DE102012106910A1

DE102012106910A1 - Langzeitwärmespeicher

Info

Publication number: DE102012106910A1
Application number: DE201210106910
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2013-10-24

Abstract

Der Erfindung, welche einen Langzeitwärmespeicher zur Speicherung von Energie in Form von Wärmeenergie betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Langzeitwärmespeicher anzugeben, welcher einen verbesserten Wirkungsgrad bei einer Reduzierung des Isolationsaufwands des Speicherbehälters erreicht und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile beseitigt. Diese Aufgabe wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass der Speicher einen ersten Bereich, dessen Temperatur niedriger als die Temperatur eines zweiten Bereichs ist, und einen zweiten Bereich aufweist, wobei der erste Bereich mit einer Wärme aufnehmenden Seite und der zweite Bereich mit einer Wärme abgebenden Seite einer Wärmepumpe verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Langzeitwärmespeicher zur Speicherung von Energie in Form von Wärmeenergie, bestehend aus einem mit einem Speichermedium gefüllten Speicher, welcher Bereiche unterschiedlicher Temperatur aufweist.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Energie in Form von Wärme gespeichert werden kann, wie beispielsweise in Kemp CM, US pat. no. 451384 , April 28th, 1891 offenbart ist.
Als Energiequellen kommen konventionelle Energieträger, (Nacht-)Strom, Abwärme sowie regenerative Energien infrage. Als Speichermedium wird wegen seiner hohen Wärmekapazität meist Wasser verwendet. Es kommen aber auch andere Flüssigkeiten sowie Feststoffe und sogenannte Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials – PCM) zum Einsatz, wie aus DE29512743 bekannt ist.
Der Wirkungsgrad eines Wärmespeichers ist das Verhältnis von rückgewonnener Energie, der sogenannten Entnahme, zu der ursprünglich eingespeicherten Energie, der sogenannten Beladung. Die Differenz zwischen Beladung und Entnahme ist im Wesentlichen die Summe der Wärmeverluste durch die äußere Hülle an die Umwelt.
Da die Oberfläche eines sphärischen Wärmecontainers quadratisch, das Volumen jedoch kubisch vom Radius abhängt, vergrößert sich bei abnehmendem Radius das Oberflächen-Volumen-Verhältnis. Dieser Effekt ist auch bei allen anderen Speicherformen gegeben, sodass sich generell der Wirkungsgrad eines Wärmespeichers mit abnehmendem Volumen des Tanks verringert. So sind beispielsweise konventionelle Pufferspeicher mit einem Volumen von etwa 2m³ nicht geeignet, Wärme über einen Zeitraum von länger als wenige Tage zu speichern.
Erst ab größeren Volumen von mehr als 3000m³ können wassergefüllte Langzeitwärmespeicher für eine saisonale Speicherung technisch zur Wärmespeicherung über einen Zeitraum von mehreren Monaten annähernd wirtschaftlich genutzt werden. Ausführungen hierzu finden sich in Bauer, D.; Marx, R.; Nußbicker-Lux, J.; Ochs, F.; Heidemann, W.; Müller-Steinhagen, H.: "German Central Solar Heating Plants with Seasonal Heat Storage", Solar Energy 84 (2010), 612–623. Ein Nachteil konventioneller Langzeitwärmespeicher ist demnach, dass diese grundsätzlich großvolumig sein müssen und daher auch nur zur Energieversorgung von größeren Abnehmern eingesetzt werden.
Die ersten Prototypen von saisonalen Langzeitwärmespeichern entnahmen die Wärme direkt aus dem Speicherbehälter, in welchem das Speichermedium eingebracht ist. Dies bedingt, dass Wärme dem Tank nur entnommen werden kann, wenn die Temperatur im Tank höher als die Mindesttemperatur des Vorlaufs des Heizkreises ist (ca. 40° Celsius). Dies wiederum führt zu relativ hohen Temperaturen über das ganze Jahr, woraus sich eine Reihe technischer Probleme ergibt.
Der relativ hohe Temperaturgradient vom Speichermedium zur Umwelt über das ganze Jahr bedingt einen hohen Bedarf an Wärmedämmung. Diese muss im Wesentlichen den gesamten Speicher umhüllen und mit ca. 40 cm relativ dick sein.
Bislang errichtete Langzeitwärmespeicher erreichen typischerweise Wirkungsgrade von 0,45–0,7 ("Performance-Vergleich solar unterstützter Nahwärmeversorgungssysteme mit saisonaler Wärmespeicherung", D. Bauer et al., in: Tagungsband. OTTI. 20. Symposium Thermische Solarenergie, 05.–07.05.2010, Bad Staffelstein. ISBN 978-3-941785-29-8.).
Ein weiterer Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Langzeitwärmespeicher besteht darin, dass die thermische Isolierung des Speichers gegen die Außenwelt technisch aufwendig und schwer kontrollierbar ist.
Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Dämmmaterials hat sich in mehreren Fällen als zeitabhängig (graduelle Erhöhung) und schwer modellierbar erwiesen (F. Ochs, W. Heidemann, H. Müller-Steinhagen, Symposium "Thermische Solarenergie", Kloster Banz, Bad Staffelstein, 23.–25.04.2008).
