DE102011107315A1 - Device for storing energy i.e. electrical energy, from e.g. energy production device, has energy storage element comprising mixture of solid element and fluid element comprising thermal oil or liquid salt for energy storage and recovery - Google Patents

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Abstract

The device (1) has an energy storage element, and an energy entering device (10) for transmitting energy as heat energy to the storage element. An energy discharging device (20) discharges the heat energy stored in the storage element under lowering of temperature of the discharging device. The storage element is designed as a hybrid-energy storage element (2), and comprises a mixture (4) of solid element (6) and fluid element (8) comprising thermal oil or liquid salt for energy storage and energy recovery, where the energy is supplied to and/or removed from the mixture.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von Energie und insbesondere elektrischer Energie, mit wenigstens einem Energiespeicherelement, wenigstens einer Energieeintragsvorrichtung, über die die zu speichernde Energie als Wärmeenergie auf das Energiespeicherelement unter Anhebung dessen Temperatur übertragbar ist, und wenigstens einer Energieaustragsvorrichtung, über die die im Energiespeicherelement gespeicherte Wärmeenergie unter Absenkung dessen Temperatur abführbar ist.The invention relates to a device for storing energy and in particular electrical energy, with at least one energy storage element, at least one energy input device, via which the energy to be stored as heat energy to the energy storage element by raising its temperature is transferable, and at least one energy discharge device on the in the Energy storage element stored heat energy while lowering its temperature can be dissipated.

Derartige Energiespeichervorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So werden in der letzten Zeit große Anstrengungen unternommen, um Energie in Form von Wärme mittels Sonnenkollektoren oder Wärmepumpen zu gewinnen. Unabhängig davon ist man ständig bemüht, den Wirkungsgrad herkömmlicher Energiegewinnungsanlagen wie Kohle-, Gas- oder Ölheizanlagen zu verbessern.Such energy storage devices are known from the prior art. Thus, great efforts have recently been made to obtain energy in the form of heat by means of solar collectors or heat pumps. Irrespective of this, efforts are constantly being made to improve the efficiency of conventional energy generation systems, such as coal, gas or oil heating systems.

Dabei besteht jedoch immer das Problem, die gewonnene Wärme aber auch Energie, die aus anderen Energiegewinnungseinrichtungen, beispielsweise Wasserkraftwerken, gewonnen wurde, zu speichern und insbesondere zwischenzuspeichern.However, there is always the problem, the heat gained but also energy that has been obtained from other energy production facilities, such as hydroelectric power plants, store and in particular to cache.

So ist im Falle der Wärmegewinnung mittels Sonnenkollektoren mit sehr starken Ertragsschwankungen zu rechnen, die insbesondere in den mitteleuropäischen Breiten sehr hohe Maxima und Minima erreichen. Insbesondere in den Wintermonaten ist es in diesem Zusammenhang problematisch, dass mit Sonnenkollektoren genau dann, wenn viel Energie gebraucht wird, nicht kontinuierlich Energie bzw. Wärme gewonnen werden kann. Umso wichtiger ist es daher, bei Sonneneinstrahlung während des Tages so viel wie möglich an Energie zu gewinnen und diese zu speichern, damit während der Perioden, in denen die Sonne nicht scheint, diese Energie zur Verfügung steht.Thus, in the case of heat production by means of solar panels with very strong fluctuations in yield to be expected, which reach very high maxima and minima, especially in the central European latitudes. Especially in the winter months, it is problematic in this context that with solar collectors just when much energy is needed, not continuous energy or heat can be obtained. It is therefore all the more important to gain as much energy as possible during sunshine and to store it so that this energy is available during periods when the sun is not shining.

Dies scheitert in der Regel daran, dass die Speicherkapazitäten der bekannten Energiespeicher zu gering sind. Üblicherweise haben Warmwasserspeicher, die mittels umlaufenden Sonnenkollektoren beheizt werden, nur ein geringes Fassungsvermögen von wenigen hundert Litern, was insbesondere dann nicht ausreicht, wenn sowohl der Warmwasserbedarf als auch der Wärmebedarf eines Bauwerkes gedeckt werden soll.As a rule, this fails because the storage capacities of the known energy storage devices are too low. Usually have hot water tank, which are heated by circulating solar panels, only a small capacity of a few hundred liters, which is particularly not sufficient if both the hot water demand and the heat demand of a building to be covered.

Sowohl im Bereich der Solarthermie als auch bei zahlreichen anderen Technologien aus dem Bereich der Energiegewinnung und zur Bereitstellung von Heizwärme werden daher Speicher für Warmwasser benötigt, beispielsweise zur Verringerung von Taktzeiten von BHKW-Anlagen, bei Wärmepumpen oder größeren Feststoffkesseln. Darüber hinaus kann ein ausreichend großer Speicher die Laufzeiten eines stromgeführten BHKWs erhöhen und mittels Speicherung die Wärmenutzung zeitlich von der Erzeugung entkoppeln.Both in the field of solar thermal energy as well as many other technologies in the field of energy production and the provision of heating, therefore, hot water storage is needed, for example, to reduce cycle times of CHP plants, heat pumps or larger solid boilers. In addition, a sufficiently large memory can increase the running times of a current-controlled CHP and decouple by means of storage, the heat utilization time of generation.

