Wärme bei Temperaturen bis 550°C Kies als Wärmespeichermaterial verwendet wird.
Verfahren zur mobilen Wärmespeicherung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Speicher austretendes kaltes Abgas (24, Stutzen B) mit der Abwärme des Verbrennungsmotors oder mit einem Teilvolumenstrom des heißen Abgases (Stutzen A) aufgeheizt wird, bis eine vorgegebene Mindestgastemperatur für den Eintritt in den Kamin (223) erreicht ist
Verfahren zur mobilen Wärmespeicherung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Aufladung des festen Speichermaterials das Abgas eines Verbrennungsmotors verwendet wird, wobei die Korngrößenverteilung des Speichermaterials so gewählt wird, dass der Differenzdruck bei der Durchströmung der vollständig aufgeheizten Schüttung und des installierten Abgassystems im Bereich von 30 bis 95 Prozent, vorzugsweise bei 50 bis 80 Prozent des maximal zulässigen Abgasgegendrucks des Verbrennungsmotors liegt.
Transportabler Behälter zum Transport von Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke, wobei der Behälter Anschlussstutzen für eine Beladung und Entleerung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter wenigstens eine gasdichte Kammer aufweist, die eine Schüttung aus festem, porösem Speichermaterial enthält, wobei die Kammer in Fluidverbindung mit den Anschlussstutzen steht, so dass die Schüttung von eingeleitetem Gas durchströmbar ist.
Behälter nach Anspruch 10, wobei die Kammer (230) mindestens einen sich nach unten verjüngenden konischen Abschnitt aufweist, der seiner Höhe nach durchströmbar ist und den Gas-Feststoffkontakt zulässt, so dass die bei Aufheizen und Abkühlen auftretenden Wärmespannungen durch die konische Behältergeometrie nach oben abgebaut werden.
Behälter nach Anspruch 10 oder 11, wobei die gasdichten Kammern an ihrer dem Speichermedium zugewandten Seite der Innenwand mit einem weichen temperaturbeständigen Material, insbesondere mit künstlicher Mineralwolle (232), zur Verminderung der Randgängigkeit der Gasströmung ausgekleidet sind.