Schon kleine Lecks bzw. Wärmebrücken führen zu einer signifikanten Reduktion des Wirkungsgrads. Auch ist es technisch schwierig, Langzeiteinflüsse (30 Jahre) wie eindringendes Wasser, fließendes Grundwasser, Regen, Wurzel- und Tierschäden zu verhindern. Ist der Tank, wie in den meisten Fällen, im Erdreich vergraben, dann sind Kontrollen oder Reparaturen technisch schwierig und nur mit großem finanziellen Aufwand durchführbar.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass eine direkte Beladung eines Speichers mit Wärme prinzipiell nur erfolgen kann, wenn die angebotene Temperatur höher als die Minimaltemperatur im Speicher ist. Liegt diese bedingt durch die Vorlauftemperatur des Heizkreises mit ca. 40° Celsius relativ hoch, so fallen Beladungsmöglichkeiten wie Flachkollektoren (im Winter), Regen oder Abwärme faktisch aus bzw. sind schwer zu realisieren.
In jüngster Zeit werden Langzeitwärmespeicher auch mittels Wärmepumpen entladen (J. Nußbicker-Lux, R. Marx, D. Bauer, H. Drück, "Integration einer Wärmepumpe in die solar unterstützte Nahwärmeversorgung in Neckarsulm"; 11. Internationales Anwenderforum oberflächennahe Geothermie, 27. bis 28.09.2011, Regensburg).
Mit Wärmepumpen erhöht sich der Wirkungsgrad bereits technisch umgesetzter Anlagen auf Werte von 0,8–0,9. Die Wirtschaftlichkeit wird jedoch durch den (quasi) kontinuierlichen Zukauf von elektrischer Energie für den Betrieb von Wärmepumpen, meist zu Marktpreisen, wieder herabgesetzt.
Durch die Energiewende hat sich in den letzten Jahren ein temporäres Überangebot an elektrischer Energie eingestellt. Dieses tritt hauptsächlich in den Wintermonaten beispielsweise bei einem großen Wind- und/oder Sonnenangebot auf.
Bei großen Leistungsspitzen durch regenerative Energiequellen (Wind, Sonne) stehen meist nicht genügend Abnehmer zur Verfügung, sodass diese Energie verworfen werden muss. Aber auch kleinere Leistungsspitzen führen zu technisch aufwendigen Steuerungsvorgängen, wie beispielsweise zum Drosseln der Leistung von konventionellen Kraftwerken, um die Netzstabilität zu erhalten. Dezentrale, zeitlich weitgehend unabhängige Stromabnehmer werden zurzeit dringend benötigt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Langzeitwärmespeicher anzugeben, welcher einen verbesserten Wirkungsgrad bei einer Reduzierung des Isolationsaufwands des Speicherbehälters erreicht, geeignet ist, kurzfristige Leistungsspitzen in der Stromproduktion aufzufangen, Energie auch in Form von Kälte speichern kann und eine Reduzierung der Baugröße des Speichers ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Langzeitwärmespeicher der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Speicher einen ersten Bereich, dessen Temperatur niedriger als die Temperatur eines zweiten Bereichs ist, und einen zweiten Bereich aufweist, wobei der erste Bereich mit einer Wärme aufnehmenden Seite und der zweite Bereich mit einer Wärme abgebenden Seite einer Wärmepumpe verbunden ist.
Der Speicher dient allgemein ausgedrückt dem Beladen mit Energie. Unter einer Beladung des Langzeitwärmespeichers wird das Bewirken einer Erhöhung der Gesamtenergiemenge des Speichers oder eine interne Energieverschiebung zwischen den Bereichen innerhalb des Langzeitwärmespeichers selbst verstanden.
Die Speicherung der thermischen Energie erfolgt mittels eines Speichermediums, wie beispielsweise Wasser, in zwei verschiedenen Bereichen, wobei die Bereiche unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Im Normalbetrieb wird der erste Bereich eine Temperatur aufweisen, welche niedriger als die des zweiten Bereichs ist. Zwischen den beiden Bereichen ist mindestens eine Wärmepumpe angeordnet, sodass die Wärmeenergie aus dem ersten Bereich entnommen und dem zweiten Bereich zugeführt werden kann.
Die Wärmeverschiebung zwischen den Bereichen erfolgt in der Zeit eines Stromüberangebotes, in der elektrische Energie kostengünstig zur Verfügung steht. Die Wärmepumpe kann dabei sehr flexibel gesteuert werden und große Strommengen in kurzer Zeit verbrauchen. Auch mehrere Wärmepumpen können in dieser Zeit betrieben werden. Die Temperatur im äußeren Bereich des Langzeitwärmespeichers nimmt dabei ab, während die Temperatur im inneren Bereich steigt. Die im inneren Bereich gespeicherte Wärme kann nun direkt zum Heizen, zur Warmwassererzeugung oder mittels einer weiteren Wärmepumpe zum Verbraucher gepumpt und genutzt werden.
