DE102012217142A1

DE102012217142A1 - Verfahren zum Laden und Entladen eines Speichermediums in einem Wärmespeicher und Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE102012217142A1
Application number: DE201210217142
Authority: DE
Inventors: Daniel Reznik; Henrik Stiesdal
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2014-03-27
Also published as: WO2014044549A3; WO2014044549A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden und Entladen eines Speichermediums (beispielsweise H2O), welches erfindungsgemäß über einen Wärmetauscher (35) zwischen einem kühleren Reservoir (12w) und einem wärmeren Reservoir (12h) ausgetauscht werden kann. Über den Wärmetauscher ist damit die Aufnahme bzw. Abgabe von thermischer Energie möglich. Diese kann beispielsweise von einer Windkraftanlage (11) stammen. In einem Ladeprozess wird über einen Verdichter (22) ein Arbeitsfluid wie beispielsweise CO2 verdichtet und nach Durchlaufen des Wärmetauschers (35) wieder entspannt. Um die gespeicherte thermische Energie im Bedarfsfall wieder in elektrische Energe umzuwandeln, wird als Arbeitsgas beispielsweise Propan über den Wärmetauscher 35 erhitzt und über eine Turbine (25) entspannt. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass als Speichermedium die umweltverträgliche Flüssigkeit Wasser verwendet werden kann. Diese lässt sich in großen Mengen speichern, wodurch große Wärmekapazitäten realisierbar sind. Die angesprochenen Arbeitsfluide ermöglichen das Arbeiten in einem vergleichsweise engen Prozessfenster für das Wasser, z. B.40°C im kühleren Reservoir (12w) und 97°C im wärmeren Reservoir (12h).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden und Entladen eines Speichermediums in einem Wärmespeicher. Bei diesem Verfahren wird während eines Ladezyklus das Speichermedium in einem ersten Wärmetauscher durch ein Arbeitsfluid aufgewärmt. Dabei wird vor dem Durchlaufen des ersten Wärmetauschers durch eine als Arbeitsmaschine geschaltete erste thermische Fluidenergie-Maschine eine Druckerhöhung im Arbeitsfluid erzeugt und nach dem Durchlaufen des Wärmespeichers wird das Arbeitsfluid wieder entspannt. Während eines Entladezyklus des Speichermediums wird in dem ersten Wärmetauscher oder einem zweiten Wärmetauscher das Arbeitsfluid abgekühlt. Vor dem Durchlaufen des genannten Wärmetauschers (also dem ersten Wärmetauscher oder dem zweiten Wärmetauscher) wird eine Druckerhöhung erzeugt und nach dem Durchlaufen des genannten Wärmetauschers das Arbeitsfluid über eine als Kraftmaschine geschaltete zweite thermische Fluidenergiemaschine oder die als Kraftmaschine geschaltete erste thermische Fluidenergie-Maschine entspannt. Beim Ladezyklus wird damit mechanische Energie in Wärmeenergie umgewandelt, wobei die gespeicherte Wärmeenergie während des Entladezyklus zurück in mechanische Energie gewandelt werden kann. Ein solches Verfahren eignet sich daher beispielsweise dazu, Überkapazitäten aus der regenerativen Stromerzeugung über einen elektrischen Motor in Wärmeenergie zu wandeln und anschließend über einen Generator im Bedarfsfall wieder in elektrischen Strom zurückzuwandeln.
Außerdem betrifft die Maschine eine Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie mit einem Speichermedium, wobei das Speichermedium Wärme von einem Ladekreislauf für ein Arbeitsfluid aufnehmen und an einen Entladekreislauf für ein Arbeitslfuid abgeben kann. Dabei sind in dem Ladekreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch Leitungen miteinander verbunden: Eine als Arbeitsmaschine geschaltete erste thermische Fluidenergie-Maschine, ein erster Wärmetauscher für das Speichermedium, eine Einrichtung zur Entspannung des Arbeitsfluides, insbesondere eine erste Drossel, und ein dritter Wärmetauscher. Außerdem sind in dem Entladekreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch Leitungen miteinander verbunden: Der erste Wärmetauscher oder ein zweiter Wärmetauscher für das Speichermedium, eine als Kraftmaschine geschaltete zweite thermische Fluidenergie-Maschine oder die als Kraftmaschine geschaltete erste Fluidenergie-Maschine, der dritte Wärmetauscher oder ein vierter Wärmetauscher und eine Pumpe. Wird im Sinne dieser Anmeldung von einem Wärmetauscher für das Speichermedium gesprochen, so ist damit gemeint, dass der Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme auf das Speichermedium oder von dem Speichermedium vorgesehen ist. Die Wärme wird jeweils in Abhängigkeit vom Einbau dieses Wärmetauschers in die genannten Leitungen zum Einspeisen von Wärme in den Entladekreislauf oder zum Austragen von Wärme aus dem Ladekreislauf verwendet.