Auch in größeren Heizwärmeverteileranlagen werden thermische Speicher als Stütz- oder Notspeicher in Verbindung mit Spitzenlastkesseln eingesetzt, beispielsweise in von Biogas-Anlagen gespeisten Wärmenetzen. Dabei werden insbesondere bei neuen innovativen Lösungen zur Wärmeversorgung immer größere Speicher benötigt. Diese Speicher dienen der Speicherung von Wärme, sie werden als Pufferspeicher mit Heizungsanlagenwasser oder mit nicht austauschendem Speicherwasser befüllt. Sie können zudem durch integrierte Tanks sowie durch integrierte oder extern angeschlossene Wärmeüberträger zur Trinkwasserbereitung dienen.In larger heating systems, thermal storage systems are also used as backup or emergency storage tanks in conjunction with peak load boilers, for example in heating networks powered by biogas plants. In the process, ever larger storage capacities are needed, especially for new innovative solutions for heat supply. These stores are used to store heat, they are filled as a buffer storage with heating system water or with non-exchanging storage water. They can also be used for drinking water through integrated tanks as well as integrated or externally connected heat exchangers.

Obiges gilt auch für Speicher für Energiegewinnungsanlagen. Auch hier steht man vor dem Problem große Energiemengen vorzugsweise vor Ort kostengünstig zu speichern.The above also applies to storage for energy production plants. Again, one faces the problem of saving large amounts of energy preferably locally on the ground cost.

Aus dem Stand der Technik sind derzeit jedoch keine Speicher bekannt, bei denen auf kostengünstige Weise eine Energiespeicherung und insbesondere eine Pufferung von Energiespitzen während der Energiegewinnung möglich ist.However, no memories are currently known from the prior art, in which an energy storage and in particular a buffering of energy peaks during energy production is possible in a cost effective manner.

Zwar sind Verfahren bekannt, bei denen zur Speicherung von Energie mittels Energieeintragsvorrichtungen und Energieaustragsvorrichtungen Energie in Form von Wärmeenergie in einem Energiespeicherelement gespeichert und von diesem auch wieder abgezogen werden kann, der Wirkungsgrad dieser Speicher ist jedoch äußerst gering, wobei gleichzeitig die Herstellungskosten für solche Speicher sehr hoch und damit das Gesamtkonzept unrentabel ist. So gibt es Versuche Energie in Feststoffspeichern, wie beispielsweise Sandschüttungen zu speichern; diese Verfahren haben jedoch einen sehr geringen Wirkungsgrad. Weiter gibt es Bestrebungen als Energiespeicher Fluide zu verwenden; auch hier ist jedoch der Wirkungsgrad insbesondere unter Einbeziehung einer Kosten-Nutzenanalyse sehr gering.Although methods are known in which energy can be stored in the form of thermal energy in an energy storage element for storage of energy by means of energy input devices and energy discharge device and can be deducted from this, but the efficiency of these memories is extremely low, at the same time the production cost of such memory very high and thus the overall concept is unprofitable. So there are attempts to store energy in solid storage, such as sand fillings; However, these methods have a very low efficiency. Further, there are efforts as an energy storage fluid to use; Here, too, however, the efficiency is very low, especially with the inclusion of a cost-benefit analysis.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es folglich, eine Vorrichtung zum Speichern von Energie und insbesondere elektrischer Energie der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die kostengünstig herstellbar ist, einen im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Energiespeichereinrichtungen erhöhtem Wirkungsgrad aufweist und somit eine effektive Energiespeicherung erlaubt.The object of the present invention is therefore to provide a device for storing energy and in particular electrical energy of the type mentioned above, which is inexpensive to produce, has an increased efficiency compared to known from the prior art energy storage devices and thus an effective Energy storage allowed.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Speichern von Energie und insbesondere elektrischer Energie und ein Hybrid-Energiespeicherelement gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.This object is achieved by a device for storing energy and in particular electrical energy and a hybrid energy storage element according to the independent claims.

Insbesondere wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Speichern von Energie und insbesondere elektrischer Energie gelöst, mit wenigstens einem Energiespeicherelement, wenigstens einer Energieeintragsvorrichtung, über die die zu speichernde Energie als Wärmeenergie auf das Energiespeicherelement unter Anhebung dessen Temperatur übertragbar ist, und wenigstens einer Energieaustragsvorrichtung, über die die im Energiespeicherelement gespeicherte Wärmeenergie unter Absenkung dessen Temperatur abführbar ist, wobei das Energiespeicherelement als ein Hybrid-Energiespeicherelement ausgebildet ist, umfassend eine Mixtur der die Energie als Wärmeenergie zugeführt bzw. entzogen wird, aus wenigstens einem Feststoffelement und wenigstens einem Fluidelement.In particular, this object is achieved by a device for storing energy and in particular electrical energy, with at least one energy storage element, at least one energy input device, via which the energy to be stored as heat energy to the energy storage element by raising its temperature is transferable, and at least one energy discharge device over the heat energy stored in the energy storage element can be dissipated while lowering its temperature, wherein the energy storage element is designed as a hybrid energy storage element, comprising a mixture of the energy is supplied or withdrawn as heat energy from at least one solid element and at least one fluid element.