Die Entnahme der Wärme kann, je nach Dimensionierung und Verbrauch, über Wochen oder Monate erfolgen. Das kältere Medium im äußeren Tank wird nun, ebenfalls über einen längeren Zeitraum (Wochen/Monate) hinweg, erwärmt. Je nach Temperaturniveau kommen hierfür regenerative Energiequellen, wie beispielsweise Solarkollektoren, aber auch Abwärme, ein natürlicher Wärmefluss aus der Umwelt oder Regen infrage. Die Volumina des Speichers können auch für eine Kühlung im Sommer genutzt werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Bereich benachbart angeordnet sind.
Der erste und der zweite Bereich sind räumlich unmittelbar beispielsweise nebeneinander angeordnet. Somit wird die Ausdehnung des Speichers auf einen Standort konzentriert.
In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die benachbarten Bereiche physisch voneinander getrennt sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die physische Trennung der benachbarten Bereiche mittels Trennwänden erfolgt.
Es ist vorgesehen, die Bereiche unterschiedlicher Temperatur physisch voneinander zu trennen. Zu diesem Zweck kann der Speicher mit entsprechenden Trennwänden ausgeführt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bereiche unterschiedlicher Temperatur in horizontaler Richtung nebeneinander liegend angeordnet sind.
Die Bereiche sind beispielsweise nebeneinander benachbart angeordnet und durch eine Trennwand voneinander abgetrennt.
In einer besonderen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Langzeitwärmespeicher aus einem ersten und einem zweiten Tank besteht, welche voneinander getrennt angeordnet sind.
Die Bereiche werden jeweils als ein separater Tank ausgeführt, der erste Bereich in einem ersten Tank und der zweite Bereich in einem zweiten Tank.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Tank im ersten Tank angeordnet ist.
Die Tanks können nicht nur nebeneinander angeordnet werden. Es ist vorgesehen, dass die Tanks ineinander, d. h. der zweite Tank im ersten Tank, angeordnet sind. Ein besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass Wärmeverluste des inneren Tanks (zweiter Bereich) durch den äußeren Tank (erster Bereich) aufgenommen werden.
Durch eine derartige Tank-im-Tank-Anordnung und die erfindungsgemäße Verschiebung der Wärme vom äußeren in den inneren Bereich des Langzeitwärmespeichers steigert sich die Effizienz des Gesamtsystems, da der Wärmeverlust an die Umwelt reduziert wird. Senkt man die Temperatur des äußeren Bereichs unter die Umgebungstemperatur ab, dann fließt Wärme sogar in den Tank hinein.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Tanks in einer Zylinder- oder Kugelform ausgeführt sind.
Bei der Gestaltung der Tanks können verschiedene Formen genutzt werden. Der Tank kann beispielsweise eine zylindrische oder kugelförmige Gestaltung aufweisen. Es sind aber auch andere Formen, wie beispielsweise ein Polyeder, denkbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass unter und/oder neben einem Tank ein Leitungssystem zur Wärmerückgewinnung angeordnet ist.
Vorgesehen ist, dass außerhalb des Langzeitwärmespeichers ein Leitungssystem zum Transport von Wärme aus der Umgebung des Langzeitwärmespeichers in diesen selbst angeordnet ist. Der Begriff Leitungssystem beinhaltet hierbei sowohl eine Ausführung als eine einzige Leitung als auch mehrere, eventuell miteinander verbundene Leitungen und in einem Netzwerk angeordnete Leitungen.
Über dieses Leitungssystem kann mittels einer Wärmepumpe aktiv Umweltwärme für den Speicher gewonnen werden. Liegt die Temperatur des Speichermediums eines Bereiches unterhalb der Umgebungstemperatur, dann ist eine einfache Pumpe, welche das Speichermedium durch das Leitungssystem pumpt, ausreichend, um die Umweltwärme in den Tank zu transferieren.
Ist die Temperatur des äußeren Tanks in der Tank-im-Tank-Anordnung unterhalb der Umgebungstemperatur, treten keine Wärmeverluste in die Umgebung auf. In diesem Fall tritt vielmehr eine „Beladung“ des äußeren Tanks durch die Umwelt ein.
Ist die Temperatur des äußeren Tanks in der Tank-im-Tank-Anordnung oberhalb der Umgebungstemperatur, so werden Wärmeverluste in die Umwelt auftreten. Um diese Wärmeverluste zu reduzieren, wird im Bereich unter dem Tank im Boden ein Leitungsnetzwerk verlegt, welches die Verlustwärme mittels einer Wärmepumpe oder durch direkte Durchleitung des Speichermediums einem der Bereiche zuführen kann.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein erster Bereich, dessen Temperatur niedriger als die Temperatur eines zweiten Bereichs ist, und ein zweiter Bereich in dem Speicher bereitgestellt werden und dass mittels Wärmepumpen aus dem ersten Bereich niedriger Temperatur, unter Zufuhr externer Energie, Wärme in den zweiten Bereich höherer Temperatur transferiert wird.
Die Wärmespeicherung erfolgt in zwei Bereichen, welche voneinander verschiedene Temperaturen aufweisen. Unter Nutzung externer Energie ist es möglich, Wärme aus dem Bereich niedriger Temperatur in den Bereich höherer Temperatur zu transferieren. Zu diesem Zweck kommen Wärmepumpen zum Einsatz.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Speichermedium aus dem ersten und/oder zweiten Bereich zum Heizen entnommen wird.
