DE102013006814B4 - Storage system and method for storing and utilizing temporary electrical energy surpluses - Google Patents

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Abstract

Speichersystem und Verfahren zur Speicherung und Verwertung temporärer elektrischer Energieüberschüsse bestehend aus einem als Flüssigkeitserhitzer arbeitenden Wärmepumpensystem, einem Flüssigkeitspufferspeicher und einem Verbraucher thermischer Energie die eingespeiste elektrische Energie als Antriebsenergie für eine oder mehrere Wärmepumpen dient, dadurch die in einer Speicherflüssigkeit enthaltene Wärme auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird und die auf diese Weise bis knapp unterhalb des Siedepunktes erhitzte Flüssigkeit in einem nach dem Schichtspeicherprinzip arbeitenden Flüssigkeitsspeicher bevorratet und als thermische Energie verwertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die heiße Speicherflüssigkeit bei Energiebedarf ausgespeichert wird und als Wärmequelle für eine elektrische Energiegewinnung mittels einer zwischen einem höheren und tieferen Temperaturniveau arbeitenden Wärme-Kraftmaschine, vorzugsweise einer Organic-Rankine-Cycle-Anlage (ORC) dient.Storage system and method for storing and utilizing temporary electrical energy surpluses consisting of a heat pump system working as a liquid heater, a liquid buffer storage and a consumer of thermal energy, the electrical energy fed in serves as drive energy for one or more heat pumps, thereby bringing the heat contained in a storage liquid to a higher temperature level and the liquid heated in this way to just below the boiling point is stored in a liquid storage system that works according to the stratified storage principle and is used as thermal energy, characterized in that the hot storage liquid is stored when energy is required and as a heat source for electrical energy generation by means of a between a higher and lower temperature level working heat engine, preferably an organic Rankine cycle system (ORC) is used.

Description

Die Erfindung betrifft ein Speichersystem und ein Verfahren zur Speicherung und Verwertung für temporäre Elektro-Energieüberschüsse, insbesondere aus Windkraftanlagen oder anderen unregelmäßig Energie liefernden Energiequellen.The invention relates to a storage system and a method for storing and utilizing temporary electrical energy surpluses, in particular from wind turbines or other energy sources that deliver energy irregularly.

Die gespeicherte Energie kann bei Energiebedarf als Elektroenergie oder/und als thermische Energie abgegeben werden. Die Speicherung der Energie erfolgt in Flüssigkeiten, hauptsächlich konzentrierten, wässrigen Lösungen anorganischer Salze, welche durch die eingespeiste Energie auf ein höheres Temperaturniveau angehoben werden und anschließend in thermisch isolierten Flüssigkeitsspeichern längere Zeit bevorratet werden.The stored energy can be released as electrical energy and / or thermal energy when there is a need for energy. The energy is stored in liquids, mainly concentrated, aqueous solutions of inorganic salts, which are raised to a higher temperature level by the energy fed in and are then stored for a longer period in thermally insulated liquid storage tanks.

Bei Energiebedarf wird die als Enthalpie einer Flüssigkeit gespeicherte Energie wieder in Elektroenergie zurückverwandelt oder aber als thermische Energie für Heizzwecke abgegeben.When there is a need for energy, the energy stored as the enthalpy of a liquid is converted back into electrical energy or released as thermal energy for heating purposes.

Die Speicherung von unregelmäßig anfallenden Energiemengen gewinnt durch die vermehrte Anwendung erneuerbarer Energien, insbesondere aus Windkraftanlagen zunehmend an Bedeutung, da diese Energie in wechselnder Menge und nicht konform zum Bedarf anfällt.The storage of irregularly occurring amounts of energy is becoming increasingly important due to the increased use of renewable energies, in particular from wind turbines, since this energy is generated in varying amounts and not in line with demand.

Die bisher verbreitetste Möglichkeit der Energiespeicherung solcher Energiemengen sind Pumpspeicher, die bei Energieüberschuss Flüssigkeiten, hauptsächlich Wasser von einem tieferen Niveau auf ein höheres Niveau pumpen, dadurch die aufgewendete Energie als potenzielle Energie speichern und bei Energiebedarf die gespeicherte Energie als Elektroenergie zurückgewinnen, indem in kurzer Zeit große Wassermengen vom höher gelegenen Becken (Oberbecken) über eine Druckleitung einer Turbine mit Generator zugeführt werden und in ein tiefer gelegenes unteres Becken (Unterbecken) abgelassen werden.The most widespread possibility of energy storage of such amounts of energy so far are pump storage, which pump liquids, mainly water, from a lower level to a higher level when there is excess energy, thereby storing the energy used as potential energy and, when there is a need, recovering the stored energy as electrical energy by quickly Large amounts of water are fed from the higher basin (upper basin) via a pressure line to a turbine with generator and drained into a lower lower basin (lower basin).

Bei Pumpspeichern wird die aufgewendete Elektroenergie dazu verwendet, die potenzielle Energie einer Flüssigkeit zu erhöhen, wozu aber möglichst große Höhenunterschiede engräumig vorhanden sein müssen, die in der Regel nur in gebirgigen Gegenden vorliegen.In pumped storage, the electrical energy used is used to increase the potential energy of a liquid, but for this purpose the greatest possible height differences must be present, which are usually only present in mountainous areas.