Die Begriffe Kraftmaschine und Arbeitsmaschine werden im Rahmen dieser Anmeldung so verwendet, dass eine Arbeitsmaschine mechanische Arbeit aufnimmt, um ihren Zweck zu erfüllen. Eine thermische Fluidenergie-Maschine, die als Arbeitsmaschine verwendet wird, wird somit als Verdichter oder als Kompressor betrieben. Demgegenüber verrichtet eine Kraftmaschine Arbeit, wobei eine thermische Fluidenergie-Maschine zur Verrichtung der Arbeit die im Arbeitsgas zur Verfügung stehende thermische Energie umwandelt. In diesem Fall wird die thermische Fluidenergie-Maschine also als Motor betrieben.
Der Begriff „thermische Fluidenergie-Maschine“ bildet einen Oberbegriff für Maschinen, die einem Arbeitsfluid thermische Energie entziehen oder diesem thermische Energie zuführen können. Unter thermischer Energie ist sowohl Wärmeenergie als auch Kälteenergie zu verstehen. Thermische Fluidenergie-Maschinen (im Folgenden auch kürzer als Fluidernergie-Maschinen bezeichnet) können beispielsweise als Kolbenmaschinen ausgeführt sein. Bevorzugt können auch hydrodynamische thermische Fluidenergie-Maschinen verwendet werden, deren Laufräder einen kontinuierlichen Fluss des Arbeitsgases erlauben. Vorzugsweise kommen axial wirkende Turbinen bzw. Verdichter zum Einsatz.
Das eingangs angegebene Prinzip ist beispielsweise gemäß der WO 2009/044139 A2 beschrieben. Hier kommen Kolbenmaschinen zum Einsatz, um das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Gemäß der US 5,436,508 ist es überdies bekannt, dass mittels der eingangs angegebenen Anlagen zur Speicherung thermischer Energie auch Überkapazitäten bei der Nutzung von Windenergie zur Herstellung elektrischen Stroms zwischengespeichert werden können, um diese im Bedarfsfall wieder abzurufen.
Die Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Laden und Entladen eines Wärmespeichers bzw. eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, mit dem bzw. mit der eine Speicherung und Rückgewinnung von Energie mit vergleichsweise hohem Wirkungsgrad erfolgen kann und dabei ein vergleichsweise geringer Aufwand an Komponenten entsteht.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sowohl der Ladezyklus als auch der Entladezyklus als Rankine-Prozess ausgestaltet sind, bei dem das Arbeitsfluid während des Ladezyklus über einen dritten Wärmetauscher verdampft wird und während des Entladezyklus über diesen dritten oder einen vierten Wärmetauscher kondensiert wird. Dabei stellen der dritte Wärmetauscher und im Falle eines Vorhandenseins des vierten Wärmetauschers auch der vierte Wärmetauscher einen Temperaturausgleich mit der Umgebung her. Unter einem Temperaturausgleich ist zu verstehen, dass die Temperatur an die Umgebungstemperatur angenähert wird, auch wenn die Umgebungstemperatur selbst nicht erreicht wird. Außerdem ist erfindungsgemäß das Speichermedium eine Flüssigkeit, welche während des Ladezyklus von einem warmen Reservoir durch den ersten Wärmetauscher in ein heißes Reservoir geleitet wird. Während des Entladezyklus wird die Flussrichtung umgekehrt, d. h. das Speichermedium fließt von dem heißen Reservoir durch den ersten Wärmetauscher oder den zweiten Wärmetauscher (wenn vorhanden) in das warme Reservoir. Als warmes Reservoir im Sinne der Erfindung wird ein Reservoir verstanden, dessen Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Im Vergleich hierzu soll unter einem heißen Reservoir ein Reservoir verstanden werden, dessen Temperatur nicht warm, d. h. höher als diejenige des warmen Reservoirs ist. Hierdurch werden mit anderen Worten die Wärmeflussrichtungen bei den unterschiedlichen Verfahrensschritten des Ladens und des Entladens des Speichermediums vorgegeben.