In einer weiteren besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Speichermedium aus dem ersten und/oder zweiten Bereich zum Kühlen entnommen wird.
Das Speichermedium, welches beispielsweise Wasser sein kann, kann bei Notwendigkeit zum Heizen eines Hauses verwendet werden. Es ist aber ebenso möglich, das Speichermedium, wenn es eine hinreichend niedrige Temperatur aufweist, zum Kühlen beispielsweise in einer Klimaanlage zu verwenden. Die Kälteentnahme kann dabei entweder direkt, mittels eines Wärmetauschers oder mittels einer Wärmepumpe erfolgen. Dabei entspricht eine Nutzung als Kühlquelle einer Beladung des Speichers mit Wärme.
In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Entnahme direkt, mittels eines Wärmetauschers oder über eine Wärmepumpe erfolgt.
Es ist vorgesehen, jeden Bereich mit einer oder mehreren Entnahmestellen auszuführen. Mittels dieser Entnahmestellen kann die Wärme differenziert an einer oder an mehreren Stellen gleichzeitig entnommen werden. Eine gezielte Auswahl einer Entnahmestelle kann beispielsweise bei verschiedenen Temperaturschichten innerhalb eines Bereiches sinnvoll sein. Dabei kann die Entnahme direkt erfolgen, also das Speichermedium gelangt aus dem Bereich unmittelbar zum Verbraucher oder Abnehmer. Alternativ kann das Speichermedium zu einem Wärmetauscher oder zu einer Wärmepumpe gelangen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Abwärme eines Bereiches in dem anderen Bereich oder in einem unter einem Bereich bereitgestellten Auffangmittel aufgefangen wird und direkt oder mittels Wärmepumpverfahren zurückgeführt wird.
Durch die Ausführung Tank-im-Tank steht jeder Wärmeverlust eines inneren Tanks dem äußeren Tank zur Verfügung. Die Stärke der benötigten Isolierung zwischen den Tanks hängt von der erwarteten mittleren Zeitdauer zwischen den Leistungsspitzen bei der Stromproduktion (Beladung durch Wärmeverschiebung) ab. Ist diese mit beispielsweise durchschnittlich zwei Wochen relativ kurz, dann kann die Isolierung des inneren Volumens weitaus geringer ausfallen als die äußere Isolationsschicht eines konventionellen Langzeitwärmespeichers. In den Sommermonaten dient die Abwärme des inneren Tanks auf natürliche Weise zur Beladung des im Winter ausgekühlten äußeren Bereichs. Dennoch werden bei hinreichend erwärmtem Außentank auch Wärmeverluste an die Umwelt auftreten.
Unter dem äußeren Tank oder auch um diesen herum im Erdreich können Leitungen verlegt werden. Die beispielsweise mit Wasser durchströmten Leitungen nehmen die Abwärme auf. So kann mittels einer im Leitungsverlauf angeordneten Pumpe oder mittels einer weiteren Wärmepumpe eine Rückgewinnung der Verlustwärme erfolgen und die Wärme in einen der Bereiche zurückgeführt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Beladung des Speichers mittels kurzzeitig auftretender Leistungsspitzen stromnetzseitiger Energiequellen zeitlich synchron mit dem Auftreten dieser Leistungsspitzen erfolgt. Vorteilhaft ist es, die Beladung des Langzeitwärmespeichers zu Zeiten eines Energieüberangebotes durchzuführen, da die Energie in diesen Zeiten sehr preiswert eingekauft werden kann. Der Nutzer des Speichers kann die Beladung in diesen Zeiten von Hand gesteuert selbst vornehmen. Alternativ kann mittels einer Kopplung des Speichers an eine Steuerung durch den Energieerzeuger dieser den Belade-/Energieverschiebevorgang des Speichers zeitlich mit dem Auftreten des Energieüberangebotes synchronisieren. Somit erhält der Nutzer des Speichers seine benötigte Energie sehr preiswert, wobei dem Energielieferanten eine Möglichkeit zur Stabilisierung des Stromnetzes zur Verfügung gestellt wird.
Vorgesehen ist, dass die Beladung durch das Verschieben von Wärme aus dem äußeren ersten Bereich mittels Wärmepumpe in den inneren zweiten Bereich erfolgt. Hierbei wird der COP (Coefficient Of Performance) der Wärmepumpe genutzt, welcher typischerweise bei Faktor 4 bei ∆T von ca. 30 Grad liegt.
Alternativ kann in Zeiten eines Energieüberangebotes die Energie direkt in Form von Wärme appliziert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine passive Wärmerückgewinnung mittels einer mit dem Speicher verbundenen Leitung erfolgt.
Diese passive Wärmerückgewinnung benötigt keine Pumpe und somit keine elektrische Energie. Mindestens eine Leitung wird mit einem ersten Ende an einem ersten Punkt an der Unterseite des äußeren Bereichs und mit einem zweiten Ende an einem zweiten, vom ersten Punkt verschiedenen Punkt an der Unterseite des äußeren Bereichs angebracht.
