DE102011088380A1

DE102011088380A1 - Energiespeichervorrichtung mit offenem Ladekreislauf zur Speicherung saisonal anfallender elektrischer Überschussenergie

Info

Publication number: DE102011088380A1
Application number: DE102011088380A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2013-06-13
Also published as: ES2611357T3; EP2764215A2; WO2013087321A3; PL2764215T3; WO2013087321A2; US9322297B2; US20140338330A1; CN103987925A; CN103987925B; EP2764215B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung (1) zur Speicherung thermischer Energie, mit einem Ladekreislauf (2) für ein Arbeitsgas (3), umfassend einen Verdichter (4), einen Wärmespeicher (5) und eine Expansionsturbine (6), wobei der Verdichter (4) und die Expansionsturbine (6) auf einer gemeinsamen Welle (14) angeordnet sind, und wobei der Verdichter (4) austrittsseitig mit dem Eintritt der Expansionsturbine (6) über eine erste Leistung (7) für das Arbeitsgas (3) verbunden ist, und der Wärmespeicher (5) in die erste Leitung (7) geschaltet ist, wobei der Verdichter (4) eintrittseitig mit einer Leitung (30) verbunden ist, die gegenüber der Atmosphäre offen ist, und die Expansionsturbine (6) austrittseitig mit einer Leitung (31) verbunden ist, die gegenüber der Atmosphäre offen ist, sodass ein gegenüber der Umgebungsluft offener Kreislauf gebildet ist, und wobei die Expansionsturbine (6) über eine Leitung (33) für ein Heißgas mit dem Wärmespeicher (5) verbunden ist, sodass das Arbeitsgas (3) in der der Expansionsturbine (6) durch Wärme aus dem Wärmespeicher (5) erwärmbar ist.

