DE102011017311A1

DE102011017311A1 - Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie durch Umwandlung in thermische Energie und anschließende Rückumwandlung über mechanische Energie in elektrische Energie

Info

Publication number: DE102011017311A1
Application number: DE102011017311A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-17
Filing date: 2011-04-17
Publication date: 2012-10-18

Abstract

Das Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie (Strom) durch Umwandlung in thermische Energie und anschließende Rückumwandlung über mechanische Energie in elektrische Energie ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischer Energie (Strom) zunächst 1.1 a. über Luftwärmepumpen, b. Elektrokompressionswärmepumpen, c. die zusätzlich zur Umgebungsluft auch die heiße Abluft der Dampfturbinen nutzen, d. Erdwärmepumpen, die Abwärme des Stromspeichers in der nahen Erdumgebung nutzen, e. zur Erwärmung des Mantelspeichers mittels Heizschlangenrohren auf Temperaturen von 250°C bis 350°C genutzt wird und weiter der Strom 1.2 a. über elektrische Heizelemente b. in Form von Heizstäben, mit denen die elektrische Energie direkt in thermische Energie umgewandelt wird, c. zur Erwärmung des Innenspeichers auf Temperaturen bis 1500°C genutzt wird. Als Wärmespeichermedium wird sowohl im Mantelspeicher wie auch im Innenspeicher 1.3 a. ein festes Schüttgut, b. mineralisches Schüttgut, c. Quarzsand, d. feinkörniger Kies...

Description

Verfahrensbeschreibung
Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie (Strom) durch Umwandlung in thermische Energie und anschließende Rückumwandlung über mechanische Energie in elektrische Energie.
Die Wärme wird durch Aufheizen eines festen Schüttgutes gespeichert. Der Wärmespeicher besteht aus einem Mantelspeicher und einem Innenspeicher.
Überschüssige elektrische Energie (Strom) aus dem Stromleitungsnetz wird je nach Bedarf mittels zweier Methoden in thermische Energie umgewandelt und in der Stromspeicheranlage der Erfindung in Form von Wärmeenergie gespeichert:

1. Mit dem überschüssigen Strom erzeugen Wärmepumpen thermische Energie. Es werden Luftwärmepumpen (Elektrokompressionswärmepumpen) und Erdwärmepumpen, die den durch den Stromspeicher erwärmten Erdnahbereich nutzen, eingesetzt. Diese thermische Energie heizt das feste Schüttgut im Mantelspeicher über Heizschlangenrohre auf Temperaturen von 250°C bis 350°C auf. Die abgekühlte Umgebungsluft der Luftwärmepumpen wird in Klimaanlagen zur Kühlung von Gebäuden geleitet, in Kühlhallen genutzt oder mit dem Linde-Verfahren zur Luftverflüssigung eingesetzt.
2. Mit elektrischen Heizelementen wird thermische Energie erzeugt, die das feste Schüttgut im Innenspeicher auf bis zu 1500°C aufheizt.

Die thermische Energie wird je nach Bedarf über zwei Methoden über mechanische Energie in elektrische Energie rückumgewandelt und in das Stromleitungsnetz zurückgespeist.

3. Die zu erwärmenden Teile von Stirlingmotoren sind mit dem festen Schüttgut verbunden und werden erhitzt. Damit wird die thermische Energie in mechanische Energie überführt und mittels eines vom Stirlingmotor angetrieben Generators in elektrische Energie (Strom) umgewandelt.
4. Im festen Schüttgut werden Wasserdruckrohre verlegt, in die Wasser eingepumpt wird. Dieses Wasser verdampft und tritt am Ende dieser Wasserdruckrohre als überhitzter Wasserdampf mit Überdruck aus. Dieser überhitzte Wasserdampf treibt Dampfturbinen an und bildet mechanische Energie. Damit wird die thermische Energie in mechanische Energie überführt und mittels eines Generators in elektrische Energie (Strom) umgewandelt. Die heiße Abluft der Dampfturbinen wird für die Luftwärmepumpen verwendet.