Bei flüssigen Speichermedien befindet sich normalerweise das kältere Temperaturniveau immer im unteren Teil des Speichers (zunehmende Dichte bei abnehmender Temperatur). Bei Verwendung von Wasser als Speichermedium liegt die größte Dichte bei ca. 4° Celsius vor (Dichteanomalie). Dies bedeutet, dass bei Verwendung von Wasser als Speichermedium, selbst bei partieller Vereisung des Speichermediums, im unteren Bereich des Speichers das Wasser in flüssiger Form vorliegt. Legt man nun Leitungen wie oben beschrieben unter den Tank, so sinkt das Wasser in diesen Leitungen weiter in den Bereich des Erdreichs ab. Da das Erdreich fast immer wärmer ist als 4° Celsius, erwärmt sich das Wasser und steigt wieder auf in den äußeren Bereich. Steigt die Temperatur im Tank über die Temperatur des Erdreichs, so kommt dieser Prozess auf natürliche Art und Weise zum Erliegen.
Eine Leitung für die passive Wärmerückgewinnung kann aber auch nur mit einem Ende an der Unterseite des äußeren Bereichs angeschlossen sein. In diesem Fall wird das zweite im Erdreich befindliche Ende einfach verschlossen. Auch in diesem Fall sinkt das kalte Wasser in der Leitung weiter nach unten, erwärmt sich und steigt auf. Dabei sind die Leitungsquerschnitte so auszulegen, dass eine Bewegung des Wassers in der Leitung optimal erfolgen kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:
1: den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Langzeitwärmespeichers und
2a bis c: verschiedene Möglichkeiten einer passiven Wärmerückgewinnung
In der 1 ist der Langzeitwärmespeicher 1 bestehend aus einem ersten Bereich 3 und einem zweiten Bereich 2 abgebildet. Diese Bereiche 3 und 2 sind in der dargestellten Ausführung als Tank-im-Tank-Variante realisiert. Das geschachtelte Tankensemble, in der 1 durch die Bereiche 3 und 2 dargestellt, kann auch mit mehr als zwei Bereichen, d. h. eine innere Unterteilung in mehr als zwei Untertanks, gebildet werden. Dargestellt ist in der Figur eine optionale Erweiterung um einen dritten Bereich 5 mit einer Strich-Strich-Linie.
Die Bereiche 3 und 2 können differenziert be- und entladen werden, beispielsweise zu Zeiten eines Überangebots an elektrischer Energie, etwa mittels Nachtstrom, aber insbesondere auch bei Leistungsspitzen aus regenerativen Energiequellen. Ein solcher Speicher kann daher erheblich zur Stromnetzstabilisierung beitragen.
Es ist aber auch jede andere Energiequelle für die Beladung denkbar. Genutzt werden kann beispielsweise Abwärme, Solarenergie, Windenergie, am Markt erworbene elektrische Energie, Umweltwärme oder Brauchwasser/Regenwasser.
In den einzelnen Bereichen 3, 2, 5 werden unterschiedliche Temperaturniveaus t₁, t₂ und t₃ angestrebt, und zwar aufsteigend von einer äußeren niedrigen Temperatur nach innen zu einer höheren Temperatur (t₁ < t₂ < t₃).
Ein wesentliches Merkmal des Speichers ist, dass ein aktiver Wärmetransport von außen nach innen, also vom Bereich niedriger Temperatur in den Bereich höherer Temperatur mittels Wärmepumpen vorgesehen ist. Wirtschaftlich ist dieses Vorgehen, wenn Energien aus vorhandenen stromnetzseitigen Überkapazitäten genutzt werden wie beispielsweise Nachtstrom oder ein solares/windinduziertes Überangebot. Ein solcher Speicher kann daher erheblich zur Stromnetzstabilisierung beitragen.
Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht insbesondere durch die Einteilung des Speichers in unterschiedliche, voneinander wärmeisolierte, ineinander verschachtelte Segmente mit aktiver Wärmeverschiebung innerhalb des Tankensembles darin,

• dass nach einer Wärmeverschiebung zwar die gleiche Energiemenge im Gesamttank gespeichert ist, die höheren inneren Temperaturen jedoch einfacher für die Nutzung (Heizen, Warmwasser) zur Verfügung stehen – entweder direkt, mittels eines Wärmetauschers oder unter Verwendung einer Wärmepumpe mit einer nach der Wärmeverschiebung geringeren zu überwindenden Temperaturdifferenz.
• dass durch die Differenzierung in unterschiedliche Temperaturzonen verglichen mit einem nicht segmentierten Tank die gleiche Wärmemenge bei höherer Innen- und niedrigerer Außentemperatur gespeichert werden kann. Der Wärmefluss an die Umwelt durch die äußere Hülle ist daher geringer bzw. es erfolgt sogar ein Wärmefluss in den äußeren Speicherbereich hinein. Der Isolationsaufwand an der äußeren Hülle ist deutlich reduziert bzw. kann sogar gänzlich entfallen.
• dass der durch die Wärmeverschiebung geminderte oder gar inverse Wärmefluss die Notwendigkeit zum Bau von großvolumigen Langzeitwärmespeichern vermindert oder gar aufhebt. Langzeitwärmespeicher der beschriebenen Art erreichen eine wirtschaftliche Bauausführung daher bereits bei kleineren Volumen. Dies steigert den Kreis möglicher Abnehmer erheblich.