Weiterhin ist anzumerken, dass es sich bei der ersten thermischen Fluidenergiemaschine beispielsweise um eine Pumpe wie eine Kolbenpumpe oder auch um einen hydrodynamischen Verdichter, also eine Strömungskraftmaschine, handeln kann. Beim Ladezyklus und beim Entladezyklus können sowohl jeweils dasselbe als auch unterschiedliche Arbeitsfluide zum Einsatz kommen (hierzu im Folgenden noch mehr).
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Speichermedium Wasser zum Einsatz kommt. Wasser ist kostengünstig zu beschaffen und im Falle von Störfällen der Anlage umwelttechnisch auch absolut unbedenklich. Außerdem weist Wasser eine verhältnismäßig hohe Wärmekapazität auf und eignet sich vorteilhaft daher als Speichermedium. Wasser wie auch andere Flüssigkeiten haben weiterhin den Vorteil, dass diese in Tanks gelagert werden können und der Wärmetauscher nicht in der Lagerstätte vorhanden sein muss, sondern lediglich in dem Leitungssystem, welches das warme Reservoir mit dem heißen Reservoir verbindet. Dieses kann während des gesamten Lade- bzw. Entladezyklus über seine gesamte Baugröße optimal genutzt werden. Daher lässt sich der Wärmetauscher vergleichsweise kompakt herstellen. Es wird Material gespart, wodurch die Investitionskosten für das Verfahren vorteilhaft gering ausfallen. Verglichen hierzu müsste ein Wärmespeicher aus Sand beispielsweise in seinem gesamten Volumen mit einem Wärmetauscher versehen werden, wobei ein effektiver Wärmeübergang immer nur im Bereich einer das Speichermedium durchfließenden Wärmefront gewährleistet wäre. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines flüssigen Speichermediums liegt darin, dass die Kapazität einer das Verfahren durchführenden Anlage leicht skaliert werden kann. Es müssen lediglich zusätzliche Tanks angeschlossen werden, die selbst keine Wärmetauscher benötigen. Anders herum kann die Leistung des Lade- und Entladezyklus dadurch skaliert werden, dass bei gleicher Kapazität ein zusätzlicher Wärmetauscher angeschlossen wird. Das Wärmespeicherkonzept kann insofern als Baukastensystem verwendet werden, wobei mit Standardkomponenten ein großer Bereich von erforderlichen Leistungen und Kapazitäten abgedeckt werden kann.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wasser im heißen Reservoir mit einer Temperatur von unter 100°C gespeichert wird. Dies hat den Vorteil, dass das Wasser nicht zum Sieden gebracht werden kann und so der Druck in dem Reservoir nicht erhöht oder zumindest nur leicht erhöht wird. Hierdurch können großvolumige Reservoirs für Wasser mit einem minimalen baulichen Aufwand kosteneffizient gebaut werden, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zuträglich ist.
Vorteilhaft kann als Arbeitsfluid für den Ladezyklus Kohlendioxid verwendet werden. Dies ist insbesondere geeignet, um in dem Temperaturfenster, was bei Verwendung von drucklosem Wasser als Speichermedium zur Verfügung steht, unter Zugrundelegung des Rankine-Prozesses einen Wärmepumpenkreislauf zu realisieren. Dabei kann das Kohlendioxid vorteilhaft sogar überhitzt werden, d. h., dass der Wärmepumpenkreislauf überkritisch abläuft.
Weiterhin vorteilhaft kann als Arbeitsfluid für den Entladezyklus eine Kohlenwasserstoffverbindung verwendet werden. Insbesondere kann Propan verwendet werden. Das mögliche Prozessfenster von Propan (Nomenklatur als Kältemittel: R290) ermöglicht es vorteilhaft, in dem durch druckloses Wasser zur Verfügung gestellten Prozessfenster unterhalb von 100°C einen Rankine-Prozess ablaufen zu lassen. CO₂ und Propan haben überdies den Vorteil, dass ein Freisetzen dieser Gase in die Atmosphäre aus Umweltgesichtspunkten unbedenklich ist. Bei Propan muss lediglich beachtet werden, dass eine Aufkonzentration dieses Gases vermieden werden muss, um eine Brandgefahr zu vermeiden.
