DE102012201872A1

DE102012201872A1 - Mobiler Wärmeenergiespeicher, System zur mobilen Wärmeenergiespeicherung sowie Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie

Info

Publication number: DE102012201872A1
Application number: DE201210201872
Authority: DE
Inventors: Hans-Gerd Dibowski
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2013-08-08

Abstract

Bei einem mobilen Wärmeenergiespeicher (1) bestehend aus einem Behälter (3) mit Hohlraum (5), wobei der Behälter (3) eine dem Hohlraum (5) umgebende Behälterwandung (7) aufweist, ist vorgesehen, dass die Behälterwandung (7) zumindest an der dem Hohlraum (5) zugewandten Seite aus einem Solarstrahlung absorbierenden Material besteht, und wobei in der Behälterwandung (7) eine Öffnung (9) zur Einleitung von hochkonzentrierter Solarstrahlung angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mobilen Wärmeenergiespeicher, ein System zur mobilen Wärmeenergiespeicherung sowie ein Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie.
Energie, insbesondere Wärmeenergie, ist nur selten an Orten verfügbar, an denen diese benötigt wird. Daher wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um Wärmeenergie zu transportieren. Es sind beispielsweise kontinuierliche Verfahren bekannt, bei denen ein Wärmeträgermedium an einem Ort erwärmt wird und zu einem anderen Ort zur Abgabe der Wärmeenergie kontinuierlich transportiert wird. Ein derartiges Verfahren zum Transport von Wärmeenergie wird bei den meisten gängigen Kraftwerkstypen oder auch bei der Nutzung von Fernwärme angewendet.
Neben dem kontinuierlichen Verfahren gibt es auch diskontinuierliche Systeme, bei denen Wärme in einem Wärmeenergiespeicher gespeichert wird, um diese dann an einem anderen Ort abzugeben. Dabei sind beispielsweise Verfahren bekannt, bei denen die Wärmeenergie physikalisch in einem Stoff gespeichert wird. Derartige Speicher sind als Latentwärmespeicher bekannt, bei denen ein Stoff zu einem Phasenwechsel erwärmt wird und zu einem späteren Zeitpunkt der Stoff zu einem erneuten Phasenwechsel angeregt wird, so dass Wärmeenergie in der Größenordnung der Kristallisationsenthalpie oder Kondensationsenthalpie abgegeben wird.
Neben Latentwärmespeichern existieren andere Systeme zum Transport von Wärmeenergie, bei denen ein Wärmeträgermedium mit hoher Wärmekapazität erwärmt wird und an den Ort, an dem die Wärmeenergie benötigt wird, transportiert wird.
Bei den bekannten mobilen Wärmeenergiespeichern besteht grundsätzlich das Problem, dass die Beladezeiten, in denen die Wärmeenergie dem mobilen Wärmeenergiespeicher zugeführt wird, relativ hoch sind. Darüber hinaus werden die mobilen Wärmeenergiespeicher häufig mit Energiequellen, die fossile Brennstoffe verwenden, beladen, wie beispielsweise durch den Einsatz von Abwärme aus industriellen Prozessen oder durch eigene Brenner. Die langen Beladezeiten sind aus kommerzieller wie auch aus thermodynamischer Sicht ungünstig, da es bereits während der Beladezeiten zu Wärmeverlusten kommen kann, was zu einer Verringerung des Wirkungsgrades führt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mobilen Wärmeenergiespeicher zu schaffen, bei dem möglichst geringe Beladezeiten möglich sind, wobei gleichzeitig eine umweltfreundliche Energiequelle genutzt werden soll. Es ist ferner die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur mobilen Wärmespeicherung sowie ein Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie bereitzustellen, das diesen Anforderungen entspricht.
Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Bei einem mobilen Wärmeenergiespeicher, bestehend aus einem Behälter mit Hohlraum, ist vorgesehen, dass der Behälter eine den Hohlraum umgebende Behälterwandung aufweist, wobei die Behälterwandung zumindest an der dem Hohlraum zugewandten Seite aus einem Solarstrahlung absorbierenden Material besteht, wobei in der Behälterwandung eine Öffnung zur Einleitung von hochkonzentrierter Solarstrahlung angeordnet ist.
Ein derartiger mobiler Wärmeenergiespeicher hat den Vorteil, dass als Energiequelle zur Beladung des Wärmeenergiespeichers Solarstrahlung verwendet wird und somit keine Schadstoffe bei der Bereitstellung der Energie erzeugt werden. Die hochkonzentrierte Solarstrahlung kann dabei der Behälterwandung eine Temperatur aufprägen, die deutlich höher ist als die gewünschte Zieltemperatur, also der Temperatur, die bei einer späteren Nutzung der Wärmeenergie an einem anderen Ort gewünscht ist. Dadurch kann die Beladungszeit deutlich verkürzt werden. Durch das Vorsehen eines Hohlraums mit einer Öffnung kann die Solarstrahlung in vorteilhafter Weise in den Wärmeenergiespeicher eingeleitet werden und der Hohlraum wirkt als eine Art Lichtfalle für die Solarstrahlung. Dadurch wird ein hoher Anteil der Solarstrahlung als Wärmeenergie absorbiert. Die Absorption des Solarstrahlung absorbierenden Materials der Behälterwandung entspricht somit näherungsweise einem schwarzen Körper, da die Solarstrahlung nicht oder nur in geringem Maße aus dem Hohlraum entweichen kann. Bei der Beladung des mobilen Wärmeenergiespeichers werden insbesondere die hohen Energieflussdichten, die bei hochkonzentrierter Solarstrahlung vorherrschen, ausgenutzt, so dass die thermischen Beladezeiten bei hohen Wirkungsgraden genutzt werden können.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Wärmeenergiespeicher ein Wärmespeichermedium angeordnet ist. Über das Wärmespeichermedium lässt sich in vorteilhafter Weise zusätzlich eine große Menge an Wärmeenergie speichern. Das Wärmespeichermedium kann beispielsweise in einem Speicherraum, der zumindest teilweise durch die Behälterwandung gebildet ist, angeordnet sein. Das Wärmespeichermedium sollte eine Wärmekapazität von mindestens 1 kJ/(kgK), vorzugsweise mindestens 1,4 kJ/(kgK), besitzen.
Der Hohlraum kann eine Kugelform, eine Kegelform oder eine Zylinderform besitzen. Derartige Formen haben sich als besonders vorteilhaft für eine gleichmäßige Verteilung der Solarstrahlung in dem Hohlraum erwiesen, wobei ferner verhindert wird, dass eine zu große Menge an Solarstrahlung durch die Öffnung entweicht. Es ist insbesondere von Vorteil, wenn die Öffnung in der Behälterwandung im Vergleich zu dem Durchmesser des Hohlraums sehr klein ist.
An der dem Hohlraum abgewandten Seite der Behälterwandung kann eine Isolisierungsschicht vorgesehen sein, wodurch konvektive Wärmeverluste während der Beladung und des Transports zum Einsatzort reduziert werden, Dabei kann der Speicherraum beispielsweise zwischen der Behälterwandung und der Isolierschicht gebildet sein.
Die geometrischen Verhältnisse zwischen dem Behälter und dem Hohlraum können so gewählt sein, dass die Weglängen der Temperaturgradienten von der Behälterwandung in das Wärmespeichermedium an jeder Stelle relativ kurz sind, um eine effektive thermische Befüllung und Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung zu erreichen.