• dass durch die reduzierte Temperatur in den äußeren Segmenten eine Beladung mit einer Vielzahl von bislang nicht verwendbaren Wärmequellen möglich ist, wie beispielsweise Regen, Umweltwärme, Abluft, Abwasser, Flachkollektoren im Winter.
• dass die Beladung und die Entnahme differenzierter als bei Verwendung eines monolithischen Tanks erfolgen können, da sowohl die Beladung als auch die Entnahme in Abhängigkeit vom angebotenen/benötigten Temperaturniveau aus verschiedenen Segmenten erfolgen kann.
• dass Leistungsspitzen bei der Produktion von ökologischem Strom nicht verworfen werden müssen, sondern, beispielsweise bei einer Kooperation mit einem Stromerzeuger, zeitlich synchron in den Gesamttank appliziert werden können. Durch die Verwendung von z. B. Wasser als Speichermedium steht ein großvolumiges, fluides Medium zur Verfügung. Große Energiemengen können daher in kurzer Zeit aufgenommen bzw. innerhalb des Speichers verschoben werden. Die applizierte/gepumpte Wärme kann danach zeitversetzt, über einen Zeitraum von Wochen oder Monaten, zur Heizung und/oder Warmwasseraufbereitung verwendet werden. Dies führt zu einer Steigerung der Gesamteffizienz der Anbieter ökologischer Elektrizität.
• dass bei Leistungsspitzen bei der Produktion von ökologischem Strom die notwendigen Steuerungsvorgänge in den Stromnetzen und bei den Stromerzeugern vermindert oder gar vermieden werden. Dies führt zu einer Kostenreduktion bei den Netzbetreibern und Stromanbietern, da aufwendige Steuerungsmechanismen wie Netzumschaltungen, Steuerung/Herunterfahren von Kraftwerken und anderes vermindert werden oder gar entfallen können.
• dass durch die Verwendung von Wärmepumpen zum internen Verschieben von Wärme im Tank der COP-Wert (Coefficient Of Performance) von Wärmepumpen ausgenutzt werden kann. Liegt das äußere Temperaturniveau z. B. bei 15° Celsius, so können mit einer kWh elektrischer Energie ca. 4kWh Wärme auf ein Niveau von 40° Celsius im inneren Tank gehoben werden.
• dass jegliche Abwärme eines der inneren Segmente dem es umschließenden äußeren Segment zugute kommt. Bei geeigneter Dimensionierung der Isolationsschicht zwischen den Segmenten kann diese Abwärme als eine weitere Form der Beladung des nächstäußeren Segments angesehen werden.
• dass man die Wärmeentnahme mittels Wärmepumpe in den äußeren Segmenten auch bis in den Bereich der Vereisung weiterführen kann. In diesem Fall wird das energetische Entnahmevermögen des Speichers durch die Kristallisationsenthalpie des Wassers deutlich erhöht. Interessant ist dieser Ansatz im Zusammenhang mit der möglichen Nutzung des Speichers zur Kühlung, da wegen der Schmelzenthalpie das Speichermedium auch nach Beladung bis zur vollständigen Verflüssigung des Eises bei der Schmelztemperatur des Wassers verharrt.

Die Dicke der Isolation zwischen den einzelnen Bereichen richtet sich zum einen nach der Temperaturdifferenz beider Bereiche, zum anderen nach der Zeitspanne, über die der Speicher die Wärme speichern soll. Werden beispielsweise Stromspitzen für eine Wärmepumpen-Beladung alle sieben Tage erwartet, so kann die innere Isolation eher dünn ausfallen. Durch die regelmäßige Wärmepumpen-Beladung kann der innere Tank relativ klein dimensioniert werden.
Geht man von einer Wärmepumpen-Beladung alle zwei Monate aus, so sollte der Tank Wärme für ungefähr diesen Zeitraum vorhalten. Er wird, verglichen mit einer wöchentlichen Beladung, größer und die Isolation zum äußeren Tank nimmt zu.
Die genaue Dimensionierung der Tankvolumina, der Isolationsdicken sowie der Beladungsquellen und Verbraucher kann jedoch nur im Einzelfall und mittels einer Computersimulation berechnet werden, da die oben genannten Faktoren sehr stark in eine gegenseitige Wechselwirkung treten.
Im Folgenden werden zwei Ausführungen eines solchen Langzeitwärmespeichers erläutert.
So ist es beispielsweise denkbar, das äußere Volumen analog zu bereits existierenden Langzeitwärmespeichern mit einer aufwendigen Isolationsschicht gegenüber der Umwelt zu versehen. Der gesamte Tank wird nun im Sommer, beispielsweise mittels Sonnenkollektoren, bis auf die Maximaltemperatur (z. B. 90° Celsius) erhitzt. Im Herbst, zu Beginn der Heizperiode, wird nun zunächst Wärme aus dem äußeren, später aus dem weiter innen liegenden Segment entnommen. Ist im Winter die Temperatur auch im inneren Segment unter ein bestimmtes Niveau gesunken (z. B. 35° Celsius) und treten Leistungsspitzen in der ökologischen Stromproduktion auf, so wird Wärme vom äußeren in das innere Segment gepumpt. Zum Ende der Heizperiode ist die Temperatur im äußeren Tank sehr niedrig und wird im Frühjahr langsam wieder erhöht, bis im Sommer die Maximaltemperatur erreicht ist. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass verglichen mit einem monolithischen Tank die mittlere Jahrestemperatur an der Grenze zur Umwelt durch das Pumpen von Wärme niedriger ist und somit die Isolation, bei gleichem integralen Jahreswärmeverlust, geringer ausfallen kann.