Als Wärmespeichermedium wird sowohl im Mantelspeicher wie im Innenspeicher ein festes Schüttgut, bevorzugt ein mineralisches Schüttgut wie Quarzsand oder feinkörniger Kies, eingesetzt. Die Wärmeleitfähigkeit muss möglichst hoch sein.
Stromspeicheraufbau und Energetik
Die Wärmepumpen, Dampfturbinen, Generatoren und die mechanischen und kalten Teile der Stirlingmotoren befinden sich außerhalb des Stromspeichers.
Der gesamte Mantelspeicher ist von einem Stahlbetonaußenkörper umschlossen. An der Stahlbetonwandung liegt nach innen eine Dämmschicht aus mineralischen Werkstoffen an. Es folgt das feste Schüttgut des Mantelspeichers, eine weitere mineralische Dämmung und eine Feuerfestzustellung mit Schamotten. Danach folgt das feste Schüttgut des Innenspeichers. Durch den Stahlbetonaußenkörper, die Dämmschichten und Feuerfestzustellung werden die elektrischen Heizelemente, Heizschlangenrohre, die zu erwärmenden Teile der Stirlingmotoren und Wasserdruckrohre in den Speicher geführt. In der beigefügten Zeichnung ist ein Übersichtsschema dargestellt.
Die Dimensionierung der Speicherteile und der Peripherie kann sehr variabel gehandhabt werden. Die Speicherkapazität wird je nach Anforderungen angepasst. In Extremfällen ist die Anlage auch voll funktionsfähig, wenn auf den Mantelspeicher oder den Innenspeicher ganz verzichtet wird. Mit dem Volumen-Verhältnis von Mantelspeicher zu Innenspeicher werden die Arbeitstemperaturen des Stromspeichers angepasst. Es kann auch ein Modulspeicher, in dem mehrere verschiedene Stromspeicher mit unterschiedlichen Arbeitstemperaturen und Speicherkapazitäten modulweise zusammengeschaltet werden, dargestellt werden.
Bei einer Speichergröße von 50 m × 50 m × 5 m und einer Temperaturerhöhung von 1000°K ergibt sich eine Speicherkraftwerkskapazität von 20000 Giga-Joule. Bei 180 Zyklen (Temperaturdifferenz von 1000°K) im Jahr entspricht dies dem Heizwert von 82000 Tonnen Heizöl und damit der Emission von 230000 Tonnen Kohlendioxid.
Stand der Technik
Bei der herkömmlichen Stromspeicherung wird hauptsächlich auf Pumpspeicherkraftwerke gesetzt. Deren Ausweitung sind enge geologische Grenzen gesetzt, und auch der Naturschutz gebietet eine zurückhaltende Anwendung dieser Technik.
Eine andere Möglichkeit ist die elektrochemische Stromspeicherung in Akkumulatoren (Akkus). Dieser Lösung ist jedoch großtechnisch nicht praktikabel und zu aufwändig. Allenfalls ist in Zukunft eine sinnvolle dezentrale Speicherlösung durch Vernetzung der Akkus von Elektromobilen denkbar.
Bei der Stromherstellung wird immer mehr auf regenerative Energiequellen wie Solarenergie, Wasserkraft und Windenergie gesetzt. Die Energie aus diesen Quellen steht jedoch sehr unregelmäßig zur Verfügung. Es ist daher ein Stromspeicherverfahren notwendig, das sehr schnell große Strommengen aufnehmen und wieder abgeben kann.
Ziel des Verfahrens
Das Ziel dieses Verfahrens ist es, ein Speicherkraftwerk zur Verfügung zu stellen, das große Mengen an elektrischer Energie (Strom) sehr schnell aus dem Stromnetz abnehmen kann. Die elektrische Energie wird in thermische Energie umgewandelt, kann somit gespeichert werden, und anschließend kann sehr schnell wieder elektrische Energie ins Stromnetz zurückgespeist werden.
Das Umschalten zwischen Stromspeicherung und Stromproduktion ist innerhalb von Minuten möglich.
Anwendungen der Erfindung
Durch Variation des Größenverhältnisses zwischen Mantel- und Innenspeicher kann die Speicherkapazität und die Speichertemperatur des erfundenen Stromspeicherverfahrens sehr flexibel angepasst werden.