Im Umfang der Erfindung wird unter einem Hybrid-Energiespeicherelement jedes Element verstanden, das sich im Wesentlichen aus einer Mixtur aus wenigstens einem Feststoffelement und wenigstens einem Fluidelement zusammensetzt. Diese Feststoffelemente sind Elemente, die im Wesentlichen hauptsächlich aus Feststoffen, sei es aus einem einzigen Feststoff oder einer Feststoffzusammensetzung bestehen. Unter Feststoffelement wird im Umfang der Erfindung auch entweder ein komplexes Element, beispielsweise ein insbesondere poröser Feststoffwürfel oder dergleichen Volumenelement verstanden, oder ein einzelnes Element einer Feststoffelementansammlung, wie sie beispielsweise bei einem Schüttmaterial vorliegen. Unter Fluidelement wird jedes Element verstanden, dessen Elementstruktur eine im Wesentlichen fluidale Eigenschaft aufweist, vorzugsweise eine Flüssigkeit, und insbesondere Eigenschaften aufweist, die ein Spalt und Hohlraum füllendes Verfließen des Feststoffelementes erlauben. Bei einem Fluidelement ist in der Regel die Rede von einem homogenen Fluid, wobei natürlich auch Fluidelementmischungen unter den Begriff Fluidelement subsumiert werden könnenWithin the scope of the invention, a hybrid energy storage element is understood as meaning any element which essentially consists of a mixture of at least one solid element and at least one fluid element. These solid elements are elements which consist essentially mainly of solids, be it a single solid or a solid composition. Within the scope of the invention, solid element is also understood to mean either a complex element, for example a particularly porous solid cube or similar volume element, or a single element of a solid element collection, as present, for example, in a bulk material. The term "fluid element" is understood to mean any element whose element structure has a substantially fluid property, preferably a liquid, and in particular has properties which allow the solid element to flow in a gap and cavity. In the case of a fluid element, the term generally refers to a homogeneous fluid, although, of course, fluid element mixtures can also be subsumed under the term fluid element

Durch die Ausbildung des Energiespeicherelementes als Hybrid-Energiespeicherelement umfassend eine Mixtur aus wenigstens einem Feststoffelement und wenigstens einem Fluidelement ist es insbesondere garantiert, dass Hohlräume im Feststoffelement durch das Fluidelement geschlossen und somit der Wärmeübergangswiderstand innerhalb des Elementes bzw. im gesamten Hybrid-Energiespeicherelement und auch dessen Wärmekapazität im Sinne der Energiespeicherung verbessert werden.By forming the energy storage element as a hybrid energy storage element comprising a mixture of at least one solid element and at least one fluid element, it is particularly guaranteed that cavities in the solid element closed by the fluid element and thus the heat transfer resistance within the element or in the entire hybrid energy storage element and its Heat capacity can be improved in terms of energy storage.

Vorzugsweise ist die Mixtur eine im Wesentlichen homogene Mixtur, was bedeutet, dass das Feststoffelement bzw. die Feststoffelemente gleichmäßig mit dem Fluidelement vermengt und somit insbesondere Zwischenräume und Hohlräume von dem Fluidelement vollständig ausgefüllt sind.Preferably, the mixture is a substantially homogeneous mixture, which means that the solid element or the solid elements are uniformly mixed with the fluid element and thus in particular gaps and cavities are completely filled by the fluid element.

Vorzugsweise weist das Feststoffelement ein Schüttmaterial und insbesondere ein körniges Schüttmaterial auf. Ein solches Schüttmaterial kann beispielsweise aus einem unverfestigten Sedimentgestein bestehen und insbesondere aus einem Sand und hier im Speziellen aus einem Quarzsand. Die Verwendung eines Schüttmaterials als Feststoffelement erlaubt insbesondere das vollständige Auffüllen eines Speicherraumes für das Energiespeicherelement, wobei die Abstände zwischen den einzelnen Schüttmaterialelementen, beispielsweise die Abstände zwischen einzelnen Sandpartikeln, im Wesentlichen vollständig durch das Fluidelement ausgefüllt werden. Das Ergebnis ist ein Energiespeicher, der aufgrund der Kombination aus Feststoffelement und Fluidelement sehr kompakt ist, wobei der Wärmeübergangswiderstand zwischen den Einzelbauteilen des Fluidelementes, also beispielsweise den Sandpartikeln durch das anhaftende und die Zwischenräume ausfüllende Fluidelement sehr gering ist. Wärme, die über das Energieeintragselement in diesem Hybrid-Energiespeicherelement gespeichert werden soll, kann so sehr schnell und effektiv vom Energiespeicherelement aufgenommen und natürlich auch wieder abgeführt werden.The solid element preferably has a bulk material and in particular a granular bulk material. Such a bulk material may for example consist of an unconsolidated sedimentary rock and in particular of a sand and in particular of a quartz sand. The use of a bulk material as a solid element in particular allows the complete filling of a storage space for the energy storage element, wherein the distances between the individual bulk material elements, for example, the distances between individual sand particles, are substantially completely filled by the fluid element. The result is an energy store, which is very compact due to the combination of solid element and fluid element, wherein the heat transfer resistance between the individual components of the fluid element, so for example, the sand particles by the adhering and the interstices filling fluid element is very low. Heat that is to be stored on the energy input element in this hybrid energy storage element can be so very quickly and effectively absorbed by the energy storage element and of course also removed again.

Die Herstellung des Hybrid-Energiespeicherelementes ist äußerst kostengünstig, da das Schüttmaterial einen relativ geringen Preis aufweist und sehr einfach zu verarbeiten ist. So kann beispielsweise herkömmlicher Sand verwendet werden, der nahezu an jeder Montagestätte der Energiespeichervorrichtung vorhanden ist. Durch die plastischen Eigenschaften des Schüttmaterials in Kombination mit dem Fluidelement ist es darüber hinaus möglich, die zur Speicherung des Energie-Speicherelementes verwendeten Aufnahme- und Speicherräume nahezu frei zu dimensionieren, da auch kleinste Ausbuchtungen und Kavernen durch die plastide Mixtur ausgefüllt werden können.The production of the hybrid energy storage element is extremely cost-effective, since the bulk material has a relatively low price and is very easy to work with. For example, conventional sand may be used that is present at almost any mounting location of the energy storage device. Due to the plastic properties of the bulk material in combination with the fluid element, it is also possible to dimension the storage and storage spaces used for storing the energy storage element almost freely, since even the smallest bulges and caverns can be filled by the plastide mixture.