Das Wärmespeichermedium kann als ein Phasenwechselmaterial (PCM) vorgesehen sein. Das Wärmespeichermedium kann aus einem der folgenden Materialien ausgewählt sein: wässrige Salzlösungen, Chlathrate, Salzhydrate, Fettsäuren, Paraffine, Zuckeralkohole, Nitrate, Hydroxide, Chloride, Karbonate, Fluoride. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wärmespeichermedium Natriumazetat ist. Durch den Einsatz von Phasenwechselmaterialien kann eine große Menge an Wärmeenergie gespeichert werden, da die Wärmeenergie in dem Material in Form von latenter Wärme gespeichert wird.
Je nach Einsatzzweck kann eines der Phasenwechselmaterialien von Vorteil sein. Da sich derartige Materialien grundsätzlich so verhalten, dass das Material während eines Phasenwechsels eine konstante Temperatur besitzt, kann das Wärmespeichermedium entsprechend nach der gewünschten Zieltemperatur ausgewählt werden.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Behälterwandung aus einem Material mit hoher Wärmekapazität, beispielsweise größer 1 kJ/(kgK) besteht.
Die Erfindung bietet ferner ein System zur mobilen Wärmeenergiespeicherung mit einem Wärmeenergiespeicher, der als erfindungsgemäßer mobiler Energiespeicher ausgebildet ist. Das System weist ferner einen Solarkonzentrator auf.
Der Solarkonzentrator kann beispielsweise einen Parabolspiegel oder mehrere Heliostate aufweisen. Insbesondere kann vorgehen sein, dass der Solarkonzentrator ein Sonnenofen ist. Ein Sonnenofen zeichnet sich insbesondere durch eine sehr gute Regelbarkeit der Energiezufuhr aus, da mittels optischer Einrichtungen, wie beispielsweise Blenden und Shutter, die Energiezufuhr innerhalb weniger Zehntelsekunden an- bzw. abgeschaltet werden kann. Darüber hinaus bietet der Sonnenofen die Möglichkeit, bestimmte Wellenlängenbänder im Sonnenlicht zu nutzen. Über den Sonnenofen lässt sich hochkonzentrierte Solarstrahlung in besonders vorteilhafter Weise erzeugen, wobei das konzentrierte Sonnenlicht eine sehr hohe Energieflussdichte besitzt. Dadurch können kurze thermische Beladungszeiten des mobilen Wärmeenergiespeichers erreicht werden, wobei gleichzeitig das System einen hohen Wirkungsgrad besitzt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie unter Verwendung eines mobilen Wärmeenergiespeichers mit einem in dem Wärmeenergiespeicher angeordneten Wärmespeichermedium, wobei das Wärmespeichermedium einen Hohlraum umgibt und wobei vorgesehen ist, dass zur Erwärmung des Wärmespeichermediums konzentrierte Solarstrahlung in den Wärmespeicher gelenkt wird.
Dabei kann vorgesehen sein, dass konzentrierte Solarstrahlung über einen Sonnenofen konzentriert wird.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Solarstrahlung auf einen Fokuspunkt fokussiert wird, wobei der Fokuspunkt in dem Hohlraum oder in einer Öffnung in einer den Hohlraum umgebenden Behälterwandung angeordnet ist. Dadurch wird ermöglicht, dass die Öffnung in der den Hohlraum umgebenden Behälterwandung sehr klein gehalten werden kann und dennoch eine große Menge an Solarstrahlung in den Hohlraum gelangt. Durch die kleine Öffnung in der Behälterwandung wird verhindert, dass eine große Menge an Solarstrahlung aus dem Hohlraum entweichen kann.
Bei dem Verfahren kann vorgesehen sein, dass der Hohlraum als Lichtfalle wirkt.
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die dem Wärmespeichermedium aufgeprägte Beladungstemperatur höher ist als eine vorbestimmte Zieltemperatur.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen mobilen Wärmeenergiespeichers und
2 eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Systems zur mobilen Wärmeenergiespeicherung.
In 1 ist ein erfindungsgemäßer mobiler Wärmeenergiespeicher als Prinzipskizze dargestellt.
