DE102013004330A1

DE102013004330A1 - Wärmespeicher und Wärmespeicherkraftwerk

Info

Publication number: DE102013004330A1
Application number: DE201310004330
Authority: DE
Inventors: Lars Zoellner; Klaus Knop
Original assignee: Carbon Clean Technologies GmbH
Current assignee: Carbon Clean Technologies GmbH
Priority date: 2013-02-12
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2014-08-14
Also published as: WO2014124747A1

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein elektrisch beheizbarer Wärmespeicher (2) zur Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie in verbrauchsarmen Zeiten und zur Speicherung und zeitversetzten Übertragung der thermischen Energie an ein Arbeitsfluid (13) eines Wärmespeicherkraftwerkes (22, 23), mit wenigstens einem Wärmespeichermodul (1), wobei das Wärmespeichermodul (1) wenigstens einen elektrischen Heizwiderstand und den Heizwiderstand umgebende Strömungskanäle für das Arbeitsfluid (13) des Wärmespeicherkraftwerkes (22, 23) aufweist, wobei der Heizwiderstand durch die Entnahme von elektrischer Energie (25) aus einem Stromnetz bestrombar ist und die elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt und vom Heizwiderstand gespeichert wird, wobei das Arbeitsfluid (13) durch direkte Wärmeübertragung vom Heizwiderstand aufheizbar ist und wobei der Anteil des Wärmeinhalts des wenigstens einen Heizwiderstands am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls (1) wenigstens 30% beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrisch beheizbaren Wärmespeicher zur Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie in verbrauchsarmen Zeiten, insbesondere zur Umwandlung fluktuierend anfallender elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen, wie Wind- und/oder Sonnenenergie, und zur Speicherung und zeitversetzten Übertragung der thermischen Energie an ein Arbeitsfluid eines Wärmespeicherkraftwerkes. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Wärmespeicherkraftwerk mit wenigstens einem Wärmespeicher der zuvor genannten Art.
Die Erschließung und die Nutzbarmachung erneuerbarer regenerativer Energiequellen, wie beispielsweise der Wind- und Sonnenenergie, aber auch der Erdwärme und der Gezeitenenergie, alternativ oder parallel zur konventionellen Energieerzeugung aus fossilen Energieträgern, gewinnt vor dem Hintergrund sich langfristig erschöpfender fossiler Brennstoffe und der Erderwärmung durch Klimagase immer mehr an Bedeutung.
Im Bereich der Nutzung regenerativer Energiequellen zur Stromerzeugung ist von Nachteil, dass die naturgegebene Angebotssituation schwer zu prognostizieren ist und natürlichen Schwankungen unterliegt. Beispielsweise treten aufgrund von witterungs-, tages- oder jahreszeitbedingten Änderungen entweder Energieerzeugungsspitzen oder aber auch Energieerzeugungstäler bei der regenerativen Energieerzeugung auf. Der schwankenden, insbesondere auf witterungs-, tages- oder jahreszeitbedingte Einflüsse zurückzuführenden Stromproduktion steht eine nicht konstante Stromnachfrage durch den Verbraucher gegenüber.
Wird Strom aus regenerativen Energiequellen in ein öffentliches Stromnetz eingespeist, können Energieerzeugungsspitzen und Energieerzeugungstäler zu erheblichen Problemen führen, da die Anpassung der Kraftwerkstechnologie an schwankende in das Stromnetz eingespeiste Strommengen nur unter erheblichem Aufwand möglich sind.
Beispielsweise treten bei der Erzeugung von elektrischer Energie aus Windenergie witterungsbedingte Unabwägbarkeiten der Stromproduktion auf, wobei konventionell betriebene Kraftwerke in Spitzenabnahmezeiten bei Windflaute mit Höchstlast gefahren werden, während beispielsweise in Zeiten, in welchen ausreichend Wind zur Stromerzeugung zur Verfügung steht, die Energieabnahmemengen so gering sein können, dass das Kraftwerk mit Unterlast gefahren werden muss, was zu einem höheren Kohlendioxidausstoß führt. Wenn darüber hinaus Betreiber von Windkraftanlagen den Strom aufgrund einer drohenden Netzüberlastung nicht in das Stromnetz einspeisen können, ist eine Abschaltung der Windkraftanlage geboten, was zu einer Abnahme der Wirtschaftlichkeit beim Betrieb der Windkraftanlage führt.
Im Bereich der Nutzung regenerativer Energiequellen zur Stromerzeugung besteht daher vor dem Hintergrund des Ausgleichs von Erzeugungsspitzen und Erzeugungstälern ein Bedarf nach einem wirtschaftlichen und effizienten Verfahren zum Speichern von regenerativ erzeugter und/oder überschüssiger elektrischer Energie.
Aus der EP 1 577 548 A1 und der EP 1 577 549 A1 sind Verfahren zur Speicherung von Energie und zur Stromerzeugung bekannt, wobei mit aus erneuerbaren Energien, wie Wind- bzw. Sonnenenergie, erzeugter elektrischer Energie ein Wärmespeicher erwärmt wird. Bei Bedarf wird die Wärme im Wärmespeicher genutzt, um Dampf zu erzeugen, der direkt einem thermodynamischen Prozess in einer Dampfturbine zugeführt wird, wobei die Dampferzeugung gegebenenfalls konventionell ergänzt wird. Ein ähnliches Verfahren ist aus der WO 2009/112421 A1 bekannt, wobei bei einer Vorrichtung zur Nutzung von Überkapazitäten im Stromnetz ein Wärmespeicher, ein Heizelement zur Speicherung von Energie aus dem Stromnetz im Wärmespeicher und ein Wärmetauscher mit einer Primärseite und einer Sekundärseite vorgesehen sind, wobei die Primärseite zur Ausspeicherung von Wärme aus dem Wärmespeicher thermisch an den Wärmespeicher angekoppelt ist und wobei die Sekundärseite in eine Kraftwerksanlage geschaltet ist und die Kraftwerksanlage eine Gasturbine umfasst.
Die US 5,384,489 beschreibt eine Vorrichtung, bei der durch Windenergie elektrische Energie erzeugt wird, mit der ein Heizelement betrieben wird, um ein Fluid in einem Speichertank aufzuheizen, sowie eine Vorrichtung, um die gespeicherte Energie aus dem Tank wieder zu entnehmen. Die aus dem Speichertank entnommene Energie wird zur Raumheizung/Raumkühlung, zum Kühlen allgemein, zur Entsalzung, vorzugsweise jedoch für die Dampferzeugung zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmespeicher und ein Wärmespeicherkraftwerk der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei der Wärmespeicher eine geringe Speicherkomplexität aufweisen soll. Der Wärmespeicher und das Wärmespeicherkraftwerk sollen eine einfache und kostengünstige Nutzung von Überkapazitäten im Stromnetz zulassen. Insbesondere soll der Abbau von Überkapazitäten im Stromnetz und das zur Verfügung stellen von elektrischer Leistung bei kurzzeitigen hohen Verbrauchsspitzen möglichst flexible und in möglichst kurzer Zeit möglich sein.