Vorteilhaft kann als Arbeitsfluid für den Entladezyklus und den Ladezyklus auch Ammoniak verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass in Ammoniak sowohl der Ladezyklus als auch der Entladezyklus als Rankine-Prozess ausgestaltet werden kann, so dass lediglich ein Leitungssystem zum Durchlaufen sowohl des Ladezyklus als auch des Entladezyklus durchlaufen werden kann (hierzu im Folgenden noch mehr). Hierdurch werden vorteilhaft Komponenten der Anlage eingespart, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen ist.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung erhält man, wenn das Speichermedium während des Ladezyklus durch einen fünften Wärmetauscher geleitet wird, bevor es durch den ersten Wärmetauscher eingeleitet wird. Dabei wird in dem fünften Wärmetauscher Wärme an das Arbeitsfluid abgegeben, nachdem dieses den dritten Wärmetauscher verlassen hat und bevor diese in die erste thermische Fluidenergie-Maschine eingeleitet wird. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass das Speichermedium, das das warme Reservoir verlässt, abgekühlt wird, bevor es in den ersten Wärmetauscher eingeleitet wird. Dort kann es infolgedessen eine größere Wärmemenge vom Arbeitsfluid aufnehmen. Gleichzeitig steht die im fünften Wärmetauscher aufgenommene Wärme im Arbeitsfluid als zusätzliche Wärme zur Verfügung, nachdem das Arbeitsfluid durch die erste thermische Fluidenergie-Maschine verdichtet wurde. Insgesamt steigt damit der Temperaturunterschied in dem ersten Wärmetauscher mit dem Effekt, dass ein größerer Wärmefluss erzielt werden kann.
Außerdem wird die oben angegebene Aufgabe erfindungsgemäß auch mit der eingangs erwähnten Anlage gelöst, indem der dritte Wärmetauscher und im Falle eines Vorhandenseins des vierten Wärmetauschers der vierte Wärmetauscher einen Wärmeaustausch mit der Umgebung der Anlage gewährleisten. Außerdem ist das Speichermedium eine Flüssigkeit, welche in einem warmen Reservoir oder in einem heißen Reservoir gespeichert werden kann, wobei die beiden Reservoirs über eine Verbindungsleitung verbunden sind. In dieser Verbindungsleitung befinden sich außerdem der erste Wärmetauscher und im Falle eines Vorhandenseins des zweiten Wärmetauschers auch dieser. Im letzteren Fall kann das Speichermedium entweder über den ersten oder den zweiten Wärmetauscher geleitet werden. Die beschriebene Anlage eignet sich vorrangig zur Durchführung des oben angegebenen Verfahrens. Die Komponenten für die erfindungsgemäße Anlage sind kostengünstig zu beschaffen bzw. herzustellen, was die Wirtschaftlichkeit der Anlage erhöht. Es können ein gemeinsamer Lade- und Entladekreislauf vorgesehen sein, die mit geeigneten Ventilen geschaltet werden können oder es wird ein vom Ladekreislauf getrennter Entladekreislauf vorgesehen (hierzu im Folgenden noch mehr). Genauso können vorteilhaft für den Ladekreislauf und den Entladekreislauf vollständig voneinander getrennte Verbindungsleitungen vorgesehen sein.
Zuletzt ist es besonders vorteilhaft, wenn die erste thermische Fluidenergie-Maschine an eine elektrische Maschine angeschlossen ist, die von einer Erzeugungseinrichtung für regenerative Energie, insbesondere einer Windkraftanlage, gespeist wird. Die Anlage kann erfindungsgemäß dann dazu verwendet werden, Überkapazitäten aus der regenerativen Stromerzeugung zwischenzuspeichern, und zwar in Form von Wärme. In Zeiten eines Bedarfs an elektrischer Energie, der nicht mehr gedeckt werden kann, kann der Wärmespeicher entladen werden und auf diesem Wege die zwischengespeicherte Energie in Form von elektrischer Energie im Netz zur Verfügung gestellt werden. Hierdurch lässt sich vorteilhaft der Anteil an regenerativer Energiegewinnung erhöhen, ohne auf die Anforderung einer Versorgungssicherheit verzichten zu müssen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage als Blockschaltbild,
2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches mit der erfindungsgemäßen Anlage gemäß 1 durchgeführt werden kann in einem Diagramm der Temperatur T in Abhängigkeit von der Enthalpie S,
3 und 4 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage mit getrennten Kreisläufen zum Laden und Entladen als Blockschaltbilder und
5 und 6 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches mit der Anlage gemäß der 3 und 4 durchgeführt werden kann, in einer Darstellung des Druckes p in Abhängigkeit von der Enthalpie S.