Etwaige Temperaturschwankungen und daraus resultierende Spannungen stellen kein Problem dar, da durch die plastische Ausbildung des Energiespeicherelementes Temperaturschwankungen oder dergleichen Elementbelastungen spannungsfrei abgetragen werden.Any temperature fluctuations and resulting voltages pose no problem, since the plastic design of the energy storage element temperature variations or similar element loads are removed stress-free.

Vorzugsweise weist das Schüttmaterial eine Korngröße im Bereich von 0,063–0,2 mm bis 20–63 mm, insbesondere im Bereich zwischen 0,2–0,63 mm und 2–6,3 mm und insbesondere im Bereich 0,63–2 mm auf. Eine solche Korngrößenzusammensetzung des Schüttmaterials hat sich für die Energiespeicherung und die Energierückgewinnung als besonders vorteilhaft herausgestellt.Preferably, the bulk material has a particle size in the range of 0.063-0.2 mm to 20-63 mm, in particular in the range between 0.2-0.63 mm and 2-6.3 mm and in particular in the range of 0.63-2 mm on. Such a grain size composition of the bulk material has been found to be particularly advantageous for energy storage and energy recovery.

Vorzugsweise weist das Schüttmaterial einen Minimalgehalt an unverfestigtem Sedimentgestein von wenigstens 50% und insbesondere wenigstens 90% auf. Eine solche Schüttmaterialzusammensetzung hat sich ebenfalls als besonders vorteilhaft herausgestellt, wobei so auch die Verwendung von unbehandelten Schüttmaterialien, wie sie in der Natur vorkommen, möglich ist. Preferably, the bulk material has a minimum level of unconsolidated sedimentary rock of at least 50%, and more preferably at least 90%. Such a bulk material composition has also been found to be particularly advantageous, so also the use of untreated bulk materials, as they occur in nature, is possible.

Vorzugsweise weist das Fluidelement einen Normalsiedepunkt von höher 100°C, und insbesondere höher 500°C auf. Die Definition eines Fluidelementes derart erlaubt die Speicherung von Wärmeenergie mit sehr hohen Temperaturen, ohne dass es zu einem Verdampfen des Fluidelementes in den Zwischenräumen und Poren des Schüttmaterials kommt. Unter der Siedetemperatur wird hier die Temperatur zum Siedepunkt des Fluidelementes bei Normaldruck, also bei 1013,25 hPa verstanden.Preferably, the fluid element has a normal boiling point of higher than 100 ° C, and especially higher than 500 ° C. The definition of a fluid element in this way allows the storage of heat energy at very high temperatures, without causing evaporation of the fluid element in the interstices and pores of the bulk material. Here, the boiling temperature is understood to mean the temperature at the boiling point of the fluid element at atmospheric pressure, ie at 1013.25 hPa.

Vorzugsweise weist das Fluidelement ein Thermoöl und/oder ein Flüssigsalz auf, wobei es insbesondere im Wesentlichen vollständig aus einem solcher Thermoöl und/oder einem Flüssigsalz besteht. Unter Thermoöle werden hier sämtliche Öle verstanden, die einen im Vergleich zu Wasser stark erhöhten Normalsiedepunkt aufweisen. Es können also Mineralöle, Synthetiköle oder auch biologische Öle sein. Flüssigsalze oder so genannte Salzschmelzen können beispielsweise Natriumnitrate, Kaliumnitrate oder deren Mischungen sein. Darüber hinaus ist die Verwendung von Flüssigmetallen oder sämtlichen anderen fluiden Materialien möglich, die als Wärmeträger mit einem erhöhten Normalsiedepunkt hergestellt werden können.Preferably, the fluid element comprises a thermal oil and / or a liquid salt, wherein it consists in particular substantially completely of such a thermal oil and / or a molten salt. Thermo oils are understood here to mean all oils which have a much higher normal boiling point than water. It may be mineral oils, synthetic oils or biological oils. Liquid salts or so-called molten salts may be, for example, sodium nitrates, potassium nitrates or mixtures thereof. In addition, it is possible to use liquid metals or any other fluid materials that can be produced as heat carriers having an elevated normal boiling point.

Die Mixtur aus Fluidelement und Feststoffelement führt zu einem Hybrid-Energiespeicherelement mit einem sehr hohen Wirkungsgrad, einer hohen Temperaturaufnahmefähigkeit bei gleichzeitig sehr preiswerter und vielseitiger Herstellbarkeit.The mixture of fluid element and solid element leads to a hybrid energy storage element with a very high efficiency, a high temperature absorption capability at the same time very inexpensive and versatile manufacturability.

Vorzugsweise ist das Hybrid-Energiespeicherelement in einem Speicherbehälter angeordnet. Ein solcher Speicherbehälter kann beispielsweise ein Stahlbehälter und/oder ein wärmegedämmter Behälter sein. Es ist aber auch möglich, insbesondere im Erdreich entsprechende Speicherräume auszuheben, diese dann vorzugsweise mit einer Trennfolie oder einem dergleichen Trennmaterial Material auszukleiden und darin das Hybrid-Energiespeicherelement zu lagern. Auch hier ist natürlich dann eine wärmedämmende Verkleidung verwendbar. Das Hybrid-Energiespeicherelement kann sowohl in einem extern aufgestellten Speicherbehälter oder aber einem integrierten Speicherbehälter, also beispielsweise einem vergrabenen oder unterirdisch angeordneten Speicherbehälter aufgenommen werden.Preferably, the hybrid energy storage element is arranged in a storage container. Such a storage container may be, for example, a steel container and / or a thermally insulated container. However, it is also possible to excavate corresponding storage spaces, in particular in the ground, then preferably to line them with a release film or a similar release material and to store therein the hybrid energy storage element. Again, of course, then a heat-insulating panel is usable. The hybrid energy storage element can be accommodated both in an externally installed storage container or in an integrated storage container, that is, for example, a buried or underground storage container.