Der mobile Wärmeenergiespeicher 1 weist einen Behälter 3 mit einem Hohlraum 5 auf. Der Hohlraum 5 wird dabei durch eine den Hohlraum 5 umgebende Behälterwandung 7 gebildet. In der Behälterwandung 7 ist eine Öffnung 9 angeordnet, über die hochkonzentrierte Solarstrahlung in den Hohlraum eingeleitet werden kann. Die Solarstrahlung ist in der 1 durch einen Pfeil dargestellt.
Die Behälterwandung 7 besteht zumindest an der dem Hohlraum 5 zugewandten Seite aus einem Solarstrahlung absorbierenden Material, so dass die in den Hohlraum 5 eingeleitete hochkonzentrierte Solarstrahlung von dem Material der Behälterwandung absorbiert wird. Wie in 1 schematisch dargestellt ist, wirkt der Hohlraum 5 als Lichtfalle für die eingeleitete hochkonzentrierte Solarstrahlung, so dass keine oder nur ein geringer Anteil an Strahlung aus dem Hohlraum 5 entweichen kann. Die Strahlung kann im Endeffekt nur durch die Öffnung 9 aus dem Hohlraum 5 wieder entweichen, so dass die hochkonzentrierte Solarstrahlung mit einem sehr hohen Wirkungsgrad von dem mobilen Wärmeenergiespeicher 1 absorbiert wird.
In 2 ist ein erfindungsgemäßes System 100 zur mobilen Wärmeenergiespeicherung dargestellt. Das System 100 weist einen erfindungsgemäßen Wärmeenergiespeicher 1 auf. Ferner weist das System 100 einen Solarkonzentrator 50 auf, der in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel als Parabolspiegel ausgebildet ist.
Der mobile Wärmeenergiespeicher 1 besteht aus einem Behälter 3, der einen Hohlraum 5 umfasst. Der Hohlraum 5 ist durch eine Behälterwandung 7 gebildet.
Die Behälterwandung 7 bildet ferner zumindest teilweise einen Speicherraum 8 für ein Wärmespeichermedium 10.
Die Behälterwandung 7 ist in einem Bereich unterbrochen und bildet eine Öffnung 9. Bei der Beladung mit Wärmeenergie aus hochkonzentrierter Solarstrahlung wird der mobile Wärmeenergiespeicher 1 derart angeordnet, dass der Fokuspunkt 52 des Solarkonzentrators 50 innerhalb der Öffnung 9 oder innerhalb des Hohlraums 5 angeordnet ist. Dadurch kann die Öffnung 9 im Vergleich zu dem Behälter 3 relativ klein gehalten werden, wobei dennoch gewährleistet wird, dass eine große Menge hochkonzentrierter Strahlung in den Hohlraum 5 geleitet wird.
Über die hochkonzentrierte Solarstrahlung wird die Behälterwandung 7, die zumindest auf der dem Hohlraum 5 zugewandten Seite aus einem Solarstrahlung absorbierenden Material besteht, und wobei vorzugsweise das Material der Behälterwandung eine hohe Wärmekapazität besitzt, absorbiert. Dadurch wird die Behälterwandung 7 und das Wärmespeichermedium 10 erwärmt. Das Wärmespeichermedium 10 umgibt den Hohlraum 5 zumindest teilweise. Bei dem Wärmespeichermedium 10 kann es sich um ein Phasenwechselmaterial handeln, wobei durch die Erwärmung die Phase des Wärmespeichermediums wechselt und somit Wärmeenergie als latente Wärme speichert.
An einem der Öffnung 9 gegenüberliegenden Ende des Behälters 3 kann die Wandung 7 Deckel 13 aufweisen, über den der Hohlraum 5 zugänglich ist. Über Deckel 13 kann der Hohlraum 5 zu Befüllungs- oder Revisionszwecken zugänglich sein.