In 1 ist eine Anlage zu erkennen, mit der überschüssige elektrische Energie eines Windkraftwerks 11 in thermische Energie umgewandelt werden kann, die in einem Wärmespeicher 12 gespeichert werden kann. Der Wärmespeicher 12 besteht aus einem heißen Reservoir 12h und einem warmen Reservoir 12w für Wasser als Speichermedium, welche durch eine Leitung 12c miteinander verbunden sind. Die elektrische Energie des Windkraftwerks 11 wird über einen Motor M in die Anlage eingespeist. Im Bedarfsfall kann der Wärmespeicher 12 entladen werden, wobei letztendlich über einen Generator G elektrische Energie erzeugt werden kann. Zur Wandlung von elektrischer Energie in thermische Energie und umgekehrt sind in der Anlage ein Ladekreislauf 13 und ein Entladekreislauf 14 realisiert. Diese bestehen aus schematisch dargestellten Leitungen, in denen ein Arbeitsfluid, wie beispielsweise Ammoniak, zirkulieren kann. Über Ventile 15 wird jeweils entweder der Ladekreislauf 13 oder der Entladekreislauf 14 aktiviert, indem eine Verbindung zum Wärmespeicher 12 hergestellt wird. Weiterhin ist in dem Lade- und Entladekreislauf ein dritter Wärmetauscher 16 vorgesehen, der mit Flusswasser eines schematisch angedeuteten Flusses 17 gespeist werden kann. Auch für die Verbindung des dritten Wärmetauschers 16 sind Ventile 18 vorgesehen, damit dieser im Ladekreislauf 13 und im Entladekreislauf 14 zur Anwendung kommen kann. Statt der Ventile 18 kann auch, wie strichpunktiert dargestellt, ein sechster Wärmetauscher 19 verwendet werden. Im Bereich der Wärmetauscher entstehen auf diesem Wege zwei getrennte Kreisläufe für Ladekreislauf 13 und Entladekreislauf 14, wie in 1 angedeutet, was die Ventile 18 überflüssig macht.
Auch die Verbindungsleitung 12c zwischen dem warmen Reservoir 12w und dem heißen Reservoir 12h muss je nach Betriebszustand in die eine oder die andere Richtung durchlaufen werden. Hierzu sind zwei Umwälzpumpen 31, 32 vorgesehen, die über Ventile 33 geschaltet werden können. Während eines Ladezyklus ist das Ventil 34 geöffnet, so dass Wasser vom warmen Reservoir 12w in das heiße Reservoir 12h strömen kann, wobei das Wasser über einen ersten Wärmetauscher 35 erhitzt wird. Im Entladezyklus wird der erste Wärmetauscher 35 in der anderen Richtung durchströmt. Dies wird mittels der Umwälzpumpe 31 und Öffnen des Ventils 33 bewirkt. Das Wasser aus dem heißen Reservoir 12h kann auf diesem Wege die Wärme an das Arbeitsfluid abgeben und strömt in das warme Reservoir 12w. In beiden Fällen (Ladezyklus und Entladezyklus) wird der erste Wärmetauscher 35 im Gegenstrom betrieben.
Die jeweiligen Flussrichtungen des Ladekreislaufes 13 und des Entladekreislaufes 14 sind mit Pfeilen angedeutet. Außerdem sind im Ladekreislauf 13 und Entladekreislauf 14 charakteristische Positionen durch Ziffern von 1 bis 10 gekennzeichnet, wobei diese charakteristischen Positionen der ablaufenden Rankine-Prozesse auch in 2 zu erkennen sind. Diese sollen den Durchlauf des jeweiligen Prozesses im Folgenden näher erläutern.