– Als dezentrale Kleinspeicheranlage in Gebieten mit vielen Dachsolaranlagen auf Gebäuden. Damit kann auf die teuren Investitionen in den Stromnetzausbau zur Ableitung des produzierten Solarstromes in das überregionale Netz verzichtet werden. Zur Ableitung der Stromspitzen an Sommertagen sind deutlich leistungsstärkere Stromleitungen als für den durchschnittlichen Stromverbrauch nötig.
– Als dezentrale Speicheranlage für Industrieunternehmen mit großen Solaranlagen zur zusätzlichen Nutzung der Luftwärmepumpen zur Kühlung und Gebäudeheizung. Integration der Luftwärmepumpen in die Klimatisierung der Gebäude.
– Als zentrale Speicheranlage in Wasserkraftwerken, Solar- und Windparks.
– Als zentrale Speicheranlage an Umspannwerken.

Die Materialien des Stromspeichers sind nicht umweltgefährdend. Auf dem Stromspeicher können größtenteils Grünflächen angelegt werden. Als Verdampferflüssigkeit in den Wärmepumpen wird Glycerin verwendet. Es ist kein Austritt von umweltgefährdenden Stoffen möglich. Von der Stromspeicheranlage geht keine Umweltgefährdung aus. Es treten keine störenden Emissionen auf, und sie kann auch in unmittelbarer Nähe von Wohngebieten angesiedelt sein.

Claims

Das Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie (Strom) durch Umwandlung in thermische Energie und anschließende Rückumwandlung über mechanische Energie in elektrische Energie ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischer Energie (Strom) zunächst 1.1 a. über Luftwärmepumpen, b. Elektrokompressionswärmepumpen, c. die zusätzlich zur Umgebungsluft auch die heiße Abluft der Dampfturbinen nutzen, d. Erdwärmepumpen, die Abwärme des Stromspeichers in der nahen Erdumgebung nutzen, e. zur Erwärmung des Mantelspeichers mittels Heizschlangenrohren auf Temperaturen von 250°C bis 350°C genutzt wird und weiter der Strom 1.2 a. über elektrische Heizelemente b. in Form von Heizstäben, mit denen die elektrische Energie direkt in thermische Energie umgewandelt wird, c. zur Erwärmung des Innenspeichers auf Temperaturen bis 1500°C genutzt wird. Als Wärmespeichermedium wird sowohl im Mantelspeicher wie auch im Innenspeicher 1.3 a. ein festes Schüttgut, b. mineralisches Schüttgut, c. Quarzsand, d. feinkörniger Kies verwendet. 1.4 Der Wärmespeicher besteht von außen nach innen aus einem a. Stahlbetonaußenkörper, b. Wärmeisolierung, c. Mantelspeicher mit Heizschlangenrohre, Stirlingmotorelementen und Wasserdruckrohren im festen Schüttgut, d. Wärmeisolierung, e. Feuerfestzustellung, f. Innenspeicher mit Heizelementen, Sterlingmotorelementen und Wasserdruckrohren im festen Schüttgut.
Die mit dem im Anspruch 1 beschriebenen Verfahren in Form von Wärmeenergie gespeicherte elektrische Energie ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die im festen Schüttgut eingebrachten 2.1 zu erwärmenden Teile der Stirlingmotoren a. direkt mechanische Energie erzeugt wird, b. die mit Generatoren in elektrische Energie (Strom) umgewandelt wird. 2.3 Wasserdruckrohre a. in die Wasser eingepumpt wird, b. das verdampft und am Ende der Rohre als überhitzter Wasserdampf mit Überdruck austritt, c. Dampfturbinen antreibt und damit mechanische Energie erzeugt wird, d. die mit Generatoren in elektrische Energie (Strom) umgewandelt wird.
Das nach dem im Anspruch 1.1 beschriebenen Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die abgekühlte Luft a. in Klimaanlagen zur Kühlung b. in Gebäuden, c. Kühlhallen oder d. mit dem Linde-Verfahren zur Luftverflüssigung genutzt wird.