Eine andere extreme Ausführung eines solchen Tanksystems wäre, auf Solarkollektoren und äußere Isolation gänzlich zu verzichten. Nutzbare Wärme würde in diesem Fall ausschließlich durch elektrische Überproduktion (Leistungsspitzen) mittels Wärmeverschiebung innerhalb des Systems erzielt. Als thermaler Ausgleich käme in diesem Fall z. B. der Zufluss aus der Umwelt, das Durchleiten eines Bachs oder das Einleiten von Abwärme infrage.
Schließlich ist anzumerken, dass Wasser in druckoffenen Behältnissen prinzipiell nicht über 100° Celsius gespeichert werden kann. Es kann aber im Inneren des Tanksystems auch ein anderes Speichermedium wie beispielsweise Sand, Stein, PCM mit T_phasechange > 100° Celsius eingebracht werden. Die Art der Beladung dieses Segments ist dabei unerheblich. Genutzt werden kann beispielsweise elektrische Energie, gebündelte Sonnenstrahlung oder industrielle Abwärme.
Die 1 zeigt einen Wärmespeicher 1 bestehend aus einer äußeren Hülle, welche vornehmlich den Zweck erfüllt, das Speichermedium zu halten. Innerhalb dieses Volumens befindet sich ein kleineres Volumen, welches wärmeisoliert beispielhaft für eine Nutzung dieses Speichertyps ist.
Im Folgenden wird die Verwendung als saisonaler Langzeitwärmespeicher dargestellt. In den Wintermonaten wird im inneren zweiten Bereich 2 Wärme bevorratet und entnommen. Dies kann direkt mittels eines nicht dargestellten Wärmetauschers oder indirekt über eine ebenfalls nicht dargestellte Wärmepumpe geschehen. Zur Beladung oder Entnahme sind in den Bereichen 2 und 3 mehrere Entnahmestellen 6 vorgesehen.
Bei einem Überangebot an regenerativem Strom wird Wärme von dem oder den äußeren Bereich(en) nach innen mittels einer Wärmepumpe transportiert. Der Speicher kühlt sich außen ab. Im Frühjahr/Sommer wird der Speicher im Inneren beispielsweise durch regenerative Energien erwärmt. Hierbei werden die äußeren Segmente im Wesentlichen durch die Abwärme der inneren Segmente “beladen”. Bei Bedarf kann bei Wärmeüberangebot im Sommer auch das äußere Segment direkt beladen werden. Eine geringe oder fehlende Dämmschicht ist somit tolerierbar, da nach kurzer Zeit (ca. zwei Monate) die Wärme im Herbst wieder aus dem äußeren Segment entnommen wird.
Eine aktive Wärmerückgewinnung erfolgt mittels der unter und/oder neben dem zumindest teilweise im Erdreich befindlichen äußeren Tank 3 oder 5 verlegten Leitungen oder des Leitungssystems für die aktive Wärmerückgewinnung 4. In dieser Leitung 4 wird eine Pumpe, welche nicht dargestellt ist, angeordnet, um ein Durchfließen der Leitung 4 beispielsweise mit dem Speichermedium Wasser zu erreichen. Das durch die Leitung 4 fließende Wasser nimmt die in das Erdreich abgegebene Wärme teilweise auf und führt diese in den äußeren Bereich des Speichers zurück. Alternativ kann zwischen dem äußeren Bereich und der Leitung eine Wärmepumpe angeordnet werden.
In der 2 sind verschiedene Möglichkeiten einer passiven Wärmerückgewinnung dargestellt.
2a zeigt eine Möglichkeit der Verlegung einer Leitung 7 unter dem Boden des äußeren Bereichs des Speichers.
Die in den 2a bis 2c angegebenen Temperaturen haben nur einen beispielhaften Charakter und stellen keine Beschränkung der Erfindung auf die angegebenen Temperaturen dar.
Im äußeren Bereich hat sich das Wasser auf eine Temperatur von weniger als 4° Celsius abgekühlt. Durch Eigenbewegung des Wassers sinkt das 4° Celsius kalte Wasser in den Leitungsbereich ab, nimmt aus dem ca. 15° Celsius warmen Boden Wärme auf und steigt erwärmt durch seine Eigenbewegung nach oben in den äußeren Bereich des Speichers.
2b zeigt eine Variation dieser Leitungsführung der Leitung 7. Dabei ist die Leitung mit ihrer Öffnung auf der linken Seite der 2b mit dem Unterboden des äußeren Bereichs bündig angeschlossen. Das zweite Leitungsende der Leitung 7 ist auf der rechten Seite der 2b zu sehen, indem es den Unterboden um eine gewisse Strecke überragt. Derart kann durch eine geeignete Dimension eine Flussrichtung vorgegeben werden, da das kältere Wasser direkt am Unterboden in das links dargestellte Leitungsende einsinken kann und nach seiner Erwärmung im Erdreich am rechten den Boden überragenden Ende aufsteigen kann.
Die 2c zeigt eine Gestaltung der Leitung 7 ohne einen Kreislauf, welche aber nach dem gleichen physikalischen Prinzip des Absinkens von kälterem Wasser (bis 4° Celsius) nach unten beruht.
Ein wesentlicher Kern der Erfindung ist somit ein Langzeitwärmespeicher, welcher mit einer Wärmepumpe verbundene Bereiche unterschiedlicher Temperatur aufweist, wobei in kurzer Zeit große Energiemengen beladen und/oder verschoben werden können, wobei die Energie nachfolgend über eine längere Zeitspanne von Wochen oder Monaten entnommen werden kann und der durch das Absenken der Temperatur des äußeren Bereichs verglichen mit einem konventionellen Langzeitwärmespeicher weniger oder keine Außenisolation benötigt.
Bezugszeichenliste

1: Langzeitwärmespeicher
2: zweiter Bereich
3: erster Bereich
4: Leitungssystem für aktive Wärmerückgewinnung
5: optionaler dritter Bereich
6: Entnahmestellen
7: Leitungssystem zur passiven Wärmerückgewinnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 451384 [0002]
DE 29512743 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Bauer, D.; Marx, R.; Nußbicker-Lux, J.; Ochs, F.; Heidemann, W.; Müller-Steinhagen, H.: “German Central Solar Heating Plants with Seasonal Heat Storage”, Solar Energy 84 (2010), 612–623 [0006]
"Performance-Vergleich solar unterstützter Nahwärmeversorgungssysteme mit saisonaler Wärmespeicherung", D. Bauer et al., in: Tagungsband. OTTI. 20. Symposium Thermische Solarenergie, 05.–07.05.2010, Bad Staffelstein. ISBN 978-3-941785-29-8 [0009]
F. Ochs, W. Heidemann, H. Müller-Steinhagen, Symposium "Thermische Solarenergie", Kloster Banz, Bad Staffelstein, 23.–25.04.2008 [0011]
J. Nußbicker-Lux, R. Marx, D. Bauer, H. Drück, “Integration einer Wärmepumpe in die solar unterstützte Nahwärmeversorgung in Neckarsulm”; 11. Internationales Anwenderforum oberflächennahe Geothermie, 27. bis 28.09.2011, Regensburg [0014]

Claims

Langzeitwärmespeicher zur Speicherung von Energie in Form von Wärmeenergie, bestehend aus einem mit einem Speichermedium gefüllten Speicher (1), welcher Bereiche unterschiedlicher Temperatur aufweist dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (1) einen ersten Bereich (3), dessen Temperatur niedriger als die Temperatur eines zweiten Bereichs ist, und einen zweiten Bereich (2) aufweist, wobei der erste Bereich (3) mit einer Wärme aufnehmenden Seite und der zweite Bereich (2) mit einer Wärme abgebenden Seite einer Wärmepumpe verbunden ist.
Langzeitwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Bereich (3 und 2) benachbart angeordnet sind.
Langzeitwärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten Bereiche (2, 3) physisch voneinander getrennt sind.
Langzeitwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die physische Trennung der benachbarten Bereiche (2, 3) mittels Trennwänden erfolgt.
Langzeitwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (2, 3) unterschiedlicher Temperatur in horizontaler Richtung nebeneinanderliegend angeordnet sind.
Langzeitwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Langzeitwärmespeicher aus einem ersten und einem zweiten Tank besteht, welche voneinander getrennt angeordnet sind.
Langzeitwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Tank im ersten Tank angeordnet ist.
Langzeitwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tanks in einer Zylinder- oder Kugelform ausgeführt sind.
Langzeitwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass unter und/oder neben einem Tank ein Leitungssystem (4) zur Wärmerückgewinnung angeordnet ist.
Verfahren zur Speicherung von Energie in Form von Wärme mittels eines in einem Speicher eingebrachten Speichermediums, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Bereich (3), dessen Temperatur niedriger als die Temperatur eines zweiten Bereichs ist, und ein zweiter Bereich (2) in dem Speicher bereitgestellt werden und dass mittels Wärmepumpen aus dem ersten Bereich niedriger Temperatur, unter Zufuhr externer Energie, Wärme in den zweiten Bereich höherer Temperatur transferiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium aus dem ersten und/oder zweiten Bereich (3, 2) zum Heizen entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium aus dem ersten und/oder zweiten Bereich (3, 2) zum Kühlen entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme direkt, mittels eines Wärmetauschers oder über eine Wärmepumpe erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Abwärme eines Bereiches in dem anderen Bereich oder in einem unter und/oder neben einem Bereich bereitgestellten Auffangmittel aufgefangen wird und direkt oder mittels Wärmepumpverfahren zurückgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beladung des Speichers mittels kurzzeitig auftretender Leistungsspitzen stromnetzseitiger Energiequellen zeitlich synchron mit dem Auftreten dieser Leistungsspitzen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine passive Wärmerückgewinnung mittels einer mit dem Speicher verbundenen Leitung erfolgt.