In 2 sind ein Ladezyklus 20 und ein Entladezyklus 21 dargestellt, wie diese mit Ammoniak als Arbeitsmedium (R717) durchlaufen werden können. In Position 1 des Zyklus liegt das Arbeitsmedium mit einem Druck von 5 bar vor. Hier liegt die Siedetemperatur von Ammoniak bei 4°C. Damit kann die Wärme vom Flusswasser mit 15°C verwendet werden, um das Arbeitsmedium im dritten Wärmetauscher 16 zu verdampfen. Auf diesem Weg gelangt man zu Position 2. Wie 1 zu entnehmen ist, wird das Arbeitsmedium mit Hilfe des Motors M durch eine erste Fluidenergie-Maschine 22, die als hydrodynamischer Verdichter geschaltet ist, auf einen Druck von mehr als 112 bar, beispielsweise 120 bar, gebracht. Hierbei heizt sich das Arbeitsmedium auf 320°C auf und erreicht Position 3. Diese Hitze kann anschließend in das Speichermedium eingetragen werden, wobei hierbei der Wärmetauscher zum Einsatz kommt und das Speichermedium auf 270 °C erhitzt wird. In diesem Prozessschritt wird das Arbeitsmedium isobar auf eine Temperatur von weniger als 30°C abgekühlt, wodurch Position 4 des Zyklus erreicht wird. Durch eine erste Drossel 23 kann das Arbeitsmedium entspannt werden und erreicht auf diesem Wege wieder einen Druck von 5 bar. An dieser Stelle ist vorteilhaft das einfache Bauteil einer Drossel ausreichend. Eine Turbine oder dergleichen ist nicht erforderlich.
Alternativ können als Arbeitsmedium auch 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R134a) oder Butan (R600) verwendet werden. Als thermische Speichermedien kommen auch Thermoöl und Salzschmelzen in Betracht.
Der Entladezyklus 21 verläuft folgendermaßen. Der Kondensationsdruck kann bei 10 bar eingestellt werden, so dass die Siedetemperatur des Arbeitsmediums (ebenfalls Ammoniak) bei 25°C, also über den Temperaturniveau des Flusses bei 15°C liegt. In Position 5 des Entladezyklusses 21 liegt flüssiger Ammoniak vor und wird über eine Pumpe 24 auf einen superkritischen Druck gebracht (Dies bedeutet, dass die kritischen Punkt CP innerhalb der durch die Prozesskurven eingeschlossenen Fläche liegt). Durch den Wärmespeicher wird das Arbeitsmedium aufgewärmt und überkritisch auf die Position 9 gebracht. Dabei kann das im Wärmespeicher 12 vorliegende Temperaturniveau nicht ganz erreicht werden. Beispielsweise ist eine Erwärmung auf 220°C möglich. Aus dem Arbeitsmedium im überkritischen Zustand kann über eine zweite Fluidenergie-Maschine 25 in Form einer Turbine mechanische Energie gewonnen werden, die über den Generator G in elektrische Energie umgewandelt wird. Die mechanischen Verbindungen zwischen dem Generator G und der zweiten Fluidenergie-Maschine 25 sowie dem Motor M und der ersten Fluidenergie-Maschine 22 sind als Wellen 26 ausgeführt. Nach der Entspannung des Arbeitsmediums wird die Position 10 erreicht. Das entspannte Arbeitsmedium liegt noch gasförmig vor und wird bei 25°C kondensiert, wobei hierbei das Flusswasser aufgewärmt wird.
In den 3 und 4 ist eine Anlage dargestellt, die getrennte Verbindungsleitungen 12d, 12e jeweils für den Ladezyklus bzw. den Entladezyklus aufweisen. In 3 ist der Teil der Anlage dargestellt, welcher für den Ladezyklus verantwortlich ist. Die Verbindungsleitung 12d durchläuft in Flussrichtung gesehen vom warmen Reservoir 12w zunächst einen fünften Wärmetauscher 36 und wird über eine Umwälzpumpe 37 durch den ersten Wärmetauscher 35 geleitet, bevor das Wasser in das heiße Reservoir 12h gelangt. Im fünften Wärmetauscher 36 gibt das Wasser zunächst Wärme an das Arbeitsfluid des Ladekreislaufes 13 ab. Bei diesem handelt es sich um Kohlendioxid (CO₂). Das Wasser kühlt sich im fünften Wärmetauscher 36 von 40°C auf 15°C ab. Der Druck bleibt mit 1 bar im gesamten Wärmespeicher im Wesentlichen konstant.