Die Energieaustragsvorrichtung weist vorzugsweise wenigstens eine Wärmetauschervorrichtung auf, mit wenigstens einem Wärmetauscherelement, das das Hybrid-Energiespeicherelement durchläuft, und/oder die Energieeintragsvorrichtung weist vorzugsweise wenigstens eine Heizvorrichtung auf, mit wenigstens einem Heizelement, das das Hybrid-Energiespeicherelement durchläuft.The energy discharge device preferably has at least one heat exchanger device, with at least one heat exchanger element that passes through the hybrid energy storage element, and / or the energy input device preferably has at least one heating device, with at least one heating element that passes through the hybrid energy storage element.

Solche Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und erlauben das einfache Eintragen und Austragen von Energie in das Hybrid-Energiespeicherelement. Die Vorrichtungen sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie nach dem Tauchsiederprinzip arbeiten. Das Wärmetauscherelement der Wärmetauschervorrichtung kann dabei vorzugsweise eine Wärmetauscherleitung mit einem Wärmetauscherfluid sein, das das Wärmetauscherelement durchfließt, wobei das Wärmetauscherelement dann vorzugsweise mäandernd im Hybrid-Energiespeicherelement verlegt ist.Such devices are well known in the art and allow easy entry and discharge of energy into the hybrid energy storage element. The devices are preferably designed such that they work according to the immersion-lower principle. The heat exchanger element of the heat exchanger device can preferably be a heat exchanger line with a heat exchanger fluid, which flows through the heat exchanger element, wherein the heat exchanger element is then laid preferably meandering in the hybrid energy storage element.

Die Energieeintragsvorrichtung kann beispielsweise eine Heizspirale aufweisen, die mäandernd im Hybrid-Energiespeicherelement verlegt ist und über das Zuführen von elektrischer Energie das Aufheizen des Hybrid-Energiespeicherelementes ermöglicht.The energy input device may, for example, have a heating coil which is laid meandering in the hybrid energy storage element and enables the heating of the hybrid energy storage element via the supply of electrical energy.

Es ist auch möglich die Energieeintragsvorrichtung gleichzeitig auch als Energieaustragsvorrichtung auszubilden bzw. die Energieaustragsvorrichtung gleichzeitig auch als Energieeintragsvorrichtung auszubilden. So kann beispielsweise ein Wärmetauscherelement einer Wärmetauschervorrichtung bei einer besonderen Ausführungsform derart asugebildet sein, dass es sowohl Energie in den Energiespeicher eintragen, als auch, im Umkehrbetrieb, austragen kann.It is also possible to simultaneously design the energy input device as an energy output device or to simultaneously design the energy output device as an energy input device. For example, in a particular embodiment, a heat exchanger element of a heat exchanger device may be designed such that it can both introduce energy into the energy store and, in reversed operation, discharge it.

Während die vorliegende Beschreibung bisher eine Energiespeichervorrichtung fokussiert hat, betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Hybrid-Energiespeicherelement zur Verwendung in einer Energiespeichervorrichtung der vorgenannten Art, also mit wenigstens einer Energieeintragsvorrichtung, über die die zu speichernde Energie als Wärmeenergie auf das Hybrid-Energiespeicherelement unter Anhebung dessen Temperatur übertragbar ist und wenigstens einer Energieaustragsvorrichtung, über die die im Energiespeicherelement gespeicherte Wärmeenergie unter Absenkung dessen Temperatur abführbar ist, wobei das Hybrid-Energiespeicherelement eine Mixtur aus wenigstens einem Feststoffelement und wenigstens einem Fluidelement ist. Wie bereits thematisiert, kann ein solches Hybrid-Energiespeicherelement einfach in bestehende Energiespeicherbehälter verbaut und auf diese Weise auch bestehende Energiespeichervorrichtungen nachgerüstet werden. Sämtliche vorgenannten in Bezug auf die Energiespeichervorrichtung genannten Aspekte sind im Umfang der Erfindung identisch auf das Hybrid-Energiespeicherelement als solches übertragbar, und umgekehrt, und lediglich aus Redundanzgründen nicht eigens aufgeführt.While the present description has heretofore focused on an energy storage device, the present invention also relates to a hybrid energy storage element for use in an energy storage device of the aforementioned type, ie with at least one energy input device, via which the energy to be stored as heat energy to the hybrid energy storage element by increasing it Temperature is transferable and at least one energy discharge device via which the energy stored in the energy storage element heat energy can be dissipated while lowering the temperature, wherein the hybrid energy storage element is a mixture of at least one solid element and at least one fluid element. As already discussed, such a hybrid energy storage element can be easily installed in existing energy storage container and be retrofitted in this way, existing energy storage devices. All the aforesaid relating to Energy storage device mentioned aspects are within the scope of the invention identically transferable to the hybrid energy storage element as such, and vice versa, and not specifically listed for redundancy reasons.