An der dem Hohlraum 5 abgewandten Seite kann eine Isolierungsschicht 11 auf der Behälterwandung 7 angeordnet sein. Über die Isolierungsschicht 11 können die konvektiven Wärmeverluste während der Beladung des mobilen Wärmeenergiespeichers 1 mit thermischer Energie und während des Transports verringert werden. Der Speicherraum 8 ist in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen der Behälterwandung 7 und der Isolierschicht 11 gebildet.
Der mobile Wärmeenergiespeicher 1 kann darüber hinaus Vorrichtungen vorsehen, die den Transport vereinfachen, wie beispielsweise Tragegriffe oder Transportösen.
Das erfindungsgemäße System 100 kann beispielsweise eine Halterung vorsehen, indem der mobile Wärmeenergiespeicher 1 in vorteilhafter Weise positioniert wird, so dass der Fokuspunkt 52 des Solarkonzentrators 50 in der gewünschten Position ist.
Ferner kann der mobile Wärmenergiespeicher 1 ein in 2 nicht dargestelltes Gebläse aufweisen, über das die Wärmeenergie dem mobilen Wärmeenergiespeicher 3, über beispielsweise eingeleitete Luft, entnommen wird und dieser somit entladen wird.

Claims

Mobiler Wärmeenergiespeicher (1) bestehend aus einem Behälter (3) mit Hohlraum (5), wobei der Behälter (3) eine dem Hohlraum (5) umgebende Behälterwandung (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterwandung (7) zumindest an der dem Hohlraum (5) zugewandten Seite aus einem Solarstrahlung absorbierenden Material besteht, und wobei in der Behälterwandung (7) eine Öffnung (9) zur Einbringung von hochkonzentrierter Solarstrahlung angeordnet ist.
Mobiler Wärmeenergiespeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wärmeenergiespeicher ein Wärmespeichermedium angeordnet ist.
Mobiler Wärmeenergiespeicher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (5) eine Kugelform, Kegelform oder Zylinderform besitzt.
Mobiler Wärmeenergiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine an der dem Hohlraum (5) abgewandten Seite der Behälterwandung (7) angeordneten Isolierungsschicht (11).
Mobiler Wärmeenergiespeicher (1) nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermedium (10) ein Phasenwechselmaterial ist.
Mobiler Wärmeenergiespeicher (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermedium (10) aus einem der folgenden Materialarten ausgewählt ist: wässrige Salzlösungen, Chlathrate, Salzhydrate, Fettsäuren, Paraffine, Zuckeralkohole, Nitrate, Hydroxide, Chloride, Karbonate oder Fluoride.
Mobiler Wärmeenergiespeicher (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermedium (10) Natriumazetat ist.
Mobiler Wärmeenergiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälterwandung (7) aus einem Material mit hoher Wärmekapazität besteht.
System (100) zur mobilen Wärmeenergiespeicherung mit einem Wärmeenergiespeicher, gekennzeichnet durch einen mobilen Wärmeenergiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und durch einen Solarkonzentrator (50).
System (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarkonzentrator (50) mindestens einen Parabolspiegel oder mehrere Heliostate aufweist.
System (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarkonzentrator (50) ein Sonnenofen ist.
Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie unter Verwendung eines mobilen Wärmeenergiespeichers (1) mit einem angeordneten Wärmespeichermedium (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermedium (10) einen Hohlraum (5) umgibt und dass zur Erwärmung des Wärmespeichermediums (10) konzentrierte Solarstrahlung in den Wärmeenergiespeicher (1) gelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarstrahlung über einen Sonnenofen konzentriert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarstrahlung auf einen Fokuspunkt (52) fokussiert wird, wobei der Fokuspunkt (52) in dem Hohlraum (5) oder in einer Öffnung (9) in einer den Hohlraum (5) umgebenden Behälterwandung (7) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (5) als Lichtfalle wirkt,
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Wärmespeichermedium (10) aufgeprägte Beladungstemperatur höher ist als eine vorbestimmte Zieltemperatur.