Die vorgenannten Aufgaben werden durch einen elektrisch beheizbaren Wärmespeicher mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 und durch ein Wärmespeicherkraftwerk mit den Merkmalen von Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäße Wärmespeicher weist wenigstens ein Wärmespeichermodul auf, wobei das Wärmespeichermodul wenigstens einen elektrischen Heizwiderstand und den Heizwiderstand umgebende Strömungskanäle für ein Arbeitsfluid des Speicherkraftwerkes aufweist, wobei der Heizwiderstand durch die Entnahme von elektrischer Energie aus einem Stromnetz bestrombar ist und die elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt und vom Heizwiderstand gespeichert wird, wobei das Arbeitsfluid durch direkte Wärmeübertragung vom Heizwiderstand aufheizbar ist und wobei der Anteil des Wärmeinhalts des wenigstens einen Heizwiderstands am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls wenigstens 30%, insbesondere wenigstens 50%, beträgt. Vorzugsweise beträgt der Anteil des Wärmeinhalts des wenigstens einen Heizwiderstands am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls mehr als 60%, weiter vorzugsweise mehr als 70%. Weist das Wärmespeichermodul mehrere Heizwiderstände bzw. Heizleiter auf, beträgt erfindungsgemäß der Anteil des Wärmeinhalts aller Heizwiderstände am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls wenigstens 30%, insbesondere wenigstens 50%, weiter vorzugsweise mehr als 60%, besonders bevorzugt mehr als 70%. Die vorgenannten Werte beziehen sich auf eine (maximale) Speichertemperatur im Bereich zwischen 900°C und 1.300°C, vorzugsweise im Bereich zwischen 1.000°C und 1.200°C, weiter vorzugsweise im Bereich von 1.100°C. Der Wärmeinhalt bzw. die Wärmespeicherkapazität bzw. die thermische Energie des Heizwiderstands ist hierbei definiert als Produkt der spezifischen Wärmekapazität und der Masse des Heizwiderstandes und einer bestimmten Temperatur des Wärmespeichers. In analoger Weise wird der Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls aus den Wärmeinhalten aller Bauteile und Bestandteile des Wärmespeichermoduls bei der bestimmten Temperatur bestimmt, wobei das Wärmespeichermodul insbesondere Einbauten oder ein Schüttgut aus einem von dem Material des Heizwiderstandes abweichenden zweiten Wärmespeichermaterial aufweisen kann. Die Wärmeenergie wird hierbei im SI-Einheitensystem in Joule [J] angegeben.
Das Wärmespeichermodul weist vorzugsweise einen oder auch mehrere Heizwiderstände auf, wobei jeder Heizwiderstand vorzugsweise gebildet wird durch einen hochohmigen Draht oder Stab aus elektrisch-leitfähigem Material, insbesondere aus Eisen oder Stahl, wie Baustahl oder Betonstahl, der als Bewehrung in Stahlbeton eingesetzt wird. Auch können Edelstähle Verwendung finden. Als Material für den Heizwiderstand kann auch eine Chrom-Nickel-Legierung eingesetzt werden. Der Draht oder Stab bildet dann einen Heizleiter des Wärmespeichermoduls. Der Heizwiderstand ist vorzugsweise einteilig ausgebildet, kann aber auch aus mehreren elektrisch miteinander verbundenen Leiterabschnitten bestehen. Darüber hinaus muss der Heizwiderstand nicht als hochohmiger Draht oder hochohmiger Stab ausgebildet sein. Als Heizwiderstand kann beispielsweise auch eine Heizpatrone vorgesehen sein, nämlich eine zylindrische Metallpatrone als Gehäuse mit einer innenliegenden gewendelten Heizwicklung. Wesentlich ist, dass der Heizwiderstand erfindungsgemäß durch Bestromung erwärmt wird und seine Wärme direkt an das Arbeitsfluid abgeben kann.
Jeder Heizwiderstand ist über Anschlusskontakte des Wärmespeichermoduls mit einem Stromnetz verbindbar. Weist das Wärmespeichermodul mehrere Heizwiderstände auf, können diese in einer beliebigen Schaltungsanordnung elektrisch miteinander verbunden sein, wobei grundsätzlich bereits zwei Anschlusskontakte ausreichen, um alle Heizwiderstände eines Wärmespeichermoduls zu bestromen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass bei einer Mehrzahl von Heizwiderständen jeder Heizwiderstand über separate Anschlusskontakte mit dem Stromnetz verbindbar ist.
Das erfindungsgemäße Wärmespeicherkraftwerk weist zur Lösung der vorgenannten Aufgabe dementsprechend wenigstens einen elektrisch beheizbaren Wärmespeicher mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 und wenigstens einen dem Wärmespeicher vorgeschalteten Verdichter zum Komprimieren eines Arbeitsfluides sowie wenigstens eine dem Wärmespeicher nachgeschaltete (Gasexpansions-)Turbine zum Expandieren des im Wärmespeicher erwärmten Arbeitsfluides unter Verrichtung von mechanischer Arbeit auf. Mit einem Generator des Wärmespeicherkraftwerks lässt sich dann die mechanische Arbeit in elektrische Energie umwandeln, um in einfacher Weise und kostengünstig Überkapazitäten im Stromnetz zu nutzen und durch Umwandlung von Strom in Wärme abzubauen, wobei der erfindungsgemäße Wärmespeicher eine sehr schnelle Netzstabilisierung zulässt und sich durch eine geringe Speicherkomplexität auszeichnet. Durch Bestromen des Heizwiderstandes lässt sich elektrische Energie sehr schnell in thermische Energie umwandeln, die dann zeitversetzt in verbrauchsstärkeren Zeiten durch Um- bzw. Überströmen des Heizwiderstandes an ein komprimiertes Arbeitsfluid des Kraftwerksprozesses übertragen wird. Das aufgeheizte Arbeitsfluid kann dann in einer Turbine entspannt werden, um Strom zu erzeugen.
Die Wärmespeicherleistung des Wärmespeichermoduls liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 MWh und 10 MWh, weiter vorzugsweise zwischen 1 MWh und 5 MWh. Dementsprechend kann die Wärmespeicherleistung des Wärmespeichers mehr als 10 MWh, vorzugsweise mehr als 100 MWh, weiter vorzugsweise mehr als 500 MWh, betragen. Die angegebenen Leistungen beziehen sich auf die thermische Speicherkapazität bzw. den Wärmeinhalt des Wärmespeichers bei einer maximalen Speichertemperatur im Bereich zwischen 900°C und 1.300°C, vorzugsweise im Bereich zwischen 1.000°C und 1.200°C, weiter vorzugsweise im Bereich von 1.100°C. Mit einem Leistungsbereich von mehr als 100 MWh tritt das erfindungsgemäße Wärmespeicherkraftwerk in Konkurrenz zu Pumpspeicherkraftwerken und Druckluftspeicherkraftwerken und lässt sich großtechnisch zur Stromerzeugung/-speicherung nutzen. Hierbei zeichnet sich das erfindungsgemäße Wärmespeicherkraftwerk gegenüber Pumpspeicherkraftwerken und Druckluftspeicherkraftwerken durch eine deutlich geringe Anlagenkomplexität aus und ist insbesondere nicht auf das Vorhandensein bestimmter geographischer Gegebenheiten angewiesen, so dass eine im Vergleich zu Pumpspeicherkraftwerken und Druckluftspeicherkraftwerken deutlich günstigere Nutzung von Überkapazitäten im Stromnetz bei hohem Wirkungsgrad, d. h. bei geringen Energieumwandlungsverlusten, möglich ist. Grundsätzlich lässt sich das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem allerdings auch für nicht-großtechnische Anwendungen mit Speicherkapazitäten von unter 20 MWh nutzen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmespeichers ist vorgesehen, dass das Wärmespeichermodul wenigstens ein Formhalteelement aus einem Material mit im Vergleich zum Heizwiderstand geringerer elektrischer Leitfähigkeit zur Stabilisierung des Heizwiderstandes und/oder zur gegenseitigen Isolierung benachbarter Leiterabschnitte des Heizwiderstandes aufweist, wobei der Anteil des Wärmeinhalts des wenigstens einen Formhalteelements am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls erfindungsgemäß weniger als 70%, insbesondere weniger als 50%, beträgt. Das Material, aus dem das Formhalteelement besteht, weist keine oder eine praktisch unbedeutende elektrische Leitfähigkeit auf und dient insbesondere dazu, den Heizwiderstand räumlich zu stützen, zu fixieren und zu stabilisieren. Vorzugsweise sind mehrere Formhalteelemente vorgesehen, wobei dann der Anteil des Wärmeinhalts aller Formhalteelemente am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls weniger als 70%, insbesondere weniger als 50%, beträgt. Die vorgenannten Werte beziehen sich auf die oben genannten maximalen Speichertemperaturen. Dementsprechend kann der Anteil des Wärmeinhalts des wenigstens einen Heizwiderstandes und der Anteil des Wärmeinhalts des wenigstens einen Formhalteelementes ein Verhältnis von größer 1:2, vorzugsweise von größer 1:3, zueinander aufweisen. Vorzugsweise sind jedoch mehrere Formhalteelemente vorgesehen, so dass sich die angegebenen Anteile stets auf den Wärmeinhalt aller Formhalteelemente beziehen.
Das Formhalteelement kann aus Schamotte oder einem sonstigen keramischen Material bestehen. Sind mehrere Formhalteelemente zur Stabilisierung des Heizwiderstandes vorgesehen, können diese steg- oder stabförmig ausgebildet und in mehreren parallelen Ebenen angeordnet sein, wobei zwischen den Formhalteelementen benachbarter Ebenen Öffnungen für insbesondere orthogonal zu den Ebenen verlaufende Leiterabschnitte des Heizleiters gebildet sind. Die Formhalteelemente benachbarter Ebenen können dann zueinander kreuzweise verlaufend angeordnet sein.
Das Material des Heizwiderstandes weist vorzugsweise eine kleinere spezifische Wärmekapazität auf als das Material, aus dem die Formhalteelemente bestehen. Das Material des Heizwiderstandes kann eine spezifische Wärmekapazität von 0,4 kJ/(kgK) bis 0,8 kJ/(kgK) aufweisen, während die spezifische Wärmekapazität des Materials der Formhalteelemente im Bereich zwischen 1,0 kJ/(kgK) und 1,4 kJ/(kgK) liegen kann. Die vorgenannten Werte der spezifischen Wärmekapazitäten sind auf die maximale Speichertemperatur bei der Aufheizung des Arbeitsfluides bezogen, die vorzugsweise im Bereich zwischen 900°C und 1.300°C, vorzugsweise im Bereich zwischen 1.000°C und 1.200°C, weiter vorzugsweise im Bereich von 1.100°C, liegt. Im Vergleich zu dem Material, aus dem die Formhaltelemente bestehen, weist das Material des Heizwiderstandes jedoch eine höhere Dichte auf, so dass der Gewichtsanteil des Heizwiderstandes am Gesamtgewicht des Wärmespeichermoduls größer sein kann als der Gewichtsanteil der Formhalteelemente am Gesamtgewicht, jeweils bezogen auf ein bestimmtes Volumen des Wärmespeichermoduls. Bezogen auf das bestimmte Volumen des Wärmespeichermoduls führt dies zu einem höheren Wärmeinhalt des Heizwiderstandes im Vergleich zum Wärmeinhalt der Formhalteelemente. Damit lässt sich eine geringe Baugröße des erfindungsgemäßen Wärmespeichermoduls bei hoher Wärmespeicherkapazität erreichen.
Um die Bauteilkomplexität des Wärmespeichermoduls zu verringern, kann das Wärmespeichermodul lediglich durch einen stab- oder drahtförmigen Heizleiter als Heizwiderstand und durch eine Mehrzahl von Formhalteelementen gebildet sein. Der Heizleiter kann ein- oder mehrstückig ausgebildet sein und ist über zwei Anschlusskontakte für eine Bestromung an ein Stromnetz anschließbar.
Es ist zweckmäßig, wenn der Heizwiderstand und die Formhalteelemente nicht durch ein isolierendes Gehäuse nach außen abgetrennt sind, so dass der Heizwiderstand und die Formhalteelemente frei vom Arbeitsfluid um- bzw. durchströmbar sind.
Überdies sieht die Erfindung in vorteilhafter Weise vorzugsweise vor, dass der Heizwiderstand zu einem die Geometrie des Wärmespeichermoduls festlegenden Raumgebilde geformt ist. Vorzugsweise ist ein in mehreren Raumrichtungen meanderförmig verlaufender Draht als Heizleiter vorgesehen, wobei dann streifenförmige Formhalteelemente zwischen angrenzenden Leiterabschnitten des Heizleiters angeordnet sein können, um den Heizleiter zu stabilisieren und zu verhindern, dass Leiterabschnitte bei Errichten des Wärmespeicherkraftwerks und/oder im späteren Betrieb verbiegen und eine Kurzschlussverbindung gebildet wird, durch die ein hoher Strom fließen kann, der zu einer Zerstörung des Heizleiters führt. Alternativ zu einem meanderförmig verlaufenden Heizleiter kann dieser wendelförmig ausgebildet sein oder einen sonstigen Verlauf aufweisen. An der Stelle eines Drahtes können auch Stangen aus einem elektrisch leitfähigen Material an den Enden miteinander verbunden werden, so dass sich durchgehender Heizleiter ergibt.
Die Abmessungen des Wärmespeichermoduls werden in diesem Zusammenhang bestimmt durch die Abmessungen des Raumgebildes, das durch gerade und/oder gebogene Abschnitte des Heizleiters geschaffen ist. Es ist zweckmäßig, dass das Raumgebilde eine Kubusform aufweist, so dass sich Wärmespeichermodule in einfacher Weise aufeinanderstapeln lassen. Hierdurch wird zum einen der Transport der Wärmespeichermodule zu einem Errichtungsort des Wärmespeicherkraftwerkes vereinfacht und zum anderen die Möglichkeit geschaffen, den Platzbedarf für den Wärmespeicher am Aufstellungsort durch Stapeln mehrerer Wärmespeichermodule übereinander zu verringern.
Um die Wärmespeicherleistung zu vergrößern und den Transport sowie die Montage zu vereinfachen, ist vorzugsweise ein modularer Aufbau des Wärmespeichers mit einer Mehrzahl elektrisch beheizbarer Wärmespeichermodule vorgesehen, wobei jedes Wärmespeichermodul wenigstens einen separaten elektrischen Heizwiderstand aufweist und der maximale Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichers im Wesentlichen der Summe der Wärmeinhalte aller bestrombaren Wärmespeichermodule entspricht und wobei die Heizwiderstände der Wärmespeichermodule über Anschlusskontakte elektrisch miteinander kontaktierbar sind. Widerstandsverluste der Zuleitungen zu den Speichermodulen, der Ableitung von und der Überleitung zwischen den Speichermodulen sollen hier unberücksichtigt bleiben. Die elektrische Kontaktierung der Wärmespeichermodule erfolgt über Kontaktierungselemente, die die Heizwiderstände der Zellen miteinander verbinden.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Mehrzahl von Wärmespeichermodulen in einer geometrischen Wärmespeicherreihe angeordnet ist, wobei die Heizwiderstände der Wärmespeichermodule der Wärmespeicherreihe in einem elektrischen Schaltkreis in Reihe geschaltet sind. Hierbei werden in Reihe geschaltete Heizwiderstände vom gleichen Strom durchflossen, so dass die Heizwiderstände bei der Bestromung gleich stark erwärmt werden. Der elektrische Gesamtwiderstand der Wärmespeichermodule einer Wärmespeicherreihe entspricht dann der Summe der Einzelwiderstände der Wärmespeichermodule.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht wenigstens einen Schalter zur Steuerung der Beladungszeit einer Mehrzahl von Wärmespeichermodulen durch bedarfsweise Ausbildung einer Reihen- oder Parallelschaltung der Heizwiderstände der Wärmespeichermodule vor. Insbesondere können sich mit dem Schalter mehrere Wärmespeicherreihen bedarfsweise in Reihe oder parallel schalten lassen. Im Übrigen kann wenigstens ein weiterer Schalter vorgesehen sein, der es zulässt, durch bedarfsweise Änderung der Anzahl der bestromten Heizwiderstände bzw. der bestromten Wärmespeichermodule die Gesamtwärmespeicherleistung des erfindungsgemäßen Wärmespeichers zu verändern und zu steuern. Mit anderen Worten, es kann ein Schalter vorgesehen sein, mit dem sich einzelne Wärmespeichermodule bzw. deren Heizwiderstände bedarfsweise an das Stromnetz anschließen bzw. vom Stromnetz trennen lassen, um bedarfsweise mehr oder weniger elektrische Leistung aus dem Stromnetz zu entnehmen und in Wärme umzuwandeln. Es kann eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung vorgesehen sein, die eine weitgehend automatisierte Steuerung und/oder Regelung der Wärmespeicherleistung zulässt.
Der modulare Aufbau des erfindungsgemäßen Wärmespeichers eröffnet die Möglichkeit, dass der Wärmespeicher mehrere voneinander trennbare und nacheinander durchströmbare Durchströmungszellen für das Arbeitsfluid aufweist, wobei jede Durchströmungszelle eine Mehrzahl von Wärmespeichermodulen aufweist und wobei die Wärmespeichermodule einer Durchströmungszelle nachfolgend vom Arbeitsfluid durchströmbar sind. Vorzugsweise wird nachfolgend jeweils lediglich eine Durchströmungszelle vom Arbeitsfluid durchströmt, bis diese Durchströmungszelle entladen ist und die Speichertemperatur der Speichermodule dieser Durchströmungszelle einen vorgegebenen Mindestwert erreicht oder unterschritten hat. Sodann wird die nächste Durchströmungszelle freigegeben und vom Arbeitsfluid durchströmt, während die zuletzt durchströmte entladene Zelle für das Arbeitsfluid gesperrt wird. Die Beladung der Durchströmungszellen durch Bestromung der Wärmespeichermodule kann zeitversetzt zu der Entladung der Durchströmungszellen erfolgen.
Weiterhin zweckmäßig ist es, wenn jede Durchströmungszelle eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Wärmespeicherreihen aufweist, wobei übereinanderliegende Wärmespeichermodule der Wärmespeicherreihen nachfolgend vom Arbeitsfluid durchströmbar sind und wobei die Wärmespeicherreihen mit wenigstens einem Schalter bedarfsweise elektrisch in Reihe oder parallel schaltbar sind und/oder wobei die Anzahl der bestromten Wärmespeicherreihen bedarfsweise veränderbar ist. Hierdurch lassen sich sehr flexibel die Zeitdauer zur Beladung der Wärmespeichermodule und die Wärmespeicherleistung an die vorhandenen Kapazitäten im Stromnetz anpassen.
Vorzugsweise kann zwischen jeweils zwei benachbarten Durchströmungszellen wenigstens ein verstellbares Absperrelement vorgesehen sein, wobei durch das Absperrelement ein Strömungsweg des Arbeitsfluides durch eine Durchströmungszelle freigegeben und durch die andere Durchströmungszelle geschlossen wird. Mehrere Durchströmungszellen können nebeneinanderliegend angeordnet und durch entsprechende Stellung der Absperrelemente nachfolgend vom Arbeitsfluid durchströmbar sein.
Um den Wärmeübergang an die Umgebung möglichst zu minimieren, kann eine die Durchströmungszelle und/oder den Wärmespeicher einhausende Wärmeisolierung vorgesehen sein. Vorzugsweise ist eine alle Durchströmungszellen des Wärmespeichers einhausende gemeinsame Wärmeisolierung vorgesehen. Die Wärmeisolierung kann einen mehrschichtigen Aufbau mit einem zwischen zwei Schichten gebildeten Vakuum aufweisen, so dass ein ungewollter Wärmeübergang möglichst stark reduziert wird.
Da der Heizwiderstand erfindungsgemäß direkt vom Arbeitsfluid umströmt wird, kann es bei hohen Temperaturen im Wärmespeicher zur Korrosion des Heizwiderstandes kommen. Um dem vorzubeugen, kann ein Inertgas, insbesondere Stickstoff, als Arbeitsfluid eingesetzt werden. Dort kann es zweckmäßig sein, das Arbeitsfluid in einem (geschlossenen) Kreislauf zu führen. Dies führt zu geringeren Kosten im Zusammenhang mit der Bereitstellung des Arbeitsfluides und kann dazu beitragen, die Komplexität des Wärmespeicherkraftwerkes zu verringern.
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Wärmespeicher und das erfindungsgemäße Wärmespeicherkraftwerk auszugestalten und weiterzubilden, wobei einerseits auf die abhängigen Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen wird. Die zuvor beschriebenen und anhand der Zeichnung nachfolgend erörterten Merkmale der Erfindung können bedarfsweise miteinander kombiniert werden, auch wenn dies nicht ausdrücklich beschrieben ist.
In der Zeichnung zeigen
1 eine schematische Ansicht eines Wärmespeichermoduls eines Wärmespeichers für ein Wärmespeicherkraftwerk in einer perspektivischen Darstellung schräg von oben,
2 eine schematische Querschnittsansicht des in 1 gezeigten Wärmespeichermoduls,
3 eine schematische Seitenansicht des in 1 gezeigten Wärmespeichermoduls,
4 eine schematische Darstellung einer Wärmespeicherreihe eines Wärmespeichers, wobei die Wärmespeicherreihe eine Mehrzahl von Wärmespeichermodulen aufweist,
5 eine schematische Darstellung einer Durchströmungszelle eines Wärmespeichers mit einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Wärmespeicherreihen,
6, 7 jeweils eine schematische Seitenansicht eines Wärmespeichers mit einer Mehrzahl von nebeneinanderliegend angeordneten und nachfolgend von einem Arbeitsfluid eines Wärmespeicherkraftwerks durchströmbaren Durchströmungszellen,
8 eine schematische Darstellung eines Wärmespeichers der in den 6 und 7 gezeigten Art, wobei das Arbeitsfluid nach Durchströmen des Wärmespeichers einer Gasturbine zugeleitet wird,
9 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Wärmespeicherkraftwerkes mit einem Wärmespeicher der in 8 gezeigten Art und
10 eine alternative Ausführungsform eines Wärmespeicherkraftwerkes mit einem Wärmespeicher der in 8 gezeigten Art.
In 1 ist schematisch ein Wärmespeichermodul 1 eines in den 6 bis 8 näher dargestellten Wärmespeichers 2 gezeigt. Das Wärmespeichermodul 1 weist einen Heizleiter 3 als Heizwiderstand auf, wobei der Heizleiter 3 in den Raumrichtungen X, Y gemäß 1 meanderförmig verlaufend gebogen ist und ein Raumgebilde formt, das die Geometrie und die Dimensionen des Wärmespeichermoduls 1 festlegt. Das Raumgebilde weist vorliegend eine Kubusform auf, kann jedoch grundsätzlich auch eine andere Form aufweisen. Die Kubusform ist jedoch von Vorteil, da sie das Aufeinanderstapeln einer Mehrzahl von Wärmespeichermodulen 1 in einfacher Weise zulässt und dadurch den Transport und die Montage vereinfacht. Der Heizleiter 3 wird gebildet durch einen hochohmigen Draht oder hochohmige an den Enden miteinander verbundene Stangen aus einem elektrisch leitfähigen Material wie Eisen oder Stahl.
Der Heizleiter 3 ist mittels Anschlusskontakten 4, 5, die in 1 lediglich schematisch dargestellt sind und bei denen es sich in der einfachsten Ausbildung um die Enden des Heizleiters 3 handeln kann, mit einem Stromnetz elektrisch kontaktierbar. Zwischen geraden und abgewinkelten Leiterabschnitten des Heizleiters 3 werden Strömungskanäle 6 für ein Arbeitsfluid 13 eines in den 9 und 10 schematisch gezeigten Wärmespeicherkraftwerkes 22, 23 gebildet.
Der Heizleiter 3 ist gemäß 9 und 10 durch die Entnahme von elektrischer Leistung 25 aus einem Stromnetz bestrombar, wobei die elektrische Energie 25 in Wärmeenergie umgewandelt und vom Heizleiter 3 gespeichert wird. Beim zeitversetzten Durchströmen des Wärmespeichermoduls 1 kann dann das Arbeitsfluid 13 des Wärmespeicherkraftwerkes 22, 23 durch direkte Wärmeübertragung vom Heizleiter 3 aufgeheizt werden, wobei der Anteil des Wärmeinhalts des Heizleiters 3 am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls 1 bei einer bestimmten Temperatur im Bereich von 900°C bis 1300°C mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 60%, weiter vorzugsweise mehr als 70%, beträgt. Hierbei ist der Wärmeinhalt des Heizleiters 3 und der Wärmeinhalt der Formhalteelemente 7, 8 jeweils auf das Volumen des Wärmespeichermoduls 1 bezogen, wobei das Wärmespeichermodul 1 vorzugsweise eine Gesamtspeicherkapazität zwischen 0,5 und 2 MWh/m³, insbesondere von ca. 1 MWh/m³, aufweisen kann.
Wie sich aus den 2 und 3 ergibt, wird die räumliche Anordnung des Heizleiters 3 mit elektrisch nicht oder lediglich unwesentlich leitenden Formhalteelementen 7, 8 stabilisiert. Während der Heizleiter 3 vorzugsweise aus Eisen oder Stahl besteht, bestehen die Formhalteelemente 7, 8 beispielsweise aus Schamotte oder einem sonstigen keramischen Material und sind bei der gezeigten Ausführungsform steg- oder stabförmig ausgebildet und in mehreren parallelen Ebenen übereinander angeordnet. Zwischen den Formhalteelementen 7, 8 benachbarter Ebenen werden so Öffnungen 9 für orthogonal zu den Ebenen verlaufende Abschnitte des Heizleiters 3 gebildet. Die Formhalteelemente 7, 8 benachbarter Ebenen sind dabei zueinander kreuzweise verlaufend angeordnet. Der gewählte Aufbau des Wärmespeichermoduls 1 mit einer Mehrzahl von Formhalteelementen 7, 8, die einen meanderförmig verlaufenden Heizleiter 3 umgeben, führt zu einer hohen inneren Oberfläche des Wärmetauschermoduls 1, so dass der Wärmeübergang vom Wärmespeichermodul 1 an ein Arbeitsfluid 13 verbessert und eine sehr schnelle Erwärmung des Arbeitsfluides 13 sichergestellt ist.
Bei der dargestellten Ausführungsform des Wärmespeichermoduls 1 ist es so, dass dieses lediglich durch den Heizleiter 3, die Anschlusselemente 4, 5 (die Bestandteil des Heizleiters 3 sein können) und durch die Formhalteelemente 7, 8 gebildet wird. Die Umhüllende der Anordnung aus Heizleiter 3 und Formhalteelementen 7, 8 ist würfelförmig und kann eine Kantenlänge von ca. 1 m aufweisen. Der metallische Heizleiter 3 stellt einen elektrischen Widerstand in dem Wärmespeichermodul 1 dar, wobei das Material des Heizleiters 3 ein erstes Wärmespeichermaterial und das Material der Formhalteelemente 7, 8 ein zweites Wärmespeichermaterial des Wärmespeichermoduls 1 bildet. Hierbei ist vorgesehen, dass der Anteil des Wärmeinhalts der Formhalteelemente 7, 8 am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls 1 bei einer gegebenen Temperatur weniger als 50% betragen soll.
Wie sich weiter aus den 1 bis 3 ergibt, weist das Wärmespeichermodul 1 keine Isolierung und/oder kein Gehäuse auf, so dass das Wärmespeichermodul 1 vom Arbeitsfluid 13 frei durchströmbar ist.
Das auf das Volumen des Wärmespeichermoduls 1 bezogene Gesamtgewicht des Heizleiters 3 eines Wärmespeichermoduls 1 kann zwischen 3000 kg/m³ und 4.000 kg/m³ betragen, während das ebenfalls auf das Volumen des Wärmespeichermoduls 1 bezogene Gesamtgewicht der Formhalteelemente 7, 8 zwischen 500 kg/m³ und 700 kg/m³ betragen kann.
Wie sich aus 4 ergibt, kann eine Mehrzahl von Wärmespeichermodulen 1 in einer geometrischen Wärmespeicherreihe 10 angeordnet sein, wobei die Heizleiter 3 der Wärmespeichermodule 1 in einem elektrischen Schaltkreis in Reihe geschaltet sind. Hierzu sind die Anschlusselemente 4, 5 benachbarter Wärmetauschermodule 1 elektrisch miteinander verbunden. Das Anschlusselement 4 eines ersten und in 4 links außen dargestellten Wärmespeichermoduls 1 der Wärmespeicherreihe 10 ist mit dem Anschlusselement 5 des letzten Wärmespeichermoduls 1 der Wärmespeicherreihe 10 elektrisch kontaktiert, so dass die Wärmespeicherreihe 10 einen elektrischen Gesamtwiderstand 11 zeigt. Die in Reihe geschalteten Heizleiter 3 werden bei Bestromung der Wärmespeicherreihe 10 vom gleichen Strom durchflossen. Der Gesamtwiderstand 11 der Wärmespeicherreihe 10 ergibt sich aus der Summe der Einzelwiderstände der Wärmespeichermodule 1.
5 zeigt eine Durchströmungszelle 12 des in den 6 bis 8 dargestellten Wärmespeichers 2, die durch eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Wärmespeicherreihen 10 gebildet wird. Bei der gezeigten Ausführungsform kann die Durchströmungszelle 12 insgesamt 5 übereinander gestapelte Wärmespeicherreihen 10 aufweisen, wobei die übereinander angeordneten Wärmespeichermodule 1 der Wärmespeicherreihen 10 nachfolgend von einem Arbeitsfluid 13 von unten nach oben durchströmbar sind. Dies ergibt sich schematisch aus 8, die die Zuleitung des Arbeitsfluides 13 nach Verdichtung mit einem Verdichter 14 über einen Verteiler 15 zeigt, wobei die Zuleitung des Arbeitsfluides 13 von unten über die Wärmetauschermodule 1 der untersten Wärmetauscherreihe 10 erfolgt. Es versteht sich, dass die Zuleitung auch anders verwirklicht sein kann.
Gemäß 5 können mehrere Wärmespeicherreihen 10 einer Durchströmungszelle 12 mit Schaltern 16 bedarfsweise elektrisch in Reihe oder parallel schaltbar sein und/oder es lässt sich die Anzahl der bestromten Wärmespeicherreihen 10 bedarfsweise verändern. Hierdurch können in einfacher Weise die Beladungsdauer der Wärmespeichermodule, dass heißt die zeitliche Dauer der Leistungsaufnahme, bei der eine bestimmte Strommenge in thermische Energie umgewandelt wird, und die Speicherkapazität des Wärmespeichers 2 verändert werden. Gemäß 5 ist ein erstes Wärmespeichermodul 1 einer untersten Wärmespeicherreihe 10 mit einem letzten Wärmespeichermodul 1 einer obersten Wärmespeicherreihe 10 elektrisch kontaktiert. Der resultierende Gesamtwiderstand 17 der Durchströmungszelle 12 hängt davon ab, ob die Wärmespeicherreihen 10 in Reihe oder parallel geschaltet sind. Durch Parallelschaltung der Wärmespeicherreihen 10 nimmt der elektrische Gesamtwiderstand 17 ab, so dass die Dauer der Leistungsaufnahme sinkt.
In den 6 bis 8 ist der Wärmespeicher 2 schematisch gezeigt, wobei der Wärmespeicher 2 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zehn nebeneinanderliegend angeordnete Durchströmungszellen 12 aufweist. Zwischen benachbarten Durchströmungszellen 12 ist jeweils wenigstens ein verstellbares Absperrelement 18 vorgesehen, wobei durch das Absperrelement 18 ein Strömungsweg des Arbeitsfluides 13 durch eine Durchströmungszelle 12 freigegeben und durch die anderen benachbarten Durchströmungszellen 12 geschlossen wird. Gemäß 6 durchströmt das Arbeitsfluid 13 lediglich die in 6 und 7 links außen dargestellte erste Durchströmungszelle 12, wobei durch die Stellung des ersten Absperrelementes 18 zwischen der ersten und zweiten Durchströmungszelle 12 eine Durchströmung der weiteren nachgeschalteten Durchströmungszellen 12 ausgeschlossen wird. Beim Durchströmen mit dem Arbeitsfluid 13 kommt es zur Abkühlung der ersten Durchströmungszelle 12 durch Wärmeübertragung von den Heizwiderständen der Wärmespeichermodule 1 der ersten Durchströmungszelle 12 auf das Arbeitsfluid 13. Wird eine vorgegebene Mindesttemperatur der Wärmeübertragung erreicht, wird das erste Absperrelement 18 gemäß 7 nach oben verstellt, so dass das Arbeitsfluid 13 nachfolgend lediglich durch die zweite Durchströmungszelle 12 strömt und dabei erwärmt wird. Die in Strömungsrichtung nachfolgenden weiteren Absperrelemente 18 der weiteren Durchströmungszellen 12 befinden sich in einer Position, die ein Durchströmen mit dem Arbeitsfluid 13 ausschließt. Sobald die Wärmespeichermodule 1 der zweiten Durchströmungszelle 12 entladen bzw. abgekühlt sind, werden die Wärmespeichermodule 1 der dritten Durchströmungszelle 12 durch Veränderung der Stellung des zwischen der zweiten Durchströmungszelle 12 und der dritten Durchströmungszelle 12 angeordneten Absperrelementes 18 für eine Durchströmung mit dem Arbeitsfluid 13 freigegeben. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis die letzten Durchströmungszelle 12 (in den 6 und 7 ganz rechts außen dargestellt), entsprechend entladen ist. Anschließend ist es erforderlich, die Durchströmungszellen 12 wieder aufzuladen, was durch Bestromung der Heizwiderstände der Wärmespeichermodule 1 erfolgt. Es versteht sich, dass eine Entladung der Durchströmungszellen 12 durch Wärmeübertragung an das Arbeitsfluid 13 und eine Beladung der Durchströmungszellen 12 durch Bestromung nicht voraussetzen, dass alle Durchströmungszellen 12 des Wärmespeichers 2 bereits entladen bzw. beladen sind.
In 8 ist der Wärmespeicher 2 perspektivisch dargestellt, wobei der Wärmespeicher 2 eine Wärmespeicherleistung von mehr als 100 MWh, beispielsweise von 500 MWh, aufweisen kann. Die Wärmespeicherleitung ist bezogen auf die thermische Energie des Wärmespeichers 2 bei einer maximalen Speichertemperatur zwischen 900°C und 1300°C, bis zu der das Arbeitsfluid 13 im Wärmespeicher 2 aufgeheizt werden kann.
Das Arbeitsfluid 13 wird nach dem Durchströmen einer Durchströmungszone 12 über einen Sammler 19 einer Turbine 20 zugeführt, wobei das Arbeitsfluid 13 unter Verrichtung von mechanischer Arbeit expandiert und die mechanische Arbeit mit einem in den 9 und 10 dargestellten Generator 21 in elektrische Energie umgewandelt wird.
Wie sich aus den 6 und 7 ergibt, kann eine die Durchströmungszellen 12 einhausende gemeinsame Isolierung 22 vorgesehen sein, um Wärmeverluste durch ungewollte Wärmeübertragung an die Umgebung zu verringern.
Anhand der 9 und 10 werden mögliche Anlagenkonzepte für ein Wärmespeicherkraftwerk 22, 23 unter Verwendung des Wärmespeichers 2 nachfolgend erläutert.
Bei dem in 9 dargestellten Wärmespeicherkraftwerk 22 wird das Arbeitsfluid 13 in dem Verdichter 14 komprimiert und gelangt anschließend in einen ersten Regenerator 24. Der Regenerator 24 ist zur Vorwärmung des Arbeitsfluides 13 vorgesehen ist. Anschließend durchströmt das vorgewärmte Arbeitsfluid 13 den Wärmespeicher 2, dessen Wärmespeichermodule 1 zuvor durch Entnahme von elektrischer Energie 25 aus einem Stromnetz aufgeheizt worden sind. Beim Durchströmen des Wärmespeichers 2 wird das Arbeitsfluid 13 durch Wärmeübertragung von den Heizleitern 3 und den Formhalteelementen 7, 8 der Wärmespeichermodule 1 des Wärmespeichers 2 entsprechend erwärmt und gelangt anschließend in eine Brennkammer 26. In der Brennkammer 26 kann ein gasförmiger Energieträger 27, wie Erdgas oder Biogas, und/oder ein flüssiger Energieträger 28, wie Methanol, verbrannt werden. Die Verbrennungswärme führt zu einer weiteren Aufheizung des Arbeitsfluides 13, das anschließend in der Turbine 20 unter Verrichtung von mechanischer Arbeit entspannt wird. Die mechanische Arbeit wird mit dem Generator 22 in elektrische Energie 29 umgewandelt, wobei es sich versteht, dass die Entnahme von elektrischer Energie 25 aus dem Stromnetz und die Erzeugung von elektrischer Energie 29 und deren Einspeisung in das Stromnetz zeitversetzt erfolgen, um einen Ausgleich von Überkapazitäten im Stromnetz zu ermöglichen.
Nachdem das Arbeitsfluid 13 in der Turbine 20 entspannt worden ist, durchströmt es einen zweiten Regenerator 30, der dabei aufgeheizt wird. Nach dem Aufheizendes Regenerators 30 werden die Strömungswege zum ersten kalten Regenerator 24 und zum zweiten Regenerator 30 umgeschaltet, so dass das abgekühlte Arbeitsfluid 13 zunächst erneut in den Verdichter 14 gelangt und nach Komprimierung den heißen zweiten Regenerator 30 durchströmt, der nunmehr zur Vorwärmung des Arbeitsfluides 13 dient. Bei der Umschaltung gelangt der erste Regenerator 24 in den Strömungsweg des heißen Arbeitsfluides 13 nach dem Austritt aus der Turbine 20 und wird dabei wieder aufgeladen.
Vorzugsweise sind als Regeneratoren 24, 30 so genannte Pebble Heater vorgesehen.
Wie sich aus 9 weiter ergibt, lässt es das dargestellte Anlagenkonzept zu, einen Teilstrom des Arbeitsfluides 13 über eine in 9 gestrichelt dargestellte Bypassleitung 31 der Brennkammer 26 zuzuführen, um das Temperaturniveau des Arbeitsfluides 13 am Austritt aus der Brennkammer 26 entsprechend zu regulieren.