Es ist möglich, das Hybrid-Energiespeicherelement als so genannte fertig konfektionierte Hybrid-Energiespeicherelementkassette anzubieten, die dann bei Bedarf einfach in eine Vorrichtung zum Speichern von Energie der vorgenannten Art integriert werden kann. Eine solche Kassette kann beispielsweise vorkonfektioniert mit entsprechenden Energieeintragsvorrichtungen und/oder Energieaustragsvorrichtungen bzw. deren Einzelkomponenten ausgerüstet sein, um insbesondere einzelne Kassetten zu einem kompletten Energiespeichersystem zu kombinieren. Auf diese Weise ist beispielsweise die bedarfsgerechte Auslegung und Installation einer Energiespeichervorrichtung sehr einfach und kostengünstig möglich.It is possible to offer the hybrid energy storage element as a so-called ready-made hybrid energy storage element cassette, which can then be easily integrated as needed in a device for storing energy of the aforementioned type. Such a cassette can, for example, be prefabricated with corresponding energy input devices and / or energy discharge devices or their individual components, in order in particular to combine individual cassettes to form a complete energy storage system. In this way, for example, the needs-based design and installation of an energy storage device is very simple and inexpensive possible.

Zur Kombination einzelner Hybrid-Energiespeicherelementkassetten sind dann vorzugsweise entsprechende Adaptervorrichtungen vorgesehen, die das serielle oder parallele Verschalten der Energieeintragsvorrichtungen und der Energieaustragsvorrichtungen bzw. deren Einzelkomponenten ermöglicht.In order to combine individual hybrid energy storage element cassettes, corresponding adapter devices are then preferably provided which enable the serial or parallel connection of the energy input devices and the energy discharge devices or their individual components.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele beschrieben, die durch die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen schematisch:In the following the invention will be described with reference to two embodiments, which are explained in more detail by the accompanying drawings. Here are shown schematically:

1 eine erste Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung im Querschnitt; und 1 a first embodiment of the energy storage device in cross section; and

2 eine zweite Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung im Querschnitt. 2 a second embodiment of the energy storage device in cross section.

Im Folgenden werden für gleiche und gleich wirkende Bezugszeichen dieselben Bezugsziffern verwendet, wobei zur Unterscheidung bisweilen Hochindizes ihre Anwendung finden.Hereinafter, the same reference numerals are used for the same and the same reference numerals, with the use sometimes of high indices to distinguish them.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung 1, umfassend einen isolierten Stahlbehälter 12. Der Stahlbehälter 12 umfasst eine Stahlwandung 32, die außenseitig von einer Wärmeisolation 34 umgeben ist. Im Inneren 3 des Speicherbehälters 12 ist das Hybrid-Energiespeicherelement 2 angeordnet, das hier aus einer Mixtur 4 eines Feststoffelementes 6 und eines Fluidelementes 8 besteht. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the energy storage device 1 comprising an insulated steel container 12 , The steel container 12 includes a steel wall 32 , the outside of a heat insulation 34 is surrounded. Internally 3 of the storage container 12 is the hybrid energy storage element 2 arranged, this one from a mixture 4 a solid element 6 and a fluid element 8th consists.

Das Feststoffelement ist ein unverfestigtes Sedimentgestein und insbesondere ein Sand, der in loser Schüttung in den Speicherbehälter 12 eingebracht ist. Die resultierenden Elementzwischenräume 18 zwischen den einzelnen Partikeln 5 des Feststoffelementes 6 bzw. des Schüttmaterials 7 sind im Wesentlichen vollständig durch das Fluidelement 8 aufgefüllt, das hier ein Thermoöl ist. Durch das Auffüllen der Zwischenräume 18 ergibt sich ein sehr dichtes Hybrid-Energiespeicherelement, bei dem auf sehr einfache Weise Energie aufgenommen bzw. abgeführt werden kann.The solid element is an unconsolidated sedimentary rock and in particular a sand, in bulk in the storage tank 12 is introduced. The resulting element spaces 18 between the individual particles 5 of the solid element 6 or the bulk material 7 are essentially completely through the fluid element 8th filled, this is a thermal oil. By filling the gaps 18 This results in a very dense hybrid energy storage element in which energy can be absorbed or dissipated in a very simple manner.

Dazu sind im Inneren 3 des Speicherbehälters 12 eine Energieeintragsvorrichtung 10 und eine Energieaustragsvorrichtung 20 angeordnet.These are inside 3 of the storage container 12 an energy input device 10 and an energy release device 20 arranged.

Die Energieeintragsvorrichtung 10 umfasst eine Heizvorrichtung 14, dessen Heizelement(e) 16 mäanderförmig im Speicherbehälter 12 angeordnet ist. Die zu speichernde Energie und in diesem Fall eine elektrische Energie kann über die Heizvorrichtung 14 somit sehr einfach in das Hybrid-Energiespeicherelement eingetragen werden, indem das Heizelement 16 durch die elektrische Energie erhitzt und das Hybrid-Energiespeicherelement 2 erwärmt wird.The energy input device 10 includes a heater 14 whose heating element (s) 16 Meandering in the storage tank 12 is arranged. The energy to be stored and in this case an electrical energy can be transmitted through the heater 14 thus be very easily registered in the hybrid energy storage element by the heating element 16 heated by the electrical energy and the hybrid energy storage element 2 is heated.

