DE102013016077A1

DE102013016077A1 - Elektrische Energiespeicherung mittels thermischer Hochtemperaturspeicher

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Publication number: DE102013016077A1
Application number: DE201310016077
Authority: DE
Inventors: Thomas Weidele; Rolf Schumacher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Speichersystem, dass fühlbare Wärme zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie benutzt. Als Arbeitsmedium werden Salzschmelzen verwendet, welche hohe Wirkungsgrade des Speichersystems erlauben. Weiterhin ist sowohl die autarke Verwendung als auch die Integration dieses Speichersystem in bestehende Kraftwerke Gegenstand der Erfindung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Speichersystem, dass fühlbare Wärme zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie benutzt. Als Arbeitsmedium werden Salzschmelzen benutzt, welche hohe Wirkungsgrade des Speichersystems erlauben. Weiterhin ist die Integration dieses Speichersystems in bestehende und in neu zu planende Kraftwerke Gegenstand der Erfindung.
Infolge vermehrter Stromerzeugung durch regenerative Energien kommt es zu einer steigenden Differenz zwischen dem Dargebot der regenerativen Stromerzeugung und des Stromverbrauches im elektrischen Versorgungsnetz. Aus diesem Grund gewinnt die Speicherung elektrisch erzeugter Energie zunehmend an Bedeutung.
Zur Speicherung von elektrischer Energie gibt es bereits verschiedenste Technologien. Zum einen ist es möglich elektrische Energie in Kondensatoren direkt zu speichern. Weiterhin gibt es Speicher auf elektrochemischer Basis. Wesentliche Nachteile dieser Methoden sind hohe Kosten. Die Ursachen hierfür sind die hohen Preise der zugrunde liegenden Materialien und die niedrigen Speicherkapazitäten.
Elektrische Energie in größerem Umfang lässt sich bis heute nur in indirekter Form z. B. Pumpspeicherkraftwerke speichern. Diese erreichen einen Systemwirkungsgrad von 80% und mehr. Nachteilig ist, dass Pumpspeicherkraftwerke in ihrer Anzahl und Größe und letztlich mit ihrer gesamten Speicherkapazität begrenzt sind. Ursache dafür sind die erforderlichen geographischen Voraussetzungen.
Eine weitere Möglichkeit elektrische Energie zu speichern ist die Verwendung von chemischen Verbindungen wie Wasserstoff oder Methan. Diese Konversionsketten zeichnen sich aber durch sehr niedrige Umwandlungswirkungsgrade aus (max. ca. 40%).
Eine weitere Möglichkeit elektrische Energie zu speichern ist die Speicherung in Form von fühlbarer Wärme. Bei der Umwandlung von elektrischer Energie in fühlbare Wärme entstehen praktisch keine Verluste. Bei der Rückumwandlung der fühlbaren Wärme in elektrische Energie beschreibt der Carnot-Wirkungsgrad den maximalen Anteil der Wärme, der wieder in elektrische Energie zurück umgewandelt werden kann:
Mit:

T_Min: = Minimale Temperatur des Kreisprozesses (in Kelvin)
T_Max: = Maximale Temperatur des Kreisprozesses (in Kelvin)

Mit der vorliegenden Definition kann bei einer minimalen Temperatur von 26,85°C schon bei einer maximalen Temperatur von 326,85°C ein Carnot-Wirkungsgrad von 50,0%, bei 500°C ein Carnot-Wirkungsgrad von 61,2% und bei 600°C ein Wirkungsgrad von 65,6% erzielt werden.