Das Arbeitsfluid 13 wird in einem geschlossenen Kreislauf geführt, wobei es sich bei dem Arbeitsfluid 13 vorzugsweise um Stickstoff handelt, so dass eine Korrosion der Heizleiter 3 beim Durchströmen des Wärmespeichers 2 mit dem Arbeitsfluid 13 weitgehend ausgeschlossen werden kann.
In 10 ist eine weitere Ausführungsform eines Wärmespeicherkraftwerks 23 gezeigt.
Im Unterschied zu dem in 9 gezeigten Wärmespeicherkraftwerk 22 ist gemäß 10 eine Vorwärmung des Arbeitsfluides 13 mittels Regeneratoren 24, 25 nicht vorgesehen. Stattdessen wird die Restwärme des Arbeitsfluids 13 nach dem Austritt aus der Turbine 20 in einem schematisch dargestellten Dampfkreislauf 32 zur Überhitzung von Dampf genutzt, der in einer Dampfturbine 33 entspannt wird. Die dabei verrichtete mechanische Arbeit wird mit einem weiteren Generator 34 in Strom umgewandelt, der bei hoher Leistungsnachfrage zusammen mit dem bei der Entspannung des Arbeitsfluides 13 in der Turbine 20 erzeugten Strom als elektrische Energie 29 in das Stromnetz eingespeist wird. Der nachgeschaltete Dampfkreislauf 32 ermöglicht eine Nutzung der in dem Arbeitsfluid 13 nach dem Austritt aus der Turbine 20 noch enthaltenen Wärmeenergie zur Stromerzeugung, was zu einem höheren Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung führt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1577548 A1 [0007]
EP 1577549 A1 [0007]
WO 2009/112421 A1 [0007]
US 5384489 [0008]

Claims

Elektrisch beheizbarer Wärmespeicher (2) zur Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie in verbrauchsarmen Zeiten und zur Speicherung und zeitversetzten Übertragung der thermischen Energie an ein Arbeitsfluid (13) eines Wärmespeicherkraftwerkes (22, 23), mit wenigstens einem Wärmespeichermodul (1), wobei das Wärmespeichermodul (1) wenigstens einen elektrischen Heizwiderstand und den Heizwiderstand umgebende Strömungskanäle für das Arbeitsfluid (13) des Wärmespeicherkraftwerkes (22, 23) aufweist, wobei der Heizwiderstand durch die Entnahme von elektrischer Energie (25) aus einem Stromnetz bestrombar ist und die elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt und vom Heizwiderstand gespeichert wird, wobei das Arbeitsfluid (13) durch direkte Wärmeübertragung vom Heizwiderstand aufheizbar ist und wobei der Anteil des Wärmeinhalts des wenigstens einen Heizwiderstands am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls (1) wenigstens 30% beträgt.
Wärmespeicher (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermodul (1) wenigstens ein Formhalteelement (7, 8) aus einem Material mit im Vergleich zum Heizwiderstand geringerer elektrischer Leitfähigkeit zur Stabilisierung des Heizwiderstandes und/oder zur gegenseitigen Isolierung benachbarter Leiterabschnitte des Heizwiderstandes aufweist, wobei der Anteil des Wärmeinhalts des wenigstens einen Formhalteelementes (7, 8) am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls (1) weniger als 70% beträgt.
Wärmespeicher (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwiderstand zu einem die Geometrie des Wärmespeichermoduls (1) festlegenden Raumgebilde geformt ist.
Wärmespeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein modularer Aufbau des Wärmespeichers (2) mit einer Mehrzahl elektrisch beheizbarer Wärmespeichermodule (1) vorgesehen ist, wobei jedes Wärmespeichermodul (1) wenigstens einen separaten elektrischen Heizwiderstand aufweist und der Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichers (2) im wesentlichen der Summe der Wärmeinhalte der Wärmespeichermodule (1) entspricht und wobei die Heizwiderstände der Wärmespeichermodule (1) über Anschlusskontakte (4, 5) elektrisch miteinander kontaktierbar sind.
Wärmespeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Wärmespeichermodulen (1) in einer geometrischen Wärmespeicherreihe (10) angeordnet ist und dass die Heizwiderstände der Wärmespeichermodule (1) der Wärmespeicherreihe (10) in einem elektrischen Schaltkreis in Reihe geschaltet sind.
Wärmespeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schalter (16) zur Steuerung der Beladungszeit einer Mehrzahl von Wärmespeichermodulen (1) durch Ausbildung einer Reihen- oder Parallelschaltung der Heizwiderstände der Wärmespeichermodule (1) vorgesehen ist.
Wärmespeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere voneinander trennbare und nacheinander durchströmbare Durchströmungszellen (12) für das Arbeitsfluid (13) vorgesehen sind, wobei jede Durchströmungszelle (12) eine Mehrzahl von Wärmespeichermodulen (1) aufweist und wobei die Wärmespeichermodule (1) einer Durchströmungszelle (12) nachfolgend vom Arbeitsfluid (13) durchströmbar sind.
Wärmespeicher (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Durchströmungszelle (12) eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Wärmespeicherreihen (10) aufweist, wobei übereinanderliegende Wärmespeichermodule (1) der Wärmespeicherreihen (10) nachfolgend vom Arbeitsfluid (13) durchströmbar sind und wobei die Wärmespeicherreihen (10) mit wenigstens einem Schalter (16) bedarfsweise elektrisch in Reihe oder parallel schaltbar sind und/oder wobei die Anzahl der bestromten Wärmespeicherreihen (10) bedarfsweise veränderbar ist.
Wärmespeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Durchströmungszellen (12) wenigstens ein verstellbares Absperrelement (18) vorgesehen ist, wobei durch Verstellen des Absperrelementes (18) ein Strömungsweg des Arbeitsfluides (13) durch eine Durchströmungszelle (12) freigegeben und durch die benachbarte andere Durchströmungszelle (12) geschlossen wird.
Wärmespeicherkraftwerk (22, 23) ausgebildet zur Entnahme elektrischer Energie (25) aus einem Stromnetz in verbrauchsarmen Zeiten und zur zeitversetzten Abgabe elektrischer Energie (29) bei hoher Leistungsnachfrage, mit wenigstens einem durch Entnahme der elektrischen Energie (25) aus dem Stromnetz elektrisch beheizbaren Wärmespeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem dem Wärmespeicher (2) vorgeschalteten Verdichter (14) zum Komprimieren eines Arbeitsfluides (13) und mit wenigstens einer dem Wärmespeicher (2) nachgeschalteten Turbine (20) zum Expandieren des im Wärmespeicher (2) erwärmten Arbeitsfluides (13) unter Verrichtung von mechanischer Arbeit und mit einem Generator (21) zur Umwandlung der mechanischen Arbeit in elektrische Energie (29).