Eine Rückgewinnung der gespeicherten Energie ist dann über die Energieaustragsvorrichtung 20 möglich, die hier als Wärmetauschervorrichtung 24 mit wenigstens einem Wärmetauscherelement 26 ausgerüstet ist. Das Wärmetauscherelement 26 ist ebenfalls im Inneren 3 des Speicherbehälters 12 angeordnet und durchläuft das Hybrid-Speicherelement 2 mäanderförmig. Das Wärmetauscherelement 26 wird dabei mit einem Wärmetauscherfluid (nicht dargestellt) beschickt, das die im Hybrid-Energiespeicherelement 2 gespeicherte Wärmeenergie aufnimmt und abführt, wobei die Temperatur des Hybrid-Energiespeicherelementes abgesenkt wird.Recovery of the stored energy is then via the energy dump device 20 possible, here as a heat exchanger device 24 with at least one heat exchanger element 26 equipped. The heat exchanger element 26 is also inside 3 of the storage container 12 arranged and passes through the hybrid memory element 2 meandering fashion. The heat exchanger element 26 is thereby charged with a heat exchange fluid (not shown), which in the hybrid energy storage element 2 absorbs and dissipates stored heat energy, wherein the temperature of the hybrid energy storage element is lowered.

Diese Energiespeicherung bzw. Energiegewinnung im Hybrid-Energiespeicherelement ist nahezu unbegrenzt oft möglich. Sollte doch einmal ein Austausch des Hybrid-Energiespeicherelementes möglich sein, ist der Speicherbehälter 12 mitsamt dem daran angeordneten Hybrid-Energiespeicherelement und den darin verlaufenden Energieeintragsvorrichtungen 10 und Energieaustragsvorrichtungen 20 austauschbar und insbesondere in Einzelkomponenten ausgebildet, so dass einzelne Baubestandteile einer gesamten Energieversorgungsvorrichtung 1 ausgetauscht und durch neue Bestandteile ersetzt werden können.This energy storage or energy in the hybrid energy storage element is almost unlimited often possible. Should it ever be possible to replace the hybrid energy storage element, the storage container 12 together with the hybrid energy storage element arranged thereon and the energy input devices extending therein 10 and energy discharge devices 20 exchangeable and designed in particular in individual components, so that individual components of an entire energy supply device 1 replaced and replaced with new components.

Ein Mögliches Verfahren zum Aufbau der Hybridenergiespeichervorrichtung ist, das allmähliche auffüllen des Speicherbehälters 12 mit der Mixtur 4 und das sukzessive Verlegen der Energieeintrags- und Austragsvorrichtungen 10 bzw. 20, so dass deren energieabgebenden bzw. energieaufnehmenden Elemente möglichst vollständig von der Mixtur 4 umschlossen werden. Vorzugsweise sind in diesem Zusammenhang die energieabgebenden bzw. energieaufnehmenden Elemente 16 bzw. 26 flexibel ausgebildet, um ein Verlegen im Speicherbehälter 12 zu ermöglichen.One possible method of constructing the hybrid energy storage device is to gradually fill the storage container 12 with the mixture 4 and the successive laying of the energy input and discharge devices 10 respectively. 20 , so that their energy-emitting or energy-absorbing elements as completely as possible of the mixture 4 be enclosed. Preferably, in this context, the energy-emitting or energy-absorbing elements 16 respectively. 26 designed to be flexible in the storage tank 12 to enable.

2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1, die in ihren Einzelbestandteilen im Wesentlichen der Ausführungsform aus 1 entspricht. Auch hier ist ein Hybrid-Energiespeicherelement 2 in einem Speicherraum bzw. Speicherbehälter 12 angeordnet, wobei das Hybrid-Energiespeicherelement 2 wieder aus einer Mixtur 4 aus einem Feststoffelement 6 und einem Fluidelement 8 besteht. Zum Energieeintrag bzw. Energieaustrag sind wieder eine Energieeintragsvorrichtung 10 bzw. Energieaustragsvorrichtung 20 vorgesehen. 2 shows a second embodiment of the energy storage device according to the invention 1 , which in their individual components essentially the embodiment 1 equivalent. Again, a hybrid energy storage element 2 in a storage space or storage container 12 arranged, wherein the hybrid energy storage element 2 again from a mixture 4 from a solid element 6 and a fluid element 8th consists. For energy input or energy discharge are again an energy input device 10 or energy discharge device 20 intended.

Der Speicherbehälter 12 umfasst bei dieser Ausführungsform eine Verkleidung 13 im Erdreich 15, die in eine im Erdreich 15 ausgehobene Vertiefung ausgelegt worden ist. Die Verkleidung 13 selber umfasst wieder eine Wärmeisolation 34, auf die eine Schutzverkleidung und insbesondere eine Betonschicht aufgebracht worden ist. Anstelle einer solchen Betonschicht kann beispielsweise auch eine Kunststofffolie oder dergleichen auskleidendes rießfestes Material verwendet werden. Auf diese Weise ist es sehr einfach und kostengünstig möglich, niveaugleiche und/oder unterirdische Energiespeichervorrichtungen 1 herzustellen.The storage tank 12 includes in this embodiment a fairing 13 in the soil 15 in a soil 15 excavated recess has been designed. The costume 13 itself again includes a thermal insulation 34 on which a protective covering and in particular a concrete layer has been applied. Instead of such a concrete layer, for example, a plastic film or the like lining rießfestes material can be used. In this way, it is very easy and inexpensive possible, level and / or underground energy storage devices 1 manufacture.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
EnergiespeichervorrichtungEnergy storage device
22
Hybrid-EnergiespeicherelementHybrid energy storage element
44
Mixturmixture
55
Partikel insbesondere SandkornParticles, in particular sand grain
66
FeststoffelementSolid element
77
Schüttmaterialbulk material
88th
Fluidelementfluid element
1010
EnergieeintragsvorrichtungEnergy input device
1212
Speicherbehälterstorage container
1313
Verkleidungpaneling
1414
Heizvorrichtungheater
1515
Erdreichsoil
1616
Heizelementheating element
2020
EnergieaustragsvorrichtungEnergieaustragsvorrichtung
2424
Wärmetauschervorrichtungheat exchanger device
2626
WärmetauscherelementHeat exchanger element
3232
Behälterwandungcontainer
3434
Wärmeisolationthermal insulation

