DE102012013625A1

DE102012013625A1 - Anlage zur Speicherung regenerativ erzeugten Stromes

Info

Publication number: DE102012013625A1
Application number: DE201210013625
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2014-05-08

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein System aus einem Heißwasserspeicher und einem ORC-Kreislauf. Der Heißwasserspeicher wird durch einen Elektrodurchlauferhitzer aufgeladen. Er ist durch eine thermisch isolierte Trennplatte in eine Heißwasserzone und eine Kaltwasserzone unterteilt. Die Trennplatte kann mechanisch nach oben und unten bewegt werden. Die Anschlüsse von Heißwasserzone und Kaltwasserzone sind über zwei Umwälzpumpen, einen Elektrodurchlauferhitzer und den Gegenstromwärmetauscher eines ORC-Kreislaufes miteinander verbunden. Bei Stromüberschuß wird kaltes Wasser durch den Durchlauferhitzer in die Heißwasserzone gepumpt. Bei Strombedarf wird erhitztes Wasser zurück in die Kaltwasserzone gepumpt. Es durchfließt dabei den Gegenstromwärmetauscher und erwärmt dadurch das Arbeitsmedium des ORC-Kreislaufes. Dieses treibt über eine Expansionsmaschine einen Generator an, der die Wärmeenergie in elektrischen Strom zurück verwandelt. Die Anlage kann auch direkt mit Sonnenenergie aufgeladen werden, indem eine Warmwasser-Sonnenkollektoranlage dem Elektrodurchlauferhitzer vorgeschaltet wird, der dann nur noch die Differenz zwischen Kollektortemperatur und Speicherendtemperatur zu erbringen hat. Statt eines einzigen Speichers mit getrennten Heiß- und Kaltwasserzonen können auch zwei separate Speicher, einer für jeden Temperaturbereich, verwendet werden. Das System aus Umwälzpumpen, Elektrodurchlauferhitzer und ORC-Gegenstromwärmetauscher ist zwischen die beiden Speicher geschaltet.

Description

Im Zuge des verstärkten Ausbaues der Stromgewinnung aus Wind- und Sonnenenergie wird nach Möglichkeiten gesucht, das zeitweilig auftretende Überangebot an regenerativ erzeugtem Strom zu speichern. Zur Zeit werden hauptsächlich Pumpspeicherkraftwerke und Batterien dafür in Betracht gezogen. Die für Pumpspeicherkraftwerke erforderlichen Stauseen stellen einen nicht unerheblichen Eingriff in die Natur dar, Batterien haben den Nachteil sehr hoher Kosten und eines großen Rohstoffbedarfes. Die nachstehend beschriebene Anlage zur Speicherung regenerativ erzeugten Stromes kommt mit einem erheblich geringeren Raumbedarf als Stauseen aus, und verursacht einen deutlich geringeren Materialbedarf und geringere Kosten als Batterien. Sie kann außerdem als Langzeitspeicher für die im Hauptpatent beschriebene Anlage zur Stromgewinnung aus Umweltwärme dienen und die jahreszeitlichen Schwankungen des Wirkungsgrades dieser Anlage ausgleichen (erhöhter Wirkungsgrad im Sommer, niedriger Wirkungsgrad im Winter).
Die Anlage zur Speicherung regenerativ erzeugten Stromes besteht aus zwei Hauptteilen, einem Heißwasserspeicher und einem ORC-Kreislauf. Wasser hat eine hohe Wärmekapazität. Im Bereich von 0°C bis 100°C liegt sie im Durchschnitt bei 4,193 kJ/kg·K. Wird ein Kubikmeter Wasser von 0°C auf 100°C erhitzt, so benötigt man dafür eine Energiemenge von 419 300 kJ. 1000 kg × 100°K × 4,193 kJ/kg·K = 419300 kJ
Diese Energiemenge entspricht etwa dem Brennwert von 12 l Heizöl. Die Angaben für den Brennwert von 1 kg Heizöl schwanken zwischen 40 850 und 43 790 kJ, was einen Durchschnitt von 42 320 kJ ergibt. Heizöl hat eine Dichte von 0,83 kg/dm³. 10 kg Heizöl haben demnach einen Brennwert von 423 200 kJ und ein Volumen von 12,048 l. 10 kg × 1 dm³ / 0,83 kg = 12,048 dm³
Möchte man einer Gewichtseinheit Wasser durch hochpumpen auf ein höheres Niveau die gleiche Energiemenge zuführen wie beim Erhitzen von 0°C auf 100°C, so betrüge die Höhe 42,74 km, unter der Voraussetzung, daß dort noch dieselbe Erdanziehung herrscht wie auf der Erdoberfläche.
Wenn das Pumpspeicherkraftwerk eine Fallhöhe von 100 m hat, so kann das Volumen des Heißwasserspeichers um den Faktor 427,4 kleiner gewählt werden als der des Stausees, das entspricht 0,234%.
Im Heißwasserspeicher befindet sich eine thermisch isolierte Trennplatte, die die Heißwasserzone von der Kaltwasserzone abgrenzt (siehe 1). Die Trennplatte kann durch eine Mechanik nach oben und unten bewegt werden. Im Beispiel A geschieht dies durch Hydraulikstempel. Im Beispiel B sind Gewindestangen an Boden und Decke des Heißwasserspeichers drehbar gelagert und werden durch Gewindelöcher in der Trennplatte geführt. Über Getriebe treiben Elektromotoren die Gewindestangen an und und bewegen so die Trennplatte nach oben und durch Drehrichtungsumkehr nach unten. An Boden und Decke des Heißwasserspeichers befinden sich zwei Anschlüsse die über jeweils eine Umwälzpumpe einen Elektrodurchlauferhitzer und einen Gegenstromwärmetauscher für den ORC-Kreislauf miteinander verbunden sind. Bei Stromüberschuß schaltet der Elektrodurchlauferhitzer ein. Eine Umwälzpumpe entnimmt der Kaltwasserzone Wasser und pumpt es durch den Durchlauferhitzer in die Heißwasserzone. Die Trennplatte gleich die Volumenänderung von Heiß- und Kaltwasserzone aus, indem sie von der Mechanik bewegt wird. Bei Strombedarf pumpt die andere Pumpe das Wasser in umgekehrter Richtung durch den Kreislauf. Die Trennplatte gleicht wiederum die Volumenänderung von Heiß- und Kaltwasserzone aus. Das heiße Wasser durchfließt den Gegenstromwärmetauscher, der dadurch das Arbeitsmedium des ORC-Kreislaufes erhitzt. Die Expansionsmaschine des ORC-Kreislaufes treibt einen Generator an, der somit die Wärmeenergie in Strom zurück verwandelt. Für den ORC-Kreislauf empfiehlt sich als Arbeitsmedium Butan, das einen Siedepunkt von –0,5°C hat und bei +100°C einen Druck von ca. 13 bar entwickelt. Es kann somit die gesamte Temperaturdifferenz des Wassers zwischen Gefrier- und Siedepunkt nutzen. Der ORC-Kreislauf des Speichersystems kann bei Verwendung von Butan als Arbeitsmedium ganz ähnlich gestaltet werden wie der ORC-Kreislauf der Anlage zur Stromgewinnung aus Umweltwärme, der im Hauptpatent, Aktenzeichen 10 2011 108 067.1, beschrieben ist. Es sind lediglich drei Veränderungen vorzunehmen:

1. Die Wärmepumpe wird durch den mit heißem Wasser versorgten Gegenstromwärmetauscher ersetzt.
2. Zur Abkühlung der Luft im Kondensationskreislauf des Butans wird eine viel kleiner dimensionierte Wärmepumpe verwendet. Bei Aufstellung beider Anlagen am selben Ort, kann hierfür auch der Verdampfer der Wärmepumpe der Umgebungswärmestromerzeugung genutzt werden.
3. Die Expansionsmaschine ist auf den erhöhten Druck des Arbeitsmediums auszulegen.

Das Speichersystem kann auch direkt mit Sonnenenergie aufgeladen werden, indem eine Solarkollektoranlage dem Elektrodurchlauferhitzer vorgeschaltet wird. Warmwasser-Solarkollektoren haben einen erheblich größeren Wirkungsgrad als Photovoltaikanlagen Der Durchlauferhitzer muß dann nur noch die Differenz von der Ausgangstemperatur der Solarkollektoranlage bis zur Endtemperatur des Speichers erbringen. Statt eines einzigen Speichers mit getrennten Heiß- und Kaltwasserzonen, können auch zwei separate Speicher, einer für jeden Temperaturbereich, genutzt werden. Das spart die Trennplatte und die aufwendige Mechanik für die Volumenänderung der beiden Temperaturzonen, macht jedoch das doppelte Speichervolumen notwendig.

Claims

Anlage zur Speicherung regenerativ erzeugten Stromes, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heißwasserspeicher bei Stromüberschuß über einen Elektrodurchlauferhitzer aufgeladen wird. Der Heißwasserspeicher wird durch eine thermisch isolierte Trennplatte horizontal in eine Heißwasserzone und eine Kaltwasserzone unterteilt. Die Trennplatte wird über Hydraulikstempel oder ein System von Gewindestangen, Getrieben und Elektromotoren nach oben und unten bewegt. Die Anschlüsse von Heißwasserzone und Kaltwasserzone sind über zwei Umwälzpumpen, einen Elektrodurchlauferhitzer und den Gegenstromwärmetauscher des ORC-Kreislaufes miteinander verbunden. Bei Strombedarf wird erhitztes Wasser zurück in die Kaltwasserzone gepumpt, erwärmt dabei den Gegenstromwärmetauscher und dieser das Arbeitsmedium des ORC-Kreislaufes. Dieses treibt über eine Expansionsmaschine einen Generator an, der die Wärmeenergie in elektrischen Strom zurück verwandelt.
Anlage zur Speicherung regenerativ erzeugten Stromes wie unter Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektrodurchlauferhitzer eine Warmwasser-Solarkollektoranlage vorgeschaltet ist.
Anlage zur Speicherung regenerativ erzeugten Stromes wie unter Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Speicher mit den zwei voneinander getrennten Temperaturbereichen durch zwei Speicher ersetzt wird, einen für jeden Temperaturbereich. Beide Speicher sind durch das System von Umwälzpumpen, Elektrodurchlauferhitzer und ORC-Gegenstromwärmetauscher miteinander verbunden.