Außer der Anlage von Ober- und Unterbecken mit natürlichen Niveaudifferenzen besteht nach DE 19720700 A1 auch die Möglichkeit die Niveaudifferenzen von Bergwerksanlagen zur Energiespeicherung zu nutzen.In addition to the construction of upper and lower basins with natural level differences, there is still DE 19720700 A1 also the possibility of using the level differences of mining systems for energy storage.

Diese weitere Möglichkeit der Energiespeicherung nach dem Prinzip des Pumpspeichers wurde vorgeschlagen, bei der die Höhendifferenz zwischen übertägigen und untertägigen Bergwerksteilen für das Anlegen von Flüssigkeitsspeichern mit ausreichenden Niveaudifferenzen genutzt werden soll. Insbesondere in geeigneten stillgelegten Bergwerken soll die geodätische Höhendifferenz zwischen Tagesoberfläche und tieferen Bergwerksteilen genutzt und die Energiespeicherung in Form von potenzieller Energie von Flüssigkeiten zwischen höher gelegenen und möglichst tiefer liegenden Reservoirs erfolgen. Auch diese Form der Energiespeicherung ist an das Vorhandensein von großen Niveauunterschieden auf engem Raum gebunden.This further possibility of energy storage according to the principle of pump storage was proposed, in which the height difference between surface and underground mine parts is to be used for the creation of liquid storage facilities with sufficient level differences. Particularly in suitable closed mines, the geodetic height difference between the surface and deeper parts of the mine should be used and the energy should be stored in the form of potential energy from liquids between higher and lower-lying reservoirs. This form of energy storage is also linked to the existence of large differences in level in a small space.

Eine weitere Möglichkeit der Speicherung von überschüssiger Energie ist die Erhöhung des Druckes von komprimierter Luft oder anderen Gasen, der Einspeicherung der komprimierten Gase in einen Druckspeicher und die Rückverwandlung der Druckenergie in Elektroenergie durch eine Entspannungsturbine mit Generator. Diese Form der Energiespeicherung setzt das Anlegen oder Vorhandensein großräumiger druckfester Speicherhohlräume und die Beherrschung der beim Komprimieren des Gases auftretenden beträchtlichen Wärmemengen und beim Entspannen die Beherrschung der adiabatischen Abkühlung des Gases voraus. Auch dafür werden Speicherkavernen im Salz oder sonstige bergbauliche Hohlräume genutzt oder vorgeschlagen zum Stand der Technik gehört auch ein anderes Speicherverfahren für temporäre Energieüberschüsse, welches weder Flüssigkeitsreservoire auf stark unterschiedlichen geodätischen Niveaus noch einen Druckspeicher für Gase benötigt. Solche Energiespeichersysteme arbeiten polytherm und betreffen Prozesse zur Speicherungtemporärer eletrischer Energieüberschüsse, welche aus einem Flüssigkeitserhitzer in Form eines Wärmepumpensystems einem Flüssigkeitsspeicher als Puffer und einem Verbraucher thermischer Energie. Entsprechende Speichersysteme sind in den US-Patent US 2013/0118 170 A1 , US 2011/0204 655 A1 und US 2012/0006 023 A1 beschrieben. Die eingespeiste elektrische Energie dient als Antriebsenergie für einen oder mehrere Wärmepumpen welche die in einer Speicherflüssigkeit enthaltene Wärme auf ein höheres Temperaturniveau bis knapp unterhalb des Siedepunktes bringen und die Energie in dieser Form in einem nach dem Schichtspeicherprinzip arbeitenden Flüssigkeitsspeicher bevorratet und als thermische Energie verwertet wird.Another way of storing excess energy is to increase the pressure of compressed air or other gases, store the compressed gases in a pressure storage device and convert the pressure energy back into electrical energy using an expansion turbine with a generator. This form of energy storage requires the creation or presence of large-scale pressure-resistant storage cavities and the control of the considerable amounts of heat that occur when the gas is compressed and, when releasing the pressure, the control of the adiabatic cooling of the gas. Storage caverns in the salt or other mining cavities are also used for this purpose, or another storage method for temporary energy surpluses is proposed in the state of the art, which neither requires liquid reservoirs at widely different geodetic levels nor a pressure storage device for gases. Such energy storage systems work polytherm and relate to processes for the storage of temporary electrical energy surpluses, which consist of a liquid heater in the form of a heat pump system, a liquid storage device as a buffer and a consumer of thermal energy. Corresponding storage systems are in the US patent US 2013/0118 170 A1 , US 2011/0204 655 A1 and US 2012/0006 023 A1 described. The electrical energy fed in serves as the drive energy for one or more heat pumps, which bring the heat contained in a storage fluid to a higher temperature level to just below the boiling point and the energy in this form is stored in a fluid storage system that works according to the stratified storage principle and is used as thermal energy.

Insbesondere soll die gespeicherte Energie entweder als nutzbare sekundäre Elektroenergie oder auch als für Heizzwecke nutzbare Wärmeenergie unabhängig von dem schwankenden Energieanfall aus der Energieerzeugung abgegeben werden können. Prinzipiell wird bei bekannten als auch beim erfindungsgemäßen Verfahren den Wärmeinhalt einer Flüssigkeit von einem tieferen auf ein höheres Temperaturniveau zu heben und bei Energiebedarf dieses höhere Temperaturniveau unter Energierückgewinnung wieder abzusenken. Bei diesem Speicherprinzip wird nicht die Flüssigkeit selbst, sondern der in ihr enthaltene Wärmeinhalt auf ein höheres Niveau gehoben. Obwohl es denkbar wäre, elektrische Energie nach dem Tauchsiederprinzip direkt zur Flüssigkeitserwärmung einzusetzen, lassen sich erheblich höhere Wirkungsgrade durch elektrisch angetriebene Wärmepumpen erreichen. Ziel und Aufgabe dieser Erfindung ist ein Speichersystem und ein Speicherverfahren, welches sich unter beliebigen geodätischen Bedingungen und für extrem hohe Energieflüsse und lauge Speicherdauer anwenden lässt.In particular, the stored energy should be able to be emitted either as usable secondary electrical energy or also as thermal energy that can be used for heating purposes, regardless of the fluctuating energy accumulation from energy generation. In principle, in the known method as well as in the method according to the invention, the heat content of a liquid is raised from a lower to a higher temperature level and at Energy requirement to lower this higher temperature level with energy recovery. With this storage principle, it is not the liquid itself, but the heat it contains that is raised to a higher level. Although it would be conceivable to use electrical energy according to the immersion heater principle directly to heat the liquid, significantly higher degrees of efficiency can be achieved with electrically driven heat pumps. The aim and object of this invention is a storage system and a storage method which can be used under any geodetic conditions and for extremely high energy flows and long storage times.

Das erfindungsgemäße Speicherverfahren besteht folglich aus einer sehr leistungsfähigen Wärmepumpe, einem thermisch isolierten großvolumigen Flüssigkeitspufferspeicher und einem Wärmeverbraucher, der die gespeicherte thermische Energie zurückgewinnt. Dieser Wärmeverbraucher kann eine Wärmekraftmaschine, etwa ein so genannter Organic Rankine Cycle (ORC) oder/und ein thermischer Verbraucher sein. Im ersten Fall wird die als thermische Energie (Enthalpie) gespeicherte Energie als Elektroenergie zurückgewonnen, wenn auch mit Wirkungsgradverlusten oder bei Verwendung der eingespeicherten Energie für Heizzwecke direkt als nutzbare Wärmeenergie.The storage method according to the invention consequently consists of a very powerful heat pump, a thermally insulated large-volume liquid buffer store and a heat consumer that recovers the stored thermal energy. This heat consumer can be a heat engine, for example a so-called Organic Rankine Cycle (ORC) and / or a thermal consumer. In the first case, the energy stored as thermal energy (enthalpy) is recovered as electrical energy, albeit with a loss of efficiency or when the stored energy is used for heating purposes directly as usable thermal energy.

Die aus nicht stationär arbeitenden Energieerzeugungsanlagen wie Windkraftanlagen temporär verfügbare Elektroenergie treibt eine für große Wärmemengen geeignete Wärmepumpe an. Das Wärmepumpensystem verbraucht Elektroenergieüberschüsse und verwendet diese als Antriebsleistung für das Pumpen von Wärme auf ein höheres Niveau. Gleichzeitig wird einem Medium Wärme entzogen und dieses abgekühlt. Die erzeugte heiße Flüssigkeit mit höherem Temperaturniveau wird in einem möglichst großvolumigen Pufferspeicher gespeichert, optional auch die abgekühlte Flüssigkeit, der Wärme entzogen wurde, in einem zweiten Speicher. Die elektrische Energie führt folglich zur Spreizung der Temperatur zweier Flüssigkeiten, die sich bei Eintritt eines Energiebedarfs unter Abgabe von Nutzenergie wieder rückgängig machen lässt. Je nachdem, ob diese Nutzenergie als thermische Heizenergie abgegeben oder als elektrische Leistung genutzt werden soll, wird aus dem Hochtemperaturpufferspeicher heiße Wärmeträgerflüssigkeit entnommen oder aber damit eine umgekehrt wie die Wärmepumpe arbeitende Wärmekraftmaschine, vorzugsweise ein ORC-System beheizt und dabei elektrische Energie erzeugt. Die Kühlung des ORC-Systems übernimmt erfindungsgemäß die abgekühlte und ebenfalls zwischengespeicherte Flüssigkeit.The electrical energy that is temporarily available from non-stationary energy generation systems such as wind turbines drives a heat pump that is suitable for large amounts of heat. The heat pump system consumes excess electrical energy and uses it as drive power for pumping heat to a higher level. At the same time, heat is extracted from a medium and cooled down. The hot liquid generated with a higher temperature level is stored in a buffer store with the largest possible volume, optionally also the cooled liquid, from which heat was extracted, in a second store. The electrical energy consequently leads to a spread in the temperature of two liquids, which can be reversed when an energy demand occurs, releasing useful energy. Depending on whether this useful energy is to be emitted as thermal heating energy or used as electrical power, hot heat transfer fluid is taken from the high-temperature buffer storage or a heat engine that works in reverse to the heat pump, preferably an ORC system, is heated and electrical energy is generated. According to the invention, the cooling of the ORC system is carried out by the cooled and also temporarily stored liquid.

Als Arbeitsflüssigkeit für die Wärme-/Kältespeicherung könnte prinzipiell Wasser verwendet werden, jedoch wären dabei der nutzbare Temperaturbereich und das realisierbare Speichervolumen beschränkt. Es wurde gefunden, dass konzentrierte Salzlösungen sich besser eignen, da deren Siedepunkt bis zu 120 °C beträgt und die ohne Eisbildung weit unter 0 °C gekühlt werden können, also bei drucklosem Arbeiten eine deutlich größere Temperaturspreizung gestatten als Wasser. Solche Salzlösungen sind binäre oder mehrkomponentige Lösungen beispielsweise von NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2 und Wasser. Diese sind leicht herstellbar, preiswert und stapelbar.In principle, water could be used as the working fluid for heat / cold storage, but the usable temperature range and the realizable storage volume would be limited. It has been found that concentrated salt solutions are more suitable because their boiling point is up to 120 ° C and can be cooled well below 0 ° C without ice formation, i.e. allow a significantly greater temperature spread than water when working without pressure. Such salt solutions are binary or multi-component solutions, for example of NaCl, KCl, MgCl 2 , CaCl 2 and water. These are easy to manufacture, inexpensive and stackable.

Ebenso ist wie bei Wasser ein ausgeprägter Dichte-Temperatur-Gradient vorhanden, wodurch spezifisch leichtere heiße Salzlösung sich in einem Schichtspeicher ohne Vermischung über spezifisch schwererer kälterer Lösung speichern lässt. Solche Salzlösungen lassen sich analog Heißwasser in großen Tanks aus Stahl oder GFK speichern, deren Größe 103 bis 104 Kubikmeter und mehr betragen kann, ebenerdige Aufstellung erlauben und nicht besondere Geländeformen voraussetzen und in Batterien aus mehreren Tanks errichtet werden können.As with water, there is a pronounced density-temperature gradient, which means that specifically lighter hot salt solutions can be stored in a stratified storage tank without mixing over specifically heavier colder solutions. Such salt solutions can be stored analogously to hot water in large tanks made of steel or GRP, the size of which can be 10 3 to 10 4 cubic meters and more, allow level installation and do not require special terrain and can be built in batteries from several tanks.

Da die Diskontinuität des Energieanfalles bei Windparks Speicherkapazitäten im Bereich mehrerer Gigawattstunden erforderlich macht, sollte die Dimension des oder der Pufferspeicher möglichst groß bemessen werden können. Für den Gigawattbereich eignen sich flüssigkeitsdichte bergwerkliche Hohlräume oder ausgesolte Kavernen in Steinsalzformationen die stabil und ohne größeren Überdruck, jedoch unter Nutzung des hydrostatischen Druckes, zur Einspeicherung von bis zu 120 °C heißer Salzlösung bzw. auch zur Einspeicherung kalter Lösung verwendbar sind und deren Volumen bis zu 105 oder 106 Kubikmeter betragen kann.Since the discontinuity of the energy accumulation in wind farms requires storage capacities in the range of several gigawatt hours, the size of the buffer storage (s) should be as large as possible. For the gigawatt range, liquid-tight mine cavities or solubilized caverns in rock salt formations are suitable, which are stable and without major overpressure, but using hydrostatic pressure, for storing up to 120 ° C hot salt solution or for storing cold solution and their volume up to can be to 10 5 or 10 6 cubic meters.

Einzige Bedingung ist, dass die als Wärmespeicherflüssigkeit verwendete Flüssigkeit möglichst weitgehend an Natriumchlorid gesättigt ist und keine unzulässigen Auflöseerscheinungen des Halitflözes unter Tage eintreten können. Da eine gesättigte NaCI-Sole nur einen geringen Temperatur-Löslichkeitskoeffizienten hat, so ist die Löslichkeit von NaCI bei höherer Temperatur ähnlich der Löslichkeit bei tieferer Temperatur und mögliche Auflöseerscheinungen von Salzgestein halten sich in Grenzen. Analog differiert die NaCl-Löslichkeit in hochkonzentrierter MgCl2-Lösung sowohl absolut als relativ nur geringfügig mit der Temperatur, wodurch die Verwendbarkeit von MgCl2-Lösungen als Speicherflüssigkeit ebenso in Kavernenspeichern für den sicheren Langzeitbetrieb von Speicherhohlräumen im Steinsalz gleichfalls möglich ist.The only condition is that the liquid used as heat storage fluid is as largely saturated as possible in sodium chloride and that no inadmissible signs of dissolution of the halite seam can occur underground. Since a saturated NaCl brine has only a low temperature solubility coefficient, the solubility of NaCl at a higher temperature is similar to the solubility at a lower temperature and possible dissolution phenomena of salt rock are limited. Similarly, the NaCl solubility in highly concentrated MgCl 2 solution differs both absolutely and relatively only slightly with temperature, which means that MgCl 2 solutions can also be used as storage fluid in cavern storage facilities for the safe long-term operation of storage cavities in rock salt.

Die einfachste Form der Umwandlung von eingespeister Energie in speicherbare Wärme durch Anhebung des Temperaturniveaus einer Speicherflüssigkeit ist die direkte Erwärmung. Höhere energetische Wirkungsgrade sind jedoch erreichbar, wenn die eingespeiste Energie zum „Pumpen“ von Wärme auf ein höheres Niveaumit einem Wärmepumpensystem dient.The simplest form of converting energy fed into the system into storable heat by raising the temperature level of a Storage fluid is direct heating. However, higher energetic efficiencies can be achieved if the energy fed in is used to “pump” heat to a higher level with a heat pump system.

Natürlich können auch beide Methoden der Temperaturerhöhung von Speicherflüssigkeiten miteinander kombiniert werden. Vorzuziehen aus Sicht des erreichbaren Wirkungsgrades sind sowohl für die spätere Reaktivierung der gespeicherten Energie als Elektroenergie als auch als thermische Energie mehrstufige leistungsfähige Wärmepumpen.Of course, both methods of increasing the temperature of storage fluids can also be combined with one another. From the point of view of the achievable efficiency, multi-stage, high-performance heat pumps are preferable both for the subsequent reactivation of the stored energy as electrical energy and as thermal energy.

Die Anwendung des Erfindungsgedankens - Nutzung temporärer Energieüberschüsse durch Wärmepumpensysteme zur Temperaturspreizung von geeigneten Speicherflüssigkeiten - vornehmlich Salzlösungen, deren Bevorratung in Flüssigkeitspufferspeichern, die als Schichtspeicher ohne Einbauten arbeiten und deren Entnahme im Bedarfsfall, gestattet wie bereits ausgeführt einerseits die Bereitstellung heißer Lösung für Heizzwecke als auch die Bereitstellung sekundärer Elektroenergie über eine an sich bekannte Energieerzeugung mittels Wärmekraftmaschine, die zwischen einem höheren und einem tieferen Temperaturniveau arbeitet.The application of the concept of the invention - use of temporary energy surpluses by heat pump systems to spread the temperature of suitable storage fluids - primarily salt solutions, their storage in liquid buffer stores that work as stratified storage tanks without built-in components and their removal if necessary, allows, as already stated, on the one hand, the provision of hot solution for heating purposes as well as the Provision of secondary electrical energy via a per se known energy generation by means of a heat engine that works between a higher and a lower temperature level.

Insbesondere die durch die Erfindung mögliche Bevorratung von mittels Wärmepumpen erzeugter heißer Speicherflüssigkeit in unterirdischen Hohlräumen in Salzformationen in Form von Kavernen, Kammern oder sonstigen bergwerklichen Hohlräumen im Steinsalz lässt eine wirtschaftliche Nutzung temporärer Energieüberschüsse z. B. aus Windparks für die Wärmelieferung an Fernwärmenetze nahegelegener Siedlungen und Städte aussichtsreich erscheinen. Die Möglichkeit, die durch Wärmepumpen temperaturseitig gespreizte Speicherenergie in sekundären elektrischen Strom rückzuverwandeln, gestattet prinzipiell einen ganzjährigen Betrieb.In particular, the possible storage of hot storage liquid generated by means of heat pumps in underground cavities in salt formations in the form of caverns, chambers or other mining cavities in rock salt allows an economical use of temporary energy surpluses z. B. from wind farms for the supply of heat to district heating networks in nearby settlements and cities appear promising. The possibility of converting the storage energy spread on the temperature side by heat pumps back into secondary electricity, basically allows year-round operation.

Welche Art der Speicherflüssigkeit und welcher Typ und Größe des Flüssigkeitsspeichers zweckmäßig ist, hängt vom angestrebten Leistungsbereich und der gewünschten Nutzung der gespeicherten Energie ab.Which type of storage liquid and which type and size of the liquid storage is appropriate depends on the desired performance range and the desired use of the stored energy.

Dabei sind folgende Fälle typisch:The following cases are typical:

1) Leistungsbereich 1 bis 10 Megawatt - Nutzung als Elektroenergie - Speicherflüssigkeit: Salzlösung oder Wasser - Speichertyp: druckloser Tankspeicher für heiße Medien druckloser Tankspeicher für kalte Medien (Kühlmittel) - Art der Wärmeerzeugung: Wärmepumpe oder/und elektrische Direktheizung - Wärmequelle: erwärmtes Kühlmittel - Art der Energienutzung: Erzeugung sekundärer Elektroenergie 1) Output range 1 to 10 megawatts - use as electrical energy - Storage fluid: Saline solution or water - Storage type: pressureless tank storage for hot media pressureless tank storage for cold media (coolant) - Type of heat generation: Heat pump and / or electrical direct heating - heat source: heated coolant - Type of energy use: Generation of secondary electrical energy

2) Leistungsbereich 1 bis 10 Megawatt - Nutzung als Heizenergie - Speicherflüssigkeit: Salzlösung oder Wasser - Speichertyp: druckloser Tankspeicher für heiße Medien (Kühlmittelspeicher entfällt) - Art der Wärmeerzeugung: Wärmepumpe - Wärmequelle: Fließgewässer oder stehende Gewässer - Art der Energienutzung: thermische Energie für Heizzwecke 2) Output range 1 to 10 megawatts - use as heating energy - Storage fluid: Saline solution or water - Storage type: pressureless tank storage for hot media (no coolant storage required) - Type of heat generation: Heat pump - heat source: Running water or standing water - Type of energy use: thermal energy for heating purposes

3) Leistungsbereich 100 Megawatt bis > 1 Gigawatt - Nutzung als Elektroenergie - Speicherflüssigkeit: Salzlösung - Speichertyp: Kavernenspeicher in Steinsalzformationen für heiße und kalte Medien - Art der Wärmeerzeugung: Wärmepumpe - Wärmequelle: erwärmtes Kühlmittel - Art der Energienutzung: Erzeugung sekundärer Elektroenergie 3) Power range 100 megawatts to> 1 gigawatt - use as electrical energy - Storage fluid: Saline solution - Storage type: Cavern storage in rock salt formations for hot and cold media - Type of heat generation: Heat pump - heat source: heated coolant - Type of energy use: Generation of secondary electrical energy

4) Leistungsbereich 100 Megawatt bis > 1 Gigawatt - Nutzung als Heizenergie - Speicherflüssigkeit: Salzlösung - Speichertyp: Kavernenspeicher in Steinsalzformationen für heiße (Kühlmittelspeicher entfällt) - Art der Wärmeerzeugung: Wärmepumpe- Wärmequelle: Fließgewässer oder stehende Gewässer - Art der Energienutzung: thermische Energie für Heizzwecke (saisonale Energieversorgung von Fernheizsystemen) 4) Power range 100 megawatts to> 1 gigawatt - use as heating energy - Storage fluid: Saline solution - Storage type: Cavern storage in rock salt formations for hot (no coolant storage required) - Type of heat generation: Heat pump heat source: flowing water or standing water - Type of energy use: thermal energy for heating purposes (seasonal energy supply for district heating systems)

Die Erfindung wird durch 3 Beispiele erläutert.The invention is illustrated by 3 examples.

Beispiel 1:Example 1:

Das in 1 dargestellte Gesamtsystem besteht aus einer Wärmepumpe (WP) und einer Wärmekraftmaschine (WKM). Beim Einspeisen von Energie wird diese über den Motor (M) zum Antrieb der Wärmepumpe (WP) verwendet und thermische Energie über einen Wärmeüberträger an die Speicherflüssigkeit Salzlösung übertragen. Gleichzeitig wird Salzlösung abgekühlt. Heiße und kalte Flüssigkeit werden in Salzlösungsschichtspeichern eingespeichert. Die Energieentnahme erfolgt umgekehrt. Die Wärmekraftmaschine (WKM) wird mit heißer Speicherflüssigkeit gespeist und gibt ihre Energie an den Generator (G) ab. Durch die in 1 dargestellte Anordnung, deren Betrieb durch Steuermodule und Temperatursensoren überwacht wird, wird ein reversibler Betrieb gewährleistet.This in 1 The overall system shown consists of a heat pump (WP) and a heat engine (WKM). When energy is fed in, it is used via the motor (M) to drive the heat pump (WP) and thermal energy is transferred to the salt solution storage fluid via a heat exchanger. At the same time, saline solution is cooled. Hot and cold liquids are stored in salt solution storage tanks. The energy is drawn in reverse. The heat engine (WKM) is fed with hot storage fluid and transfers its energy to the generator (G). The in 1 The arrangement shown, the operation of which is monitored by control modules and temperature sensors, ensures reversible operation.

Die bereitgestellte überschüssige Energie wird als Elektroenergie in das aus zweckmäßig mehreren in Kaskadenschaltung angeordneten Wärmepumpen mit mehreren Verdichterstufen eingespeist und als Antriebsleistung der Verdichter verbraucht. Die Wärmepumpen pumpen in der in 2 dargestellten Art und Weise Wärme vom tieferen Temperaturniveau des Speichers für Kühlflüssigkeit auf das Temperaturniveau des Heißlösungspufferspeichers und kühlen dabei die Kühlflüssigkeit des Speichers ab und füllen den Heißlösungsspeicher bis zum maximalen Speicherinhalt mit heißer Salzlösung.The excess energy provided is fed as electrical energy into the heat pumps with several compressor stages, which are expediently arranged in a cascade circuit, and used as the drive power of the compressor. The heat pumps in the in 2 The manner shown, heat from the lower temperature level of the storage tank for cooling liquid to the temperature level of the hot solution buffer storage unit and thereby cool the cooling liquid of the storage unit and fill the hot solution storage unit up to the maximum storage capacity with hot saline solution.

Das Wärmepumpensystem besteht zweckmäßig wegen der großen zu überbrückenden Temperaturspanne aus mehreren, beispielsweise 2 - 3 Einzelstufen, jeweils bestehend aus Verdichter, Verflüssiger bzw. Verdampfer und einem Expansionsventil. In den mittleren Stufen sind die benachbarten Wärmepumpenkreisläufe wie in 3 dargestellt hintereinander geschaltet und mittels eines als Verflüssiger der ersten und gleichzeitig Verdampfer der zweiten Stufe arbeitenden Wärmeaustauscher ausgeführt.Due to the large temperature range to be bridged, the heat pump system expediently consists of several, for example 2-3, individual stages, each consisting of a compressor, condenser or evaporator and an expansion valve. In the middle stages, the neighboring heat pump circuits are as in 3 shown connected in series and carried out by means of a heat exchanger working as a condenser of the first and at the same time evaporator of the second stage.

Dieses an sich bekannte System der Wärmepumpenkaskadenschaltung überbrückt dabei Temperaturen von 100 und mehr Kelvin, indem die von der ersten Stufe aufgenommene Wärme an die folgende thermisch höhere Stufe abgegeben und aus der letzten Stufe an den Heißlösungsspeicher abgegeben wird. Soll nur sekundäre Elektroenergie erzeugt werden, wird im Bedarfsfall heiße Flüssigkeit aus dem Speicher entnommen und zur Beheizung des WKM-Systems, welches umgekehrt arbeitet wie das in 2 dargestellte Wärmepumpensystem, eingesetzt.This known system of the heat pump cascade connection bridges temperatures of 100 and more Kelvin by releasing the heat absorbed by the first stage to the following, thermally higher stage and releasing it from the last stage to the hot solution reservoir. If only secondary electrical energy is to be generated, hot liquid is taken from the storage tank if necessary and used to heat the WKM system, which works in reverse to that in 2 heat pump system shown, used.

Die Kühlung der Wärmekraftmaschine, beispielsweise eine ORC-Anlage, übernimmt die aus dem Speicher entnommene Kühlflüssigkeit, die nach Wiedererwärmung wieder als Wärmequelle für den Wärmepumpenbetreib bereitsteht. Sowohl das WKM-System als auch die heißen Stufen der Wärmepumpenanlage arbeiten mit für höhere Temperaturen geeigneten Kältemitteln wie Pentafluorpropan oder ähnlichen Arbeitsmitteln (R134A, R407C). Auch Wasser und Wasserdampf kommen für die heißen Stufen als Arbeitsmittel in Betracht.The cooling of the heat engine, for example an ORC system, takes over the cooling liquid taken from the storage, which is available again as a heat source for the heat pump operation after re-heating. Both the WKM system and the hot stages of the heat pump system work with refrigerants suitable for higher temperatures such as pentafluoropropane or similar working media (R134A, R407C). Water and steam can also be used as working media for the hot stages.

Bei dreistufiger Kaskadenschaltung und Arbeitstemperaturen zwischen 20 und 55 °C, 55 und 85 °C sowie 85 und 110 °C wird aus 1 Kilowattstunde elektrischer Energie etwa eine thermische Energiemenge von 3 Kilowattstunden erzeugt, die nach Zwischenspeicherung an den Heizkreislauf der WKM-Anlage abgegeben wird. Die Leistung der WKM-Anlage hängt von der Stufenzahl ab. Bei nur einstufiger Ausführung liegt der Wirkungsgrad nur unterhalb 15 Prozent bezogen auf die eingesetzte thermische Energie, aber mindestens dreifach höher bezogen auf die eingesetzte elektrische Energie.With three-stage cascade connection and working temperatures between 20 and 55 ° C, 55 and 85 ° C and 85 and 110 ° C, around 3 kilowatt hours of thermal energy is generated from 1 kilowatt hour of electrical energy, which is transferred to the heating circuit of the WKM system after intermediate storage . The performance of the WKM system depends on the number of stages. With only a single-stage design, the efficiency is only below 15 percent based on the thermal energy used, but at least three times higher based on the electrical energy used.

Bei einem Tankvolumen von je 40.000 m3 lassen sich Leistungen von 5.000 Kilowatt elektrischer Energie über etwa 8 bis 10 Stunden realisieren.With a tank volume of 40,000 m 3 each, an output of 5,000 kilowatts of electrical energy can be achieved over about 8 to 10 hours.

Beispiel 2:Example 2:

Die Anlage besteht aus einem mit ca. 30%iger Magnesiumchloridsole oder 40%iger Calciumchloridsole als Wärmespeicherflüssigkeit arbeitenden Salzlösungspufferspeicher in Form einer Tankbatterie aus 10 Stück thermisch isolierten 4.000-m3-Stapeltanks, einer analog Beispiel 1 arbeitenden Wärmepumpe, welche im Temperaturniveau bis 125 °C Wärme liefert und einem Wärmetauschersystem, welches die in der heißen Flüssigkeit des Salzlösungsspeichers gespeicherte Energie an ein Fernheizsystem abgibt.The system consists of a saline solution buffer storage that works with approx. 30% magnesium chloride brine or 40% calcium chloride brine as heat storage fluid in the form of a tank battery of 10 thermally insulated 4,000 m 3 stacking tanks, a heat pump operating analogously to Example 1, which operates at a temperature level of up to 125 ° C supplies heat and a heat exchanger system, which transfers the energy stored in the hot liquid in the salt solution storage to a district heating system.

Bei einer realisierbaren Temperaturdifferenz von 50 Kelvin und einem nutzbaren Speichervolumen von 40.000 m3 lassen sich etwa 40.000 Kilowattstunden Wärmeenergie speichern, die etwa je zu einem Drittel aus Elektroenergie und zu zwei Dritteln aus Umweltenergie stammen.With a realizable temperature difference of 50 Kelvin and a usable storage volume of 40,000 m 3 , around 40,000 kilowatt hours of thermal energy can be stored, one third of which comes from electrical energy and two thirds from environmental energy.

Die Energiespeicherung kann dabei im Sommerhalbjahr erfolgen, die Energieabgabe im Winterhalbjahr.The energy storage can take place in the summer half-year, the energy output in the winter half-year.

Beispiel 3:Example 3:

Die Anlage besteht aus einer Wärmepumpenkaskade und einem Pufferspeicher in Form einer in einem Steinsalzlager oder Salzstock angelegten Speicherkaverne mit einem nutzbaren Volumen von 800.000 m3.The system consists of a heat pump cascade and a buffer storage in the form of a storage cavern with a usable volume of 800,000 m 3 in a rock salt store or salt dome.

Die Speichersole wird dem unteren Teil der Speicherkaverne mit 40 °C entnommen und durch die Wärmepumpe auf 110 °C aufgeheizt. Dadurch wird die Summe aus aufgewendeter elektrischer Energie und Enthalpie der Speicherflüssigkeit als nutzbare Heizenergie erzeugt und diese in Form heißer Sole, vorzugsweise NaCI-Sole mit > 300 g NaCl/l in den oberen Teil der Speicherkaverne eingeleitet, wo sie sich über die kältere, spezifisch schwerere NaCI-Lösung überschichtet. Die wieder entnommene heiße Sole kann direkt oder partiell als Wärmequelle für die Wärmeversorgung eines Wohngebietes dienen.The storage brine is taken from the lower part of the storage cavern at 40 ° C and heated to 110 ° C by the heat pump. As a result, the sum of the electrical energy used and the enthalpy of the storage fluid is generated as usable heating energy and this is introduced into the upper part of the storage cavern in the form of hot brine, preferably NaCl brine with> 300 g NaCl / l, where it spreads over the colder, specifically heavier NaCl solution covered. The hot brine that is removed can be used directly or partially as a heat source for the heat supply of a residential area.

Bei einem nutzbaren Kavernenvolumen von 800.000 m3 und einer nutzbaren Temperaturdifferenz von 65 Kelvin etwa 50 Millionen Kilowattstunden thermische Energie zwischenstapeln und die in dieser Form gespeicherte überschüssige elektrische Energie eines Windparks für das Fernheizsystem einer mittleren Stadt nutzen.With a usable cavern volume of 800,000 m 3 and a usable temperature difference of 65 Kelvin, store around 50 million kilowatt hours of thermal energy and use the excess electrical energy stored in this form in a wind farm for the district heating system of a medium-sized city.

Die Wärmeenergie, welche der Wärmepumpenanlage zugeführt werden muss, kann entweder Süßwasser aus einem Binnensee, einem größeren Fließgewässer oder auch Meerwasser in der warmen Jahreszeit entzogen und nach Einspeicherung als heiße NaCI-Sole im untertägigen Kavernenspeicher im Winterhalbjahr zur Beheizung eines Fernheizsystems abgegeben werden.The thermal energy that has to be fed to the heat pump system can either be extracted from fresh water from an inland lake, from a large river or from seawater in the warm season and, after being stored as hot NaCI brine in the underground cavern storage facility, can be used to heat a district heating system in the winter months.

Claims (4)

Speichersystem und Verfahren zur Speicherung und Verwertung temporärer elektrischer Energieüberschüsse bestehend aus einem als Flüssigkeitserhitzer arbeitenden Wärmepumpensystem, einem Flüssigkeitspufferspeicher und einem Verbraucher thermischer Energie die eingespeiste elektrische Energie als Antriebsenergie für eine oder mehrere Wärmepumpen dient, dadurch die in einer Speicherflüssigkeit enthaltene Wärme auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird und die auf diese Weise bis knapp unterhalb des Siedepunktes erhitzte Flüssigkeit in einem nach dem Schichtspeicherprinzip arbeitenden Flüssigkeitsspeicher bevorratet und als thermische Energie verwertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die heiße Speicherflüssigkeit bei Energiebedarf ausgespeichert wird und als Wärmequelle für eine elektrische Energiegewinnung mittels einer zwischen einem höheren und tieferen Temperaturniveau arbeitenden Wärme-Kraftmaschine, vorzugsweise einer Organic-Rankine-Cycle-Anlage (ORC) dient.Storage system and method for storing and utilizing temporary electrical energy surpluses consisting of a heat pump system working as a liquid heater, a liquid buffer storage and a consumer of thermal energy, the electrical energy fed in serves as drive energy for one or more heat pumps, thereby bringing the heat contained in a storage liquid to a higher temperature level and the liquid heated in this way to just below the boiling point is stored in a liquid storage system that works according to the stratified storage principle and is used as thermal energy, characterized in that the hot storage liquid is stored out when energy is required and as a heat source for electrical energy generation by means of a between a higher and lower temperature level working heat engine, preferably an organic Rankine cycle system (ORC) is used. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Speicherflüssigkeit für die zu speichernde Wärmeenergie eine konzentrierte Salzlösung aus einer oder mehreren Komponenten der Stoffgruppe NaCl, KCl, MgCl2 und Wasser verwendet wird.Procedure according to Claim 1 characterized in that a concentrated salt solution composed of one or more components of the substance group NaCl, KCl, MgCl 2 and water is used as the storage liquid for the thermal energy to be stored. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmespeicher für die Speicherung der heißen Speicherflüssigkeit thermisch isolierte Behälter verwendet werden, in deren oberem Teil heiße Speicherflüssigkeit mit geringerem spezifischen Gewicht und in deren unterem Teil kältere Speicherflüssigkeit mit höherem spezifischen Gewicht sich befinden.Procedure according to Claim 1 until 2 characterized in that thermally insulated containers are used as heat storage for storing the hot storage fluid, in the upper part of which there are hot storage fluid with a lower specific weight and in the lower part of which there are colder storage fluid with a higher specific weight. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmespeicher für die Speicherung der heißen Speicherflüssigkeit in Steinsalzformationen angelegte großvolumige Kavernen oder bergmännisch geschaffene Hohlräume und als Speicherflüssigkeit eine gegenüber Natriumchlorid indifferente Speichersole, vorzugsweise NaCI-Lösung mit Konzentrationen > 300 g/l NaCl, verwendet wird.Procedure according to Claim 1 until 3 characterized in that large-volume caverns or cavities created by mining are used as heat storage for storing the hot storage fluid in rock salt formations and a storage brine that is indifferent to sodium chloride, preferably NaCl solution with concentrations> 300 g / l NaCl, is used as storage fluid.
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