Das Arbeitsfluid nimmt zunächst über den dritten Wärmetauscher 16 Wärme aus der Umgebung auf und erwärmt sich auf diesem Wege auf 10°C. Dabei verdampft es auch, so dass der Dampfgehalt von x = 0,1 auf x = 1 steigt. Der Druck liegt bei 40 bar. Im fünften Wärmetauscher nimmt das CO₂ weitere Wärme auf und erwärmt sich unterkritisch auf 35°C. Anschließend wird das CO₂ durch die erste thermische Fluidenergie-Maschine in Form einer Pumpe auf überkritische 90 bar verdichtet und erwärmt sich auf 110°C. Ein Großteil der Wärme wird über den ersten Wärmetauscher 35 an das Wasser abgegeben, welches sich dadurch auf 97°C erwärmt. Das Arbeitsgas verlässt den ersten Wärmetauscher 35 mit einer Temperatur von 18°C. Nach Entspannung durch die Drossel 23 liegt das Kohlendioxid bei einem Druck von 40 bar wieder weitgehend gasförmig vor.
Aus 4 wird deutlich, dass für den Entladezyklus das warme Reservoir 12w und das heiße Reservoir 12h über eine andere Verbindungsleitung 12e an einen zweiten Wärmetauscher 38 angeschlossen werden. Hierbei kommt eine weitere Umwälzpumpe 39 zum Einsatz. Das Wasser wird von dem heißen Reservoir 12h über den zweiten Wärmetauscher 38 in das warme Reservoir 12 gepumpt und kühlt sich bei gleichbleibendem Druck von 1 bar von 97°C auf 40°C ab.
Als Arbeitsfluid kommt Propan (C₃H₈) zum Einsatz, welches in einem vom Ladekreislauf 13 gemäß 3 vollständig getrennten Entladekreislauf 14 umläuft. Durch eine Pumpe 24 wird das Propan von 9 bar auf 38 bar verdichtet. Nach Durchlaufen des zweiten Wärmetauschers 38 erhöht sich die Temperatur von 24 auf 93°C und der Dampfgehalt steigt von 0 auf 1,03. Das so überhitzte Propan wird in der zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine 25 in Gestalt einer Turbine entspannt, wobei die Temperatur auf 24°C, der Druck auf 9 bar und der Dampfgehalt auf 0,9 sinkt. Die hierbei entstehende Energie wird über eine Welle 26 zum Generator G geleitet und in elektrische Energie gewandelt. Das Propan strömt anschließend durch einen vierten Wärmetauscher 39, wobei der Dampfgehalt bei gleichbleibender Temperatur im Propan auf x = 0 sinkt.
Wie in 1 sind auch in den 3 und 4 die beschriebenen Zustände des Kohlendioxids und des Propans mit den Ziffern 1 bis 10 gekennzeichnet und in den 5 und 6 graphisch dargestellt. In den 5 und 6 werden p-S-Diagramme verwendet, d. h. es ist der Druck p in Abhängigkeit von der Enthalpie S abzulesen. Wie aus 5 deutlich wird, findet der Wärmepumpenprozess, der als rückwärts laufender Rankine-Prozess ausgeführt ist, überkritisch statt (der kritische Punkt CP befindet sich in der durch die Prozesskurven eingeschlossenen Fläche). Bei dem gemäß 6 stattfindenden Entladeprozess findet allerdings keine überkritische Erhitzung des Propans statt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/044139 A2 [0005]
US 5436508 [0005]

Claims

Verfahren zum Laden und Entladen eines Speichermediums in einem Wärmespeicher (12) bei dem • während eines Ladezyklus das Speichermedium in einem ersten Wärmetauscher (35) durch ein Arbeitsfluid aufgewärmt wird, wobei vor dem Durchlaufen des ersten Wärmetauschers (35) durch eine als Arbeitsmaschine geschaltete ersten thermische Fluidenergie-Maschine (22) eine Druckerhöhung im Arbeitsfluid erzeugt wird und nach dem Durchlaufen des Wärmespeichers (12) das Arbeitsfluid entspannt wird und • während eines Entladezyklus das Speichermedium in dem ersten Wärmetauscher (35) oder einem zweiten Wärmetauscher (38) durch ein Arbeitsfluid abgekühlt wird, wobei vor dem Durchlaufen des genannten Wärmetauschers eine Druckerhöhung im Arbeitsfluid erzeugt wird und nach dem Durchlaufen des genannten Wärmetauschers das Arbeitsfluid über eine als Kraftmaschine geschaltete zweite thermische Fluidenergie-Maschine (25) oder die als Kraftmaschine geschaltete erste thermische Fluidenergie-Maschine (22) entspannt wird dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Ladezyklus als auch der Entladezyklus als Rankine-Prozess ausgestaltet sind, bei dem das Arbeitsfluid • während des Ladezyklus über einen dritten Wärmetauscher (16) verdampft