Bei einer entsprechenden Wahl des Kreisprozesses und eines Speichermediums können also hohe Wirkungsgrade des Speichersystems erzielt werden, auch wenn die tatsächlichen in Kraftwerken realisierten Wirkungsgrade darunter liegen. Bei heutigen Kohlekraftwerken werden Wirkungsgrade von über 43% für Braunkohle und über 46% bei Steinkohle erzielt. Werden die Verbrennungsverluste im Kessel für diese Kraftwerke nicht berücksichtigt, ergeben sich für den Wasser-Dampf Kreisprozess Wirkungsgrade von über 50%. Dabei liegt die maximale Frischdampftemperatur für moderne Kohlekraftwerke heute im Bereich von ca. 600°C. Um den Wirkungsgrad weiter zu steigern werden höhere Temperaturen angestrebt, doch müssen hierfür noch neue Werkstoffe für Rohrleitungen und Apparate entwickelt und erprobt werden.
Speichermedien die heute schon zur Speicherung von Wärme hoher Temperatur eingesetzt werden sind zum einen Thermoöle. Diese sind bis zu einer Temperatur von 400°C einsetzbar. Für höhere Temperaturen werden Salzschmelzen verwendet. Übliche Salzmischungen sind Mischungen aus Natrium- und Kaliumnitrat. Auch gibt es unter anderem Mischungen die zusätzlich Calcium- und Lithiumnitrat beinhalten. Die heute untersuchten Salzschmelzen haben in einen Schmelzpunkt im Bereich von ca. 60°C bis ca. 260°C. Die maximale Einsatztemperatur für die verschiedenen heute bekannten Salzschmelzen liegt bei ca. 450°C bis 640°C. Theoretisch sind hierbei auch höhere Temperaturen für Salzschmelzen möglich. Die Wärmespeicherkapazität der flüssigen Salze liegt bei ca. 1,55 kJ/kgK bei einer Dichte von ca. 1,85 kg/dm³, wodurch sich bei einer Temperaturänderung von 300 K zwischen warmen und kalten Salzschmelzen etwa 0,13 kWh/kg Energie gespeichert werden kann.
Vergleicht man nun die Temperaturen, die in Wasser-Dampf-Kreisläufen verwendet werden und die möglichen Arbeitstemperaturen von Salzschmelzen, so stellt man fest, dass Speicher mit diesem Arbeitsmedium zur Integration in einen Kreislaufprozess geeignet sind. Dies ist auch der Grund weshalb Salzschmelzen als Wärmespeichermedien in thermischen Solarkraftwerken eingesetzt werden.
Die Erfindung hat das Ziel, elektrische Energie verlustarm zu speichern, dabei umweltgerecht vorzugehen und ein besonders gutes Preis-Leistungsverhältnis zu erreichen. Netzüberlastungen durch übermäßiges Einspeisen anfallender Elektroenergie aus alternativer Stromgewinnung soll begrenzt werden.
Die Erfindung hat die Aufgabe, die technischen Voraussetzungen zu schaffen, damit elektrische Energie in technisch einfacher Weise gespeichert werden kann. Der anzugebende Verfahrensablauf soll autark verwirklicht werden können; aber auch als integrierbarer Bestandteil der Elektroenergiebereitstellung unter Beachtung alternative Energieerzeugung. Diese bezieht sich sowohl auf die Integration in das elektrische Versorgungsnetz als auch in Stromerzeugungsanlagen.
Beschreibung der Erfindung
Elektrisches Speichersystem
Ein erfindungsgemäßes elektrisches Speichersystem besteht im Wesentlichen aus zwei Teilsystemen. Im ersten Teilsystem wird die elektrische Energie in Wärme umgewandelt d. h. der Energiespeicher wird beladen. Im zweiten Teilsystem wird die Wärme wieder in elektrische Energie umgewandelt, d. h. der Energiespeicher wird entladen. In sind die Kernkomponenten des gesamten Speichersystems dargestellt.