Claims (10)

Vorrichtung zum Speichern von Energie und insbesondere elektrischer Energie, mit wenigstens einem Energiespeicherelement (2), wenigstens einer Energieeintragsvorrichtung (10), über die die zu speichernde Energie als Wärmeenergie auf das Energiespeicherelement (2) unter Anhebung dessen Temperatur übertragbar ist, und wenigstens einer Energieaustragsvorrichtung (20), über die die im Energiespeicherelement (2) gespeicherte Wärmeenergie unter Absenkung dessen Temperatur abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeicherelement (2) als ein Hybrid-Energiespeicherelement (2) ausgebildet ist, umfassend eine Mixtur (4) zur Energiespeicherung und Energierückgewinnung, der die Energie als Wärmeenergie zugeführt bzw. entzogen wird, aus wenigstens einem Feststoffelement (6) und wenigstens einem Fluidelement (8).Device for storing energy and in particular electrical energy, with at least one energy storage element ( 2 ), at least one energy input device ( 10 ), via which the energy to be stored as heat energy to the energy storage element ( 2 ) with an increase in the temperature thereof, and at least one energy-discharging device ( 20 ), via which the energy storage element ( 2 ) stored heat energy with lowering the temperature is dissipatable, characterized in that the energy storage element ( 2 ) as a hybrid energy storage element ( 2 ), comprising a mixture ( 4 ) for energy storage and energy recovery, to which the energy is supplied or withdrawn as heat energy, from at least one solid element ( 6 ) and at least one fluid element ( 8th ). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feststoffelement (6) ein Schüttmaterial (7) und insbesondere ein körniges Schüttmaterial aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the solid element ( 6 ) a bulk material ( 7 ) and in particular a granular bulk material. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttmaterial (7) eine Korngröße im Bereich von 0,063–0,2 mm bis 20–63 mm, insbesondere im Bereich zwischen 0,2–0,63 mm und 2–6,3 mm und insbesondere im Bereich 0,63–2 mm aufweist.Device according to one of the preceding claims, in particular claim 2, characterized in that the bulk material ( 7 ) has a particle size in the range of 0.063-0.2 mm to 20-63 mm, in particular in the range between 0.2-0.63 mm and 2-6.3 mm and in particular in the range of 0.63-2 mm. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttmaterial (7) wenigstens teilweise aus einem unverfestigtem Sedimentgestein und insbesondere Sand besteht.Device according to one of the preceding claims, in particular one of claims 2 or 3, characterized in that the bulk material ( 7 ) at least partially consists of an unconsolidated sedimentary rock and in particular sand. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttmaterial (7) einen Minimalgehalt an unverfestigtem Sedimentgestein von wenigstens 50% und insbesondere wenigstens 90% aufweist.Device according to one of the preceding claims, in particular one of claims 2 to 4, characterized in that the bulk material ( 7 ) has a minimum content of unconsolidated sedimentary rock of at least 50% and in particular at least 90%. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidelement (8) einen Normalsiedepunkt von höher 100°C, insbesondere höher 500°C aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the fluid element ( 8th ) has a normal boiling point of higher 100 ° C, especially higher 500 ° C. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidelement (8) ein Thermoöl und/oder ein Flüssigsalz aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the fluid element ( 8th ) has a thermal oil and / or a liquid salt. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybrid-Energiespeicherelement (2) in wenigstens einem Speicherbehälter (12) angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the hybrid energy storage element ( 2 ) in at least one storage container ( 12 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieeintragsvorrichtung (10) wenigstens eine Heizvorrichtung (14) aufweist, mit wenigstens einem Heizelement (16), das das Hybrid-Energiespeicherspeicherelement durchläuft, und/oder die Energieaustragsvorrichtung (20) wenigstens eine Wärmetauschervorrichtung (24) aufweist, mit wenigstens einem Wärmetauscherelement (26), das das Hybrid-Energiespeicherelement (4) durchläuft.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the energy input device ( 10 ) at least one heating device ( 14 ), with at least one heating element ( 16 ) passing through the hybrid energy storage storage element and / or the energy discharge device (FIG. 20 ) at least one heat exchanger device ( 24 ), with at least one heat exchanger element ( 26 ) containing the hybrid energy storage element ( 4 ) goes through. Hybrid-Energiespeicherelement zur Verwendung in einer Vorrichtung zum Speichern von Energie und insbesondere elektrischer Energie, mit wenigstens einer Energieeintragsvorrichtung, über die die zu speichernde Energie als Wärmeenergie auf das Hybrid-Energiespeicherelement unter Anhebung dessen Temperatur übertragbar ist, und wenigstens einer Energieaustragsvorrichtung, über die die im Hybrid-Energiespeicherelement gespeicherte Wärmeenergie unter Absenkung dessen Temperatur abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybrid-Energiespeicherelement zur Energiespeicherung eine Mixtur aus wenigstens einem Feststoffelement und wenigstens einem Fluidelement aufweist, der die Energie als Wärmeenergie zuführbar bzw. entziehbar ist.Hybrid energy storage element for use in a device for storing energy and in particular electrical energy, with at least one energy input device, via which the energy to be stored as heat energy to the hybrid energy storage element by raising its temperature is transferable, and at least one energy discharge device, via which the heat energy stored in the hybrid energy storage element can be dissipated while lowering its temperature, characterized in that the hybrid energy storage element for energy storage comprises a mixture of at least one solid element and at least one fluid element to which the energy can be supplied or withdrawn as thermal energy.
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