wird und • während des Entladezyklus über den dritten oder einen vierten Wärmetauscher (19) kondensiert wird, wobei der dritte Wärmetauscher (16) und im Falle eines Vorhandenseins des vierten Wärmetauschers auch der vierte Wärmetauscher (19) einen Temperaturausgleich mit der Umgebung herstellen, und dass das Speichermedium eine Flüssigkeit ist, welche • während des Ladezyklus von einem warmen Reservoir (12w) durch den ersten Wärmetauscher (35) in ein heißes Reservoir (12h) geleitet wird und • während des Entladezyklus von dem heißen Reservoir (12h) durch den ersten Wärmetauscher (35) oder den zweiten Wärmetauscher (38) in das warme Reservoir (12w) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Speichermedium Wasser zum Einsatz kommt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser im heißen Reservoir (12h) mit einer Temperatur von unter 100 °C gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsfluid für den Ladezyklus Kohlendioxid verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsfluid für den Entladezyklus eine Kohlenwasserstoffverbindung, insbesondere Propan verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsfluid für den Ladezyklus und den Entladezyklus Ammoniak verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezyklus transkritisch betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium während des Ladezyklus durch einen fünften Wärmetauscher (36) geleitet wird, bevor es in den ersten Wärmetauscher (35) eingeleitet wird, wobei in dem fünften Wärmetauscher (36) Wärme an das Arbeitsfluid abgegeben wird, nachdem dieses den dritten Wärmetauscher (16) verlassen hat und bevor dieses in die erste thermische Fluidenergie-Maschine (22) eingeleitet wird.
Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie mit einem Speichermedium, wobei das Speichermedium Wärme von einem Ladekreislauf (13) für ein Arbeitsfluid aufnehmen und an einen Entladekreislauf (14) für ein Arbeitsfluid abgeben kann, wobei in dem Ladekreislauf (13) folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch Leitungen miteinander verbunden sind: • eine als Arbeitsmaschine geschaltete erste thermische Fluidenergie-Maschine (22), • ein erster Wärmetauscher (35) für das Speichermedium, • eine Einrichtung zur Entspannung des Arbeitsfluides, insbesondere eine erste Drossel (23), und • ein dritter Wärmetauscher (16), und wobei in dem Entladekreislauf (14) folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch Leitungen miteinander verbunden sind: • der erste Wärmetauscher (35) oder ein zweiter Wärmetauscher (38) für das Speichermedium, • eine als Kraftmaschine geschaltete zweite thermische Fluidenergie-Maschine (25) oder die als Kraftmaschine geschaltete erste Fluidenergie-Maschine (22), • der dritte Wärmetauscher (16) oder ein vierter Wärmetauscher (19) und • eine Pumpe (24), dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wärmetauscher (16) und im Falle eines Vorhandenseins des vierten Wärmetauschers der vierte Wärmetauscher (19) einen Wärmeaustausch mit der Umgebung der Anlage gewährleisten, und dass das Speichermedium eine Flüssigkeit ist, welche in einem warmen Reservoir (12w) oder in einem heißen Reservoir (12h) gespeichert werden kann, wobei die beiden Reservoire über eine Verbindungsleitung 12 und über den ersten Wärmetauscher (35) und im Falle eines Vorhandenseins des zweiten Wärmetauschers über den ersten oder den zweiten Wärmetauscher (38) miteinander verbindbar sind.
Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladekreislauf (13) und der Entladekreislauf (14) durch vollständig voneinander getrennte Leitungssysteme ausgebildet sind.
Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für den Ladekreislauf (13) und den Entladekreislauf (14) vollständig voneinander getrennte Verbindungsleitungen (12d, 12e) vorgesehen sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste thermische Fluidenergie-Maschine (22) an eine elektrische Maschine (M) angeschlossen ist, die von einer Erzeugungseinrichtung für regenerative Energie, insbesondere einer Windkraftanlage (11) gespeist wird.