Zum Beladen des elektrischen Speichers wird in einem Salzheizer (1) eine Salzschmelze auf eine maximal gewünschte Endtemperatur erhitzt. Der Salzheizer wird elektrisch betrieben und ist entweder an ein Mittel-, Hoch oder Höchstspannungsnetz angeschlossen. Hierbei kann der elektrische Heizer sich sowohl außerhalb des Speichers für heiße Salzschmelzen (2) befinden als auch in diesem Behälter integriert sein. Der elektrische Speicher kann solange beladen werden bis der Speicher für kalte Salzschmelzen (4) vollständig entleert ist. Hierbei kann es sich bei den Speicherbehältern für heiße und kalte Salzschmelzen um separate Behälter, wie dargestellt, handeln oder diese können auch in einem Behälter integriert sein.
Zum Entladen des elektrischen Speichers werden heiße Salzschmelzen zum Dampferzeuger (3) geleitet, dort abgekühlt und zum Speicher für kalte Salzschmelzen geleitet. Im Dampferzeuger wird Dampf mit möglichst hohen Parametern erzeugt und dieser zu einer Dampfturbine geleitet, wo die thermische Energie in kinetische umgewandelt wird und durch den Generator (13) wieder in elektrische Energie umgewandelt wird. Die vom Generator erzeugte elektrische Energie wird in ein Mittel-, Hoch- oder Höchstspannungsnetz eingespeist. Je nach Größe der Anlage kann die Dampfturbine wie dargestellt aus einer Hoch- (10), Mittel- (11) und Niederdruck-(12)Dampfturbine bestehen, mit oder auch ohne Zwischenüberhitzung. Um einen möglichst hohen elektrischen Wirkungsgrad zu erzielen sind eine oder mehrere Zwischenüberhitzungen zu integrieren. Die Turbine treibt wiederum einen Generator (13) zur Stromerzeugung an. In einem Kondensator (14) wird der entspannte Dampf kondensiert. Hierbei kann der Kondensator luftgekühlt sein oder das Kühlwasser in einem Nass- oder Hybridkühlturm (16) gekühlt werden. In einer Vorwärmstrecke (15) wird das Kondensat wieder vorgewärmt und entgast und dem Dampferzeuger wieder zugeführt. Die Anzahl der Vorwärmstufen ist unter thermodynamischen und technischen Aspekten zu optimieren.
Um eine hohe Flexibilität des elektrischen Speichers zu gewährleisten können im Betrieb heiße Teile des elektrischen Speichers während des Anlagenstillstandes elektrisch beheizt und somit auf die erforderliche minimale Einsatztemperatur gebracht werden. Ebenfalls ist eine entsprechende Isolierung der Bauteile vorzusehen. Damit ist ein sofortiges Be- und Entladen des elektrischen Speichers möglich und somit kann dieser auch zur Netzregelung eingesetzt werden kann.
Elektrisches Speichersystem in Kombination mit einem konventionellen Kraftwerk
Der in Text und dargestellte elektrische Speicher kann auch in bestehende konventionelle Kraftwerke z. B. Kohle-, Öl-, Gas-, Biomasse- oder Müllkraftwerke integriert werden. Dies ist in dargestellt.
Hierbei wird in einem konventionellen Kessel (20) durch Verbrennen zum Beispiel fossiler Brennstoffe Dampf für den Wasser-Dampf-Kreislauf erzeugt. Parallel werden nun Rohrleitungen vom Dampferzeuger zum Speichersystem mit Salzschmelzen installiert. Damit kann vom Dampferzeuger erzeugte Wärme nicht nur benutzt werden um direkt Strom zu erzeugen, sondern auch gespeichert werden. Hierbei werden ein oder mehrere Wärmeübertrager (5, 6) parallel zu dem elektrischen Heizer des Speichersystems installiert. Dieses kann nun elektrisch durch die Verbindung mit dem elektrischen Versorgungsnetz oder durch den Dampferzeuger beladen werden.
Die Entladung des Speichers erfolgt wieder über den Dampferzeuger (3), der Dampf zur Stromgewinnung des Wasserdampfkreislaufes zur Verfügung stellt.
Durch die Integration des Speichers kann neben der Speicherung von elektrischer Energie aus dem Netz auch die Fahