DE102013008445B4

DE102013008445B4 - Wärmespeicherkraftwerk

Info

Publication number: DE102013008445B4
Application number: DE102013008445.8A
Authority: DE
Inventors: Michael T. Witt; Ilse Witt; Janine Witt
Original assignee: WITT SOLAR AG
Current assignee: WITT SOLAR AG
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2022-12-29
Anticipated expiration: 2033-05-21
Also published as: DE102013008445A1

Abstract

Wärmespeicherkraftwerk mit mindestens einem Elektroerhitzer (1), mindestens einem Wärmespeicher (4), der mit mindestens einem Dampferzeuger (6) verbunden ist, mindestens einer damit verbundenen Dampfturbine (8) mit daran angeschlossenem Generator (9) und Kondensator (10), wobei die Elektroerhitzer (1) über einen Primärkreislauf (2) an den Wärmespeichern (4) angeschlossen sind, welche über einen Sekundärkreislauf (5) mit einer Sekundärkreislaufpumpe (7) und mindestens einem Dampferzeuger (6) verbunden sind und ein Wärmeträgermedium (18) im Wesentlichen die Speichermasse der Wärmespeicher (4) bildet und Sekundärkreislauf (5) sowie Dampferzeuger (6) das gleiche Wärmeträgermedium (18) enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium (18) in den Dampferzeugern (6) in Dampf- und Flüssigphase getrennt wird und die Flüssigphase von der Sekundärkreislaufpumpe (7) zu den Wärmespeichern (4) zurück gepumpt wird, wobei das Speichervermögen der Wärmespeicher (4) einen mindestens 1-stündigen Betrieb des Erfindungsgegenstands mit 100% Dampfturbinenleistung sicherstellt und mindestens ein Dampferzeuger (6) als Entspannungsverdampfer mit einem Betriebsdruck von unter 1 bar(abs.) ausgeführt ist und Wärmespeicher (4), Sekundärkreislauf (5) sowie Dampferzeuger (6), Dampfturbine (8) und Kondensator (10) durchgängig hydraulisch miteinander verbunden sind und ein Kühlwassersystem (19) zur Abfuhr der im Kondensator (10) anfallenden Kondensationswärme vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmespeicherkraftwerk bestehend aus Wärmespeichern, Dampferzeugern mit mindestens einem Entspannungsverdampfer, einer Dampfturbine mit Generator, einem Kühlsystem sowie Systemen zur Wärme Zu- bzw. Abführung in die bzw. aus den Wärmespeichern. Es ist vorgesehen, den Erfindungsgegenstand zur Deckung des Grundlaststrombedarfs sowie als Regelkraftwerk zum Ausgleich des stark schwankenden Leistungsangebotes aus Windparks und Photovoltaikanlagen einzusetzen und die Grundlast-Versorgungslücke, die sich aus dem Abschalten der Kernkraftwerke ergibt, zu kompensieren.
Ein groß dimensionierter Wärmespeicher, der einen Vollastbetrieb des Kraftwerks über mehrere Stunden bis Wochen ermöglicht, nimmt Wärme aus Wärmequellen und aus in Windparks und in Photovoltaikanlagen (PV) erzeugtem Überschuss-Strom auf, der anderweitig nicht im Stromnetz abgeleitet bzw. gewinnbringend vermarktet oder nur mit Verlusten abgesetzt werden kann. Zur Umwandlung des Überschuss-Stroms in Wärme sind Elektroerhitzer bzw. Wärmepumpen, sowie ein als Pumpspeicherkraftwerk ausgebildetes Kühlwassersystem vorgesehen.
Zur Umwandlung der Wärme-Energie aus den Wärmespeichem in Strom ist ein Dampfturbinenkraftwerk vorgesehen. Dieses besteht im Wesentlichen aus Dampferzeuger, Dampfturbine mit Generator, Kondensator, Umwälzpumpen und Kühlwassersystem. Es ist in der Lage zu Zeiten, in denen ein geringes Stromangebot aus Erneuerbaren Energien (EE) oder anderen Kraftwerksarten zu Verfügung steht, dieses in ähnlicher Art und Weise wie bei einem Pumpspeicherkraftwerk, jedoch über einen längeren Zeitraum, auszugleichen.
Pumpspeicherkraftwerke sind seit Jahrzehnten hinlänglich aus der Praxis - insbesondere zur Speicherung von Nachtstrom aus Kernkraftwerken - bekannt. Aufgrund des starken Anstiegs der installierten Leistung aus Windkraftanlagen und PV, sind die vorhandenen Pumpspeicherkraftwerke bei weitem nicht mehr ausreichend, um den daraus folgenden Speicherbedarf zu decken. Für den weiteren Ausbau sind kaum noch Standorte vorhanden. Darüber hinaus befinden sich Pumpspeicherkraftwerke zweckmäßigerweise in den Bergen, während Windparks und PV-Anlagen vorwiegend im Flachland oder mit steigender Tendenz als Offshore Windparks vor den Küsten errichtet werden. Dies hat hohe Leitungsverluste und Durchleitungsentgelte zur Folge.
Druckluftkraftwerke wie in Huntorf in Niedersachsen sind in Fachkreisen ebenfalls bekannt. Die Anlage nutzt überschüssigen Strom, um in großvolumige, unterirdische Salzkavernen Luft zu pressen. Zur Stromerzeugung leitet man die komprimierte Luft durch Gasturbinen.
Die Größe der Speicher von Pumpspeicherkraftwerken und von Druckluftkraftwerken lässt eine Energielieferung nur für wenige Stunden zu. Somit können Stromunterangebote aus EE von mehr als 8 Stunden nicht überbrückt werden. Nicht selten sind jedoch Flauten von über 36 h Dauer festzustellen. Ebenfalls stellt die große Entfernung zwischen zunehmend geplanten Offshore Windparks und Pumpspeicherkraftwerken in den Mittelgebirgen oder Alpen ein Problem dar.
Vor diesem Hintergrund wird die Suche nach neuen, geeigneten Energiespeichertechnologien vorangetrieben. Bei der Diskussion hierüber nimmt die Entwicklung von Batterien einen breiten Raum ein. Batteriesysteme weisen jedoch sehr hohe spezifische Kosten auf und werden aufgrund der geringen Anzahl der Jahresstunden, während derer ein Überschuss aus PV- und Windstrom produziert wird und der von Batteriespeichern aufgenommen werden könnte sowie aufgrund deren geringer Lebensdauer, zu nicht vertretbaren Stromerzeugungskosten führen, die zu der hohen Belastung aus der Subventionierung Erneuerbaren Energien hinzukommt.
In der US 5 384 489 A wird eine Windstromerzeugungsanlage mit verstellbaren Rotorblättern mit einem elektrisch beheizten thermischen Energiespeicher mit indirekter Wärmeübertragung auf einen Wärmeträger eines Rankine Kraftwerksprozesses beschrieben. Im Anspruch 1 der US 5 384 489 A ist ein vom Elektroerhitzer erwärmtes thermisches Fluid erwähnt, das seine Wärme an einen Wärmetauscher abgibt, der wiederum auf der stofflich getrennten Sekundärseite Dampf zum Antrieb einer Dampfmaschine erzeugt. In der Beschreibung wird in Spalte 5 ab Zeile 29 der Prozess näher beschrieben. Demnach gelangt über einen Kreislauf (50) das Fluid (38) in den Wärmetauscher (52). Dieser verdampft in einer Verdampfungskammer (54) das Fluid (58) eines stofflich getrennten Kreislaufs (56). Es wird ebenfalls erwähnt, dass sich hierbei das Fluid (38) abkühlt und zum Wärmespeicher (44) zurückgeführt wird, während sekundärseitig das Wasser (56) vollständig verdampft und als Dampf (60) aus der Verdampfungskammer (54) austritt. In der US 5 384 489 A ist ein zwischengeschalteter Wärmeübertrager (52) (Spalte 5, Zeile 32 und 33 sowie 1 mit den Bezugszeichen 52, 54,56, 58, 60 und 62) zur stofflichen Trennung verschiedener Arbeitsmedien erforderlich. Diese Schaltung erfordert bei großen Leistungen groß dimensionierte Wärmeübertrager, die einen hohen Kostenfaktor darstellen. Das aus mindestens 2 Arbeitsmedien bestehende System erfordert einen hohen apparativen Aufwand. Im Falle der Verwendung organischer Arbeitsmittel besteht bei der Befüllung, während des Betriebes, im Falle von Leckagen und bei der Außerbetriebnahme das Risiko der Schädigung der Ozonschicht und/ oder der Klimaerwärmung.
In der DE 34 20 293 A1 wird ein sogenannter ORC (Organic-Rankine-Cycle) Kreislauf und Basis von Kohlenwasserstoffen offengelegt. Der Hauptanspruch sowie alle weiteren Ansprüche beziehen sich ausschließlich auf einen Prozess mit organischer Flüssigkeit auf spezielle Ausgestaltungen dafür geeigneter Arbeitsmittel auf Basis von Kohlenwasserstoffen. Hiermit bezieht sich diese Patentschrift ausschließlich auf ORC-Anlagen auf Basis von Kohlenwasserstoffen.
In der EP 2 241 737 A1 wird ein Speichersystem beschrieben, in dem eine Wärmepumpe (10) Wärme über Wärmetauscher (18) an ein aus zwei Wärmespeichern (22, 24) bestehendes Wärmespeichersystem abgibt. Über den gleichen Wärmetauscher (18) soll beim Entladen des Wärmespeichersystems ein Fluid verdampft werden, bevor es in einer Dampfturbine (32) Arbeit verrichtet. Ob ein solcher Wärmespeicher mit 3 Kreisläufen dem Zwecke nach funktionieren kann wird angezweifelt. Durch die getrennte Darstellung in 1 einerseits und 2 bzw. 5 andererseits wird der Eindruck erweckt, dass es sich um unabhängige Kreisläufe mit voneinander unabhängigen Wärmetauschern handelt. Korrekterweise hätte man 1 und 2 bzw. 1 und 5 in einem Schema zusammenfassen müssen, wobei die Problematik offensichtlich geworden wäre.
Die Wärmepumpe entzieht die Wärme einem ersten (kalten) Speicher (20). Der Kraftwerksprozess wird mittels eines anderen Kältespeichers (34) gekühlt. Am Ende des Anspruchs 1 (s. auch Anspruch 5) von EP 2 241 737 A1 wird beansprucht, dass beim Entladen des heißen Speichers (24) mittels des Wärmetauschers (30) die Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmespeicher (34) und dem heißen Speicher (24) maximiert wird. Dies widerspricht den Regeln der Thermodynamik. In Wirklichkeit stellt der Wärmetauscher (30) den Kondensator eines Dampfkraftwerks dar, der aus einem Kühlreservoir (34) mit Kühlwasser gespeist wird. Durch die Aufnahme von Kondensationswärme erwärmt sich der Wärmespeicher (34). Somit minimiert sich die Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmespeicher (34) und dem heißen Speicher (24) und nicht umgekehrt, wie in der EP 2 241 737 A1 angeführt. Bei der EP 2 241 737 A1 sind organische Medien (z.B. 4 und 6) beschrieben.
In der EP 2 101 051 A1 wird eine Erfindung zur Speicherung elektrischer Energie mit Wärmespeicher und Rückverstromung beschrieben. Hierbei sind Primärkreislauf und Sekundärkreislauf hydraulisch durch einen Wärmetauscher (11) getrennt. In der EP 2 101 051 A1 stellt der „...Wärmetauscher (11) mit einer Primärseite und einer Sekundärseite..." das wesentliche kennzeichnende Element dar. Dies wird auch in Anspruch 13 deutlich, der beschreibt, dass im Entladungsfall die Wärme aus dem Wärmespeicher über einen Wärmetauscherprozess indirekt in einen Prozess eingekoppelt wird.
Der Prozess der EP 2 101 051 A1 soll im wesentlichen Energie auf hohem Temperaturniveau für einen Gasturbinenprozess liefern, hinter dem dann auch ein Dampfkraftwerk angeschlossen sein kann. Die Patentansprüche 2-21 der EP 2 101 051 A1 beziehen sich im Wesentlichen auch auf Themen wie Luftvorwärmung, Brennstoffvorwärmung, Zwischenüberhitzung und Kohletrocknung.
In der EP 2 020 728 A1 wird ein System zur Verdampfung von Metall und zur Stromerzeugung beschrieben. Die Erhitzung des Metalls - insbesondere Lithium, Magnesium oder Aluminium - kann sowohl über Widerstandselemente, als auch über Lichtbogen realisiert werden, wobei die Verdampfungstemperaturen mit über 1.000 °C angegeben werden.
In der EP 1 577 549 A1 wird ein System zur Stromerzeugung, Wärmespeicherung und zur Stromerzeugung beschrieben. Hierbei besteht das System zur Stromerzeugung (4) im beschreibenden Teil aus der Stromquelle (Wind oder PV) - siehe auch Anspruch 3 - aus einem elektrischen Widerstands-Wärmeerzeuger (43), dem thermischen Speichermaterial (11) innerhalb eines Wärmespeichers (1) sowie einem Wärmetauscher (2), der die thermische Energie vom thermischen Speichermaterial (11) auf eine thermodynamische Arbeitsmaschine (3) zur Stromerzeugung überträgt. Im kennzeichnenden Teil wird beansprucht, dass das thermische Speichermaterial (11) sich über die gesamte zu nutzende Temperaturspanne von 400 °C bis 800 °C im festen Aggregatzustand befindet. Im kennzeichnenden Teil sowie auch ausführlich in der Beschreibung wird deutlich, dass es sich bei dem thermischen Speichermaterial (11) um festes Material handelt. Darüber hinaus sind in der EP 1 577 549 A1 Anlagen zur Stromerzeugung beschrieben, deren Überschuss-Strom von der Erfindung aufgenommen werden.
Die WO 2007/ 134 466 A1 beschreibt ein System bestehend aus einem Wärmespeicher (25) auf höherem und einem Wärmespeicher (21) auf niedrigerem Temperaturniveau, die mittels Wärmetauschern (26) und (22) mit einem stofflich getrennten Wasser-Dampfkreislauf (28) verbunden sind. Hierbei sind die Wärmetauscher (26) und (22) in Reihe geschaltet. In Anspruch 5 wird eine nicht näher bezeichnete oder dargestellte Wärmepumpe erwähnt, die bei Umgebungstemperatur einem Medium Wärme entzieht. Wie in den oben beschriebenen Entgegenhaltungen wird auch hier ein System mit einer stofflichen Trennung zwischen dem im Wärmespeicher enthaltenen Medium und dem Arbeitsmedium des Kraftwerkes beschrieben.
Aus der EP 1 108 191 B1 ist eine Anlage zur solarthermischen Energiegewinnung bekannt, in der ein schwimmend ausgebildeter mit einer transparenten Wärmedämmung versehener Heißwasserspeicher eine Energiespeicherfunktion übernimmt.
Neuerdings wird ein Konzept diskutiert bzw. versuchsweise erprobt, welches bereits in den 70iger und 80iger Jahren des 20. Jahrhunderts ausführlich beschrieben wurde BOCKRIS, John O’M. ; JUSTI, Eduard W.: Wasserstoff die Energie für alle Zeiten – Konzept einer Sonnen-Wasserstoff-Wirtschaft. München : Udo Pfriemer, 1980. ISBN 3-7906-0092-X Die Neuheit besteht darin, den erzeugten Wasserstoff nicht in ein eigenes Leitungsnetz, sondern in das bestehende Erdgasnetz einzuspeisen. Diese Methode weist jedoch erhebliche Nachteile auf, wie sich bereits herausgestellt hat bzw. herausstellen wird. An dieser Stelle sei soweit nur erwähnt, dass das Erdgasnetz nur eine begrenzte Speichermöglichkeit aufweist, der Wasserstoffanteil im Erdgas für viele Verbraucher nur bei ca. 1% liegen darf und die Energie aus Wind und PV nicht unmittelbar in Strom zurück umgewandelt werden kann. Zur energetischen Umwandlung in Strom müssen zur Erhöhung der Spitzenlast zusätzliche Gasturbinenkraftwerke gebaut werden, die bereits heute mit Wirtschaftlichkeitsproblemen zu kämpfen haben. Insgesamt - gemessen an dem sehr hohen Gesamtaufwand für Elektrolyseure, Verdichter, Gasnetz, zusätzlichen Gasspeichern und Gasturbinen - stehen für die Umwandlung von nicht steuerbarem Wind- und PV- Strom in vom Lastverteiler abrufbaren Strom nur ca. 500-1.500 Vollaststunden zur Verfügung. Unter diesen Randbedingungen können für dessen Speicherung und Verstromung keine niedrigen spezifischen Stromerzeugungskosten erwartet werden, die bei wenigen €cent/kWh liegen sollten. Als Alternative wird ebenfalls diskutiert, den Wasserstoff vorher durch Zugabe von CO₂ zu Methan weiterzuverarbeiten. Andererseits ist bisher die Gewinnung von CO₂ aus Luft oder industriellen Quellen sehr kostspielig, so dass die Stromerzeugungskosten für diese komplizierte Umwandlungskette derzeit auf über 20 €ct/kWh geschätzt werden (Quelle: BÜNGER, Ulrich [u.a.]: Energiespeicher in Stromversorgungssystemen mit hohem Anteil erneuerbarer Energieträger : Bedeutung, Stand der Technik, Handlungsbedarf. Frankfurt, Main : Energietechn. Ges. im VDE (ETG), 2009 (VDE-Studie)
Durch das Abschalten der Kernkraftwerke in Deutschland entsteht bis 2022 eine jährliche Deckungslücke von ca. 160 TWh bei einer erwarteten gleichzeitigen Steigerung des Gesamtstrombedarfs von 650 TWh auf ca. 700 TWh, was mittels planbarer grundlastfähiger Stromerzeugung ausgeglichen werden muss. Leider sind weder die Windstromerzeugung noch die PV-Stromerzeugung planbar, sondern unmittelbar vom Wetter abhängig.