Description

Die Notwendigkeit zur Speicherung von Energie ergibt sich insbesondere aus dem stetig anwachsenden Anteil an Kraftwerksanlage aus dem Sektor der erneuerbaren Energien. Ziel der Energiespeicherung ist es dabei, die Kraftwerke mit erneuerbaren Energien derart in den Stromübertragungsnetzen nutzbar zu machen, dass auf erneuerbar erzeugte Energie auch zeitversetzt zugegriffen werden kann, um so fossile Energieträger und somit CO₂ Emissionen einzusparen.
Die US 2010/0257862 A1 beschreibt ein Prinzip einer bekannten Energiespeichervorrichtung, bei der eine Kolbenmaschine zum Einsatz kommt. Gemäß der US 5,436,508 ist es überdies bekannt, dass durch Energiespeichervorrichtungen zur Speicherung thermischer Energie auch Überkapazitäten bei der Nutzung von Windenergie zur Herstellung elektrischen Stroms zwischengespeichert werden können.
Derartige Energiespeicher wandeln beim Laden des Speichers elektrische Energie in thermische Energie um und speichern die thermische Energie. Beim Entladen wird die thermische Energie wieder in elektrische Energie umgesetzt.
Aufgrund der Zeitspanne die ein Energiespeicher zu überbrücken hat, also die Zeit, über die Energie in bzw. aus dem Energiespeicher ein- und ausgespeichert wird, und der Leistung die es zu speichern gilt, sind an die Dimensionen thermische Energiespeicher entsprechend hohe Anforderungen gestellt. Schon allein aufgrund der Baugröße können thermische Energiespeicher daher sehr teuer in der Anschaffung werden. Ist der Energiespeicher dazu aufwendig gestaltet, oder das eigentliche Wärmespeichermedium teuer in der Anschaffung oder aufwendig im Betrieb, können die Anschaffungs- und Betriebskosten für einen thermischen Energiespeicher schnell die Wirtschaftlichkeit der Energiespeicherung in Frage stellen.
Aufgrund der oft geringen Wärmeleitfähigkeit der kostengünstigen Speichermaterialien sind oft die Wärmetauscherflächen sehr groß auszulegen. Die große Anzahl und Länge der Wärmetauscherrohre lassen dabei die Kosten des Wärmetauschers stark ansteigen, welche selbst durch ein kostengünstiges Speichermaterial nicht mehr kompensiert werden können.
Bisher wurden Wärmetauscher auf Basis kostengünstiger Materialien hauptsächlich in Form eines direkten Austausches des Wärmeträgers, wie beispielsweise Luft, und des Speichermaterials, wie beispielsweise Sand oder Gestein, ausgestaltet um große Wärmetauscher zu ersetzen. Die in der Technik prinzipiell bekannte Wirbelschichttechnik wurde bisher nicht in einer Größenordnung angewandt, die für eine saisonale Speicherung von erneuerbaren Überschussenergie erforderlich wären. Ein direkter Wärmeaustausch bringt zudem einen relativ komplizierten Umgang mit dem Feststoff mit sich, was für einen Großspeicher nicht wirtschaftlich ist.
Als Wärmeträgermedium kommt ein Arbeitsgas, wie beispielsweise Luft, zum Einsatz. Das Arbeitsgas kann dabei wahlweise in einem geschlossenen oder einem offenen Ladekreislauf oder Zusatzkreislauf geführt werden.
Ein offener Kreislauf verwendet als Arbeitsgas immer Umgebungsluft. Diese wird aus der Umgebung angesaugt und am Ende des Prozesses auch wieder in diese entlassen, so dass die Umgebung den offenen Kreislauf schließt. Ein geschlossener Kreislauf erlaubt auch die Verwendung eines anderen Arbeitsgases als Umgebungsluft. Dieses Arbeitsgas wird in dem geschlossenen Kreislauf geführt. Da eine Entspannung in die Umgebung bei gleichzeitiger Einstellung des Umgebungsdruckes und der Umgebungstemperatur entfällt, muss das Arbeitsgas im Falle eines geschlossenen Kreislaufes durch einen Wärmetauscher geführt werden, der eine Abgabe von Wärme des Arbeitsgases an die Umgebung erlaubt. Da in einem geschlossenen Kreislauf auch entfeuchtete Luft oder andere Arbeitsgase verwendet werden können, kann auf eine mehrstufige Ausgestaltung des Verdichters und einen Wasserabscheider verzichtet werden. Nachteilig ist hier jedoch der zusätzliche Kostenaufwand für die Anschaffung und den Betrieb eines zusätzlichen Wärmetauschers nach der Expansionsturbine, bzw. vor dem Verdichter, um das Arbeitsgas auf Arbeitstemperatur für den Verdichter zu erwärmen. Im Betrieb ist dadurch die Energiespeichervorrichtung im Wirkungsgrad geschmälert.
Alternativ kann vorgesehen werden, dass der Ladekreislauf für die Speicherung der thermischen Energie in dem Wärmespeicher als offener Kreislauf ausgebildet ist, und der Verdichter aus zwei Stufen aufgebaut ist, wobei zwischen den Stufen ein Wasserabscheider für das Arbeitsgas vorgesehen ist. Hierbei wird dem Umstand Rechnung getragen, dass in der Umgebungsluft Luftfeuchtigkeit enthalten ist. Durch eine Entspannung des Arbeitsgases in einer einzigen Stufe kann es dazu kommen, dass die Luftfeuchtigkeit aufgrund der starken Abkühlung des Arbeitsgases auf beispielsweise –100°C kondensiert und hierbei die Expansionsturbine beschädigt. Insbesondere können Turbinenschaufeln durch Vereisung nachhaltig beschädigt werden. Eine Entspannung des Arbeitsgases in zwei Schritten ermöglicht es jedoch, kondensiertes Wasser in einem Wasserabscheider hinter der ersten Stufe beispielsweise bei 5°C abzuscheiden, so dass dieses bei einer weiteren Abkühlung des Arbeitsgases in der zweiten Turbinenstufe bereits entfeuchtet ist und eine Eisbildung verhindert oder zumindest verringert werden kann. Nachteilig ist jedoch auch hier der erhöhte Kostenaufwand für die Anschaffung eines mehrstufigen Verdichters und eines Wasserabscheiders. Auch ist im Betrieb eine derartige Anlage im Wirkungsgrad geschmälert.
Aufgabe der Erfindfindung ist es eine kostengünstige Energiespeichervorrichtung zur Speicherung thermischer Energie auf Basis von kostengünstigen Speichermaterialen anzugeben, die einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist. Dabei gilt es insbesondere die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden. Aufgabe der Erfindung ist zudem ein Verfahren anzugeben, durch welches sich unter einem verbesserten Wirkungsgrad thermische Energie in kostengünstigen Speichermaterialen speichern lässt.
Gelöst wird die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Demnach umfasst eine Energiespeichervorrichtung zur Speicherung thermischer Energie einem Ladekreislauf für ein Arbeitsgas, umfassend einen Verdichter, einen Wärmespeicher und eine Expansionsturbine, wobei der Verdichter und die Expansionsturbine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, und wobei der Verdichter austrittsseitig mit dem Eintritt der Expansionsturbine über eine erste Leistung für das Arbeitsgas verbunden ist, und der Wärmespeicher in die erste Leitung geschaltet ist, und der Verdichter eintrittseitig mit einer Leitung verbunden, die gegenüber der Atmosphäre offen ist, und die Expansionsturbine austrittseitig mit einer Leitung verbunden, die gegenüber der Atmosphäre offen ist, sodass ein gegenüber der Umgebungsluft offener Kreislauf gebildet ist. Erfindungsgemäß ist nun die Expansionsturbine über eine Leitung für ein Heißgas mit dem Wärmespeicher verbunden, sodass das Arbeitsgas in der der Expansionsturbine durch Wärme aus dem Wärmespeicher erwärmbar ist.
Kren der Erfindung ist es, dass ein Teilstrom der Warmluft nach dem Wärmespeicher zur Expansionsturbine geführt wird, um analog wie bei Gasturbinen in die Turbinenschaufeln geführt zu werden, um Vereisungsprobleme am kalten Ende der Expansionsturbine zu vermeiden.
Aufgrund der Rekuperation der Kompressor-Abwärme im Ladekreislauf und der Abgabe von kalter Expansionsluft an die Umgebung erzielt man eine Wärmepumpeneffizienz deutlich über 100%. Die Rekuperation der Kompressor-Abwärme wird dadurch möglich, dass im Thermospeicher lediglich Hochtemperaturwärme, z.B. > 320°C genutzt wird. Wärme auf geringerem Temperaturniveau wird zur Vorwärmung der Umgebungsluft am Kompressoreintritt verwendet, wodurch sich der elektrische Energiebedarf der quasi-adiabaten Kompression verringert und hohe Wärmepumpeneffizienzen ermöglicht. Der Wärmeaustausch bei der Rekuperation kann entweder direkt in einem Luft-Luft-Wärmetauscher oder durch einen Zwischenkreislauf mit einem effizienten Wärmeträgermedium (z.B. Thermoöl) erfolgen.
Im einfachsten Fall besteht der Kreislauf wie bei einem Joule-Prozess aus einer Kompression und Entspannung. Die genaue Anzahl der Kompressor- und Expanderstufen mit Zwischenkühlung der Luft ist jedoch frei wählbar und muss nach technoökonomischen Gesichtspunkten optimiert werden. Der Luft-Ladekreislauf dient zur Erzeugung von Hochtemperaturwärme, die eine effiziente Rückverstromung ermöglicht, aber alternativ auch direkt verwendet werden kann, z.B. für Fernwärmeerzeugung. Beim Thermo- oder Wärmespeicherspeicher wird aufgrund des höheren Effizienz-Potentials ein direkter Temperaturaustausch mit der heißen Druckluft (beim Laden) und dem Wasser/Dampf (beim Entladen) mit dem Speichermaterial bevorzugt (direkte Beaufschlagung).
Die Expansionsturbine verringert zudem den Energieaufwand für die Verdichtung, indem sie auf der gleichen Welle wie der Verdichter angeordnet ist, und den Verdichter wesentlich mit unterstützt.
Da die Abkühlung des Arbeitsgases bei niedrigen Temperaturen sehr große Wärmetauscherflächen erfordert, kann durch den Verzicht auf Verwertung der niedrigeren Temperaturen auch der Wärmespeicher günstiger ausfallen, da der Wärmetauscher kleiner dimensioniert werden kann.
In Summe wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades der Energiespeicherung erzielt. Zudem ist die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung wesentlich günstiger in der Anschaffung, als eine herkömmliche Energiespeichervorrichtung, bei der das Arbeitsgas weitgehend vollständig im Wärmetauscher abgekühlt wird.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der primärseitig in die erste Leitung für das Arbeitsgas nach dem Wärmespeicher geschaltet ist, und sekundärseitig in die dem Verdichter zuführende Leitung geschaltet ist, sodass Wärme aus dem Arbeitsgas auf die angesaugte Umgebungsluft in der dem Verdichter zuführenden Leitung übertragbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine erste Zusatzheizung vorgesehen, die in die erste Leitung für das Arbeitsgas, vor der Expansionsturbine geschaltet ist, sodass das Arbeitsgas vor Eintritt in die Expansionsturbine erwärmbar ist. Die Zusatzheizung kann elektrisch erfolgen. Durch die Zusatzheizung kann eine weitere Steigerung der Effizienz durch eine Anhebung der maximalen Speichertemperatur vor dem Wärmespeicher realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich dazu ist bei einer weiteren Weiterentwicklung eine zweite Zusatzheizung vorgesehen, die in die erste Leitung vor dem Wärmespeicher geschaltet ist, sodass das Arbeitsgas vor Eintritt in den Wärmespeicher erwärmbar ist. Durch die zweite Zusatzheizung kann die Regelbarkeit und Verfügbarkeit weiter erhöht werden.
Das Ausspeichern der gespeicherten Energie kann zum Beispiel über einen Dampfkreislauf erfolgen.
Die thermische Energie kann saisonal anfallende Überschussenergie eines Kraftwerks mit erneuerbaren Energien sein. Als Speichermaterial für den Wärmespeicher des Wärmetauscherprozesses eignen sich besonders poröse Materialien, Sand, Kies, Gestein, Beton, Wasser oder Salzlösung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0257862 A1 [0002]
US 5436508 [0002]

Claims

Energiespeichervorrichtung (1) zur Speicherung thermischer Energie, mit einem Ladekreislauf (2) für ein Arbeitsgas (3), umfassend einen Verdichter (4), einen Wärmespeicher (5) und eine Expansionsturbine (6), wobei der Verdichter (4) und die Expansionsturbine (6) auf einer gemeinsamen Welle (14) angeordnet sind, und wobei der Verdichter (4) austrittsseitig mit dem Eintritt der Expansionsturbine (6) über eine erste Leistung (7) für das Arbeitsgas (3) verbunden ist, und der Wärmespeicher (5) in die erste Leitung (7) geschaltet ist, und der Verdichter (4) eintrittseitig mit einer Leitung (30) verbunden ist, die gegenüber der Atmosphäre offen ist, und die Expansionsturbine (6) austrittseitig mit einer Leitung (31) verbunden ist, die gegenüber der Atmosphäre offen ist, sodass ein gegenüber der Umgebungsluft offener Kreislauf gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsturbine (6) über eine Leitung (33) für ein Heißgas mit dem Wärmespeicher (5) verbunden ist, sodass das Arbeitsgas (3) in der der Expansionsturbine (6) durch Wärme aus dem Wärmespeicher (5) erwärmbar ist.
Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (34) vorgesehen ist, der primärseitig in die erste Leitung (7) nach dem Wärmespeicher (5) geschaltet ist, und sekundärseitig in die Leitung (30) geschaltet ist, sodass Wärme aus dem Arbeitsgas (3) in der ersten Leitung (7) auf die angesaugte Umgebungsluft in der Leitung (30) übertragbar ist.
Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Zusatzheizung (35) vorgesehen ist, die in die erste Leitung (7), vor der Expansionsturbine (6) geschaltet ist, sodass das Arbeitsgas (3) vor Eintritt in die Expansionsturbine (6) erwärmbar ist.
Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Zusatzheizung (36) vorgesehen ist, die in die erste Leitung (7) vor dem Wärmespeicher (5) geschaltet ist, sodass das Arbeitsgas (3) vor Eintritt in den Wärmespeicher (5) erwärmbar ist.
Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend einen Endladekreislauf (9), in den der Wärmespeicher (5) und weiterhin eine Dampfturbinenanlage (16) mit einem Wasser-Dampf-Kreislauf (41) geschaltet ist, wobei durch den Wärmetauscher ein Dampf zur Expansion in der Dampfturbinenanlage (16) erzeugbar ist.
Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (5) in den Wasser-Dampf-Kreislauf (41) der Dampfturbinenanlage (16) geschaltet ist, sodass der Dampf direkt in dem Wärmetauscher (5) erzeugbar ist.
Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abhitzedampferzeuger (40) vorgesehen ist, der primärseitig über einen Kreislauf (45) für Heißluft mit dem Wärmespeicher (5) verbunden ist, und sekundärseitig mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf (41) der Dampfturbinenanlage (16) verbunden ist.
Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermaterial des Wärmespeichers (5) poröse Materialien, Sand, Kies, Gestein, Beton, Wasser oder Salzlösung sind.
Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung in einem Kraftwerk welches mit erneuerbaren Energien betrieben wird, zur Speicherung von saisonaler elektrischer Überschussenergie.