Das Manager Magazin erwartet in seiner Ausgabe vom 26.03.2012 SOMMER, S.: Lobby will Ökostrom im Gasnetz speichern. In: manager magazin. 26. März 2012, 14:28 UTC. URL: https://www.manager-magazin.de/unternehmen/energie/a-823182.html [abgerufen am 18.08.2022] dass Deutschland Speicherkapazitäten für 30 TWh Strom benötigt, um saisonale Schwankungen bei Wind und Sonne auszugleichen.
Alle deutschen überirdischen Pumpspeicherkraftwerke zusammengenommen weisen bei einer Gesamtleistung von ca. 6.500 MW jedoch eine Speicherkapazität von nur 0,04 TWh bzw. 37.800 MWh auf, wobei das größte Pumpspeicherkraftwerk eine Speicherkapazität von 8.480 MWh aufweist. Liste von Pumpspeicherkraftwerken. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 13. Juni 2013, 11:35 UTC. URL: http://de.wikipedia.org/w/index.php [abgerufen am 18.08.2022].
Über große Zeiträume hinweg (oftmals im Bereich von 36h und mehr) - insbesondere in den Sommermonaten - liegt die von einem großen überregionalen Windparkverbund, aber auch in ganz Deutschland abrufbare Leistung bei weniger als 1% der installierten Leistung. Dies gilt auch für den Spitzenlastbedarf vor Sonnenaufgang oder den abendlichen Spitzenlastbedarf nach Sonnenuntergang, wenn auch aus PV keine Leistung zur Verfügung steht. Die Grundlast aus Wind und PV zusammengenommen liegt bei weniger als 0,5% der installierten Wind- und PV-Leistung Stromerzeugungs und Stromverbrauch. In: agora Energiewende. Darstellungszeitraum: 16.02.2013 - 17.02.2013. URL: https://www.agora-energiewende.de/service/agorameter/chart/power_generation/16.02.2013/17.02.2013/today/ [abgerufen am 18.08.2022] Mit Stand Februar 2013 stehen somit von ca. 60.000 MW installierter Gesamtleistung aus Windturbinen und PV-Anlagen weniger als 300 MW über mehr als 12 zusammenhängende Stunden - stundenweise sogar weniger als 150 MW - und dies noch nicht einmal gesichert zur Verfügung. Selbst bei einer Fortschreibung der Ausbaukapazitäten von Wind und PV auf das zehnfache der heute installierten Leistungen lässt sich die Energiewende nicht bewerkstelligen, da selbst dann die Grundlast von nur einem Kernkraftwerk (ca. 1.500 MW) ersetzt werden könnte.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das eingangs genannte Wärmespeicherkraftwerk derart auszubilden, dass die oben beschriebenen Deckungslücken aus PV- und Windstrom ausgeglichen werden und der Energieinhalt des Wärmespeichers einen zusammenhängenden Vollastbetrieb von mehreren Stunden bis Wochen erlaubt. Die Stromerzeugungskosten sollten gemessen an alternativen Verfahren wirtschaftlich sein und den einstelligen €cent/kWh Bereich nicht überschreiten.
Damit können Wärmespeicherkraftwerke vom Lastverteiler wie Pumpspeicherkraftwerke, jedoch mit ca. 10-mal längerer zusammenhängender Betriebsdauer eingesetzt und genau dort errichtet werden, wo Überschuss-Strom entsteht oder anderweitige Netzerfordemisse bestehen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung sind Mittel vorgesehen, durch die die Wärmespeicher durch externe Wärmezufuhr thermisch aufgeladen und bei Bedarf mittels eines Dampfturbinenprozesses zur Stromerzeugung entladen werden.
Die Elektroerhitzer erwärmen das Medium des Primärkreislaufes, von wo aus es in die Wärmespeicher gelangt, wobei das Speichervermögen der Wärmespeicher einen mindestens 1-stündigen Betrieb des Erfindungsgegenstands mit 100% Last sicherstellt. Einer Ausführung des Erfindungsgegenstandes mit einer Speicherkapazität von 48, 72 oder mehr Stunden stehen keine technischen oder wirtschaftlichen Einschränkungen entgegen. Über den Sekundärkreislauf wird das Wärmeträgermedium des Sekundärkreislaufes Dampferzeugern zugeführt.
Dort wird ein Teil des Wärmeträgermediums in Dampf umgewandelt, der mindestens eine Dampfturbinenstufe mit Generator antreibt. Zur besseren Ausnutzung der im Wärmeträgermedium enthaltenen Energie ist es vorteilhaft mehrere Dampferzeuger in Reihe zu schalten, wodurch ein gegenüber einer einstufigen Ausführung besserer Wirkungsgrad ermöglicht wird. Dabei sind die Dampferzeuger zur Umwandlung eines Teils des Wärmeträgermediums in Dampf zum Antrieb mindestens einer Dampfturbinenstufe, mehrstufig mit zum Kondensator hin abfallenden Druckstufen ausgeführt, wobei jeder Dampferzeugerstufe dampfseitig eine Dampfturbinenstufe und am wasserseitigen Austritt ein Dampferzeuger mit niedrigerem Verdampfungsdruck und der letzten Dampferzeugerstufe am wasserseitigen Austritt die Sekundärkreislaufpumpe nachgeschaltet ist. Mindestens ein Dampferzeuger ist als Entspannungsverdampfer mit einem Betriebsdruck von unter 1 bar(abs.) ausgeführt, um eine möglichst niedrige Rücklauftemperatur zu den Wärmespeichern und gleichzeitig eine möglichst hohe Dampfenthalpie in der ersten Dampferzeugerstufe zu erreichen. Das in den Dampferzeugern nicht verdampfte Wärmeträgermedium wird über die Sekundärkreislaufpumpe in die Wärmespeicher zurückgeführt.
Der aus der Dampfturbine austretende Dampf wird in einem Kondensator kondensiert. Dem Kondensator wird über das Kühlwassersystem Kühlflüssigkeit zur Kondensation des Dampfes aus der Dampfturbine zugeführt.
Ziel der Erfindung ist es weiterhin mit einer Wärmepumpe einem Kühlwasservorrat Wärme zu entziehen, der dann über kälteres Wasser zur Kondensatorkühlung verfügt.
Die Erfindung sieht vor, dass den Wärmespeichern zusätzlich über eine Wärmepumpe, mittels Überschuss-Strom aus Wind- und PV-Stromerzeugung Wärme zugeführt werden kann. Weiterhin ist ein Wärmetransformationssystem vorgesehen, das sowohl die Zuführung von Wärme aus externen Quellen, wie Erdwärme, Abwärme oder solarthermischen Prozessen, in die Wärmespeicher als auch eine Wärmeversorgung von externen Verbrauchern aus den Wärmespeichern erlaubt. Diese Maßnahmen sind geeignet, sowohl die Verfügbarkeit, als auch die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Wärmespeicherkraftwerkes nochmals zu erhöhen und einen Beitrag zur Energiewende auch auf dem Gebiet der Wärmeversorgung zu leisten.
Die elektrische Schaltung der Elektroerhitzer und der Wärmepumpe sind so angeordnet, dass bei Integration des Erfindungsgegenstands in einen Windpark während Starkwindphasen sowohl die elektrische Leistung des Windparks vor dem Eintritt in die Netzanbindung, als auch gleichzeitig die installierte Netzübertragungsleistung bei Überschuss-Strom aus dem Stromnetz aufgenommen werden kann, so dass die elektrische Gesamtleistung der Elektroerhitzer, der Kühlwasserpumpe und der Wärmepumpe bis zum 2-fachen der Anschlussleistung des Windparks betragen kann. Dies ermöglicht die Aufnahme des gesamten im Windpark, als auch aus anderen Windparks oder PV-Anlagen anfallenden Überschuss-Stroms, soweit die Kapazität der Anschlussleitung des Windparks dies ermöglicht. Auf diese Weise kann das Stromnetz effektiv entlastet, der Windpark aus einer Quelle für Überschuss-Strom in eine Senke umgewandelt, die Energie in Form von heißem Wasser über mehrere Tage gespeichert und Strom nach Anforderung des Netzbetreibers abgegeben werden.
Der Wärmespeicher ist rundum mit einer Wärmedämmung ausgekleidet, nach oben durch ein Foliendach begrenzt und wird vorzugsweise als Erdbeckenspeicher ausgeführt. Der Querschnitt ist trapezförmig und der Erdaushub wird zur Schaffung eines möglichst großes Speichervolumens und Minimierung des Transportvolumens seitlich gelagert. Der Wärmespeicher kann weitere Funktionen als Begrenzung für den oberen Kühlteich und den unteren Kühlteich oder als Lärmschutzwall einnehmen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Es zeigen:

1 das Fließbild eines erfindungsgemäßen Wärmespeicherkraftwerkes mit einem Dampferzeuger, einem geschlossenen Kühlwassersystem, einem Elektroerhitzer und einer Wärmepumpe zur thermischen Aufladung eines Wärmespeichers
2 den Schnitt eines erfindungsgemäßen Wärmespeichers mit oberem und unteren Kühlteich

Wie aus 1 zu entnehmen ist, sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, dass Elektroerhitzer (1) mittels Überschuss-Strom aus Wind- und PV-Stromerzeugung das Medium des Primärkreislaufes (2) erwärmen, von wo aus es in den Wärmespeicher (4) gelangt. Über den Sekundärkreislauf (5) wird das Medium des Sekundärkreislaufes mindestens einem Dampferzeuger (6) zugeführt. Dort wird ein Teil des Mediums in Dampf umgewandelt, der mindestens eine Dampfturbine (8) mit daran angeschlossenem Generator (9) antreibt. Das im Dampferzeuger (6) nicht verdampfte Wärmeträgermedium (18) wird über mindestens eine Sekundärkreislaufpumpe (7) den Wärmespeichern (4) wieder zugeführt. Der aus der Dampfturbine (8) austretende Dampf wird in einem Kondensator (10) kondensiert, wobei das Kondensat mittels einer Kondensatpumpe (11) in den Wärmespeicher (4) zurück geführt wird. Dem Kondensator wird Kühlflüssigkeit über ein Kühlwassersystem (19) zur Kondensation des Dampfes aus der Dampfturbine (8) zugeführt. Ein Wärmetransformationssystem (14) erlaubt sowohl die Zuführung von Wärme aus externen Quellen, wie Erdwärme, Abwärme oder solarthermischen Prozessen, in die Wärmespeicher (4) als auch eine Wärmeversorgung von externen Verbrauchern aus den Wärmespeichern. Die Erfindung sieht vor, dass über eine Wärmepumpe (24), die mittels Überschuss-Strom aus Wind- und PV-Stromerzeugung angetrieben wird, dem Wärmespeicher (4) zusätzlich Wärme zugeführt werden kann. Das Kühlwasser wird dem Kondensator über einen oberen Kühlteich (20) zugeführt. Das im Kondensator erwärmte Kühlwasser fließt in den unteren Kühlteich (21) ab. Dieses Wasser wird während Überschuss-Strom Perioden über eine Kühlwasserpumpe (22) dem Verdampfer (23) der Wärmepumpe (24) zugeführt, in welchem es abgekühlt wird, bevor es dem oberen Kühlteich (20) wieder zugeführt wird. Die Wärmepumpe (24) besteht zusätzlich aus dem Verdichter (25), dem Verflüssiger (26) und dem Expansionsventil (27). Die im Verflüssiger (26) entstehende Kondensationswärme wird über ein Wärmekopplungssystem (28) den Wärmespeichern (4) zugeführt und ergänzt dort die aus den Elektroerhitzern (1) eingespeiste Energie. Mittels des Bypasses (15) kann zur Reduzierung von Druckverlusten während des Kraftwerkbetriebes der Verdampfer (23) der Wärmepumpe (24) umfahren werden.
In 2 ist der Schnitt eines erfindungsgemäßen Wärmespeichers (4) mit der Wärmedämmung (13), dem Foliendach (16) sowie oberem Kühlteich (20) und unterem Kühlteich (21) dargestellt. Der Erdaushub (29) wird zur Schaffung eines möglichst großes Speichervolumens und Minimierung des Transportvolumens seitlich gelagert.
Bezugszeichenliste

(1): Elektroerhitzer
(2): Primärkreislauf
(3): Primärkreislaufpumpe
(4): Wärmespeicher
(5): Sekundärkreislauf
(6): Dampferzeuger
(7): Sekundärkreislaufpumpe
(8): Dampfturbine
(9): Generator
(10): Kondensator
(11): Kondensatpumpe
(12): Vakuumpumpe
(13): Wärmedämmung
(14): Wärmetransformationssystem
(15): Bypass
(16): Foliendach
(18): Wärmeträgermedium
(19): Kühlwassersystem
(20): Oberer Kühlteich
(21): Unterer Kühlteich
(22): Kühlwasserpumpe
(23): Verdampfer
(24): Wärmepumpe
(25): Verdichter
(26): Verflüssiger
(27): Expansionsventil
(28): Wärmekopplungssystem

Claims

Wärmespeicherkraftwerk mit mindestens einem Elektroerhitzer (1), mindestens einem Wärmespeicher (4), der mit mindestens einem Dampferzeuger (6) verbunden ist, mindestens einer damit verbundenen Dampfturbine (8) mit daran angeschlossenem Generator (9) und Kondensator (10), wobei die Elektroerhitzer (1) über einen Primärkreislauf (2) an den Wärmespeichern (4) angeschlossen sind, welche über einen Sekundärkreislauf (5) mit einer Sekundärkreislaufpumpe (7) und mindestens einem Dampferzeuger (6) verbunden sind und ein Wärmeträgermedium (18) im Wesentlichen die Speichermasse der Wärmespeicher (4) bildet und Sekundärkreislauf (5) sowie Dampferzeuger (6) das gleiche Wärmeträgermedium (18) enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium (18) in den Dampferzeugern (6) in Dampf- und Flüssigphase getrennt wird und die Flüssigphase von der Sekundärkreislaufpumpe (7) zu den Wärmespeichern (4) zurück gepumpt wird, wobei das Speichervermögen der Wärmespeicher (4) einen mindestens 1-stündigen Betrieb des Erfindungsgegenstands mit 100% Dampfturbinenleistung sicherstellt und mindestens ein Dampferzeuger (6) als Entspannungsverdampfer mit einem Betriebsdruck von unter 1 bar(abs.) ausgeführt ist und Wärmespeicher (4), Sekundärkreislauf (5) sowie Dampferzeuger (6), Dampfturbine (8) und Kondensator (10) durchgängig hydraulisch miteinander verbunden sind und ein Kühlwassersystem (19) zur Abfuhr der im Kondensator (10) anfallenden Kondensationswärme vorgesehen ist.
Wärmespeicherkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampferzeuger (6), zur Umwandlung eines Teils des Wärmeträgermediums (18) in Dampf zum Antrieb mindestens einer Dampfturbinenstufe, mehrstufig mit zum Kondensator hin abfallenden Druckstufen ausgeführt sind, wobei jeder Dampferzeugerstufe dampfseitig eine Dampfturbinenstufe und am wasserseitigen Austritt ein weiterer Dampferzeuger mit niedrigerem Verdampfungsdruck und der letzten Dampferzeugerstufe am wasserseitigen Austritt die Sekundärkreislaufpumpe (7) nachgeschaltet ist.
Wärmespeicherkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Wärmeträgermedium (18) um Wasser handelt.
Wärmespeicherkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (4) rundum mit einer Wärmedämmung (13) ausgekleidet ist, nach oben durch ein Foliendach (16) begrenzt wird und als Erdbeckenspeicher ausgeführt ist, wobei der Querschnitt trapezförmig ist und der Erdaushub (29) zur Schaffung eines möglichst großes Speichervolumens und Minimierung des Transportvolumens seitlich gelagert wird und der Wärmespeicher (4) weitere Funktionen als Begrenzung für den oberen Kühlteich (20) und den unteren Kühlteich (21) oder als Lärmschutzwall bzw. Hochwasserdamm einnehmen kann.
Wärmespeicherkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlwassersystem (19) im Wesentlichen aus einem oberen Kühlteich (20), einem Kondensator (10), einem unteren Kühlteich (21) und einer Kühlwasserpumpe (22) besteht, wobei der maximale Wasserstand des oberen Kühlteiches höher als der maximale Wasserstand des unteren Kühlteiches liegt und das Kühlwassersystem (19) unabhängig vom Betrieb des thermischen Prozesses zusätzlich als Pumpspeicherkraftwerk ausgebildet ist.
Wärmespeicherkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmepumpe (24) zur Umwandlung von Überschuss-Strom aus Wind- und PV-Stromerzeugung in Wärme vorgesehen ist, wobei der Verflüssiger (26) zur Abführung der darin entstehenden Kondensationswärme über ein Wärmekopplungssystem (28) mit den Wärmespeichern (4) verbunden ist und der Verdampfer (23) der Wärmepumpe (24) die Verdampfungswärme dem Kühlwassersystem (19) entzieht.
Wärmespeicherkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypass (15) zum Betrieb des Kühlwassersystems (19) ohne Wärmepumpe vorgesehen ist.
Wärmespeicherkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroerhitzer (1) an oder in den Wärmespeichern (4), angeordnet sind.
Wärmespeicherkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetransformationssystem (14) vorgesehen ist, das sowohl die Zuführung von Wärme aus externen Quellen, wie Erdwärme, Abwärme oder solarthermischen Prozessen, in die Wärmespeicher (4), als auch eine Wärmeversorgung von externen Verbrauchern aus den Wärmespeichern (4) erlaubt.
Wärmespeicherkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses in einen Windpark integriert ist und elektrisch an dessen Netzanbindung angeschlossen ist und die elektrische Schaltung der Elektroerhitzer (1) und der Wärmepumpe (24) und der Kühlwasserpumpe (22) so angeordnet sind, dass während Starkwindphasen sowohl die elektrische Leistung des Windparks vor dem Eintritt in die Netzanbindung, als auch gleichzeitig bei Überschuss-Strom aus dem Stromnetz die elektrische Leistung in Höhe der installierten Netzübertragungsleistung des Windparks aufgenommen werden kann, so dass die elektrische Gesamtleistung der Elektroerhitzer (1), der Kühlwasserpumpe (22) und der Wärmepumpe (24) bis zum 2-fachen der Anschlussleistung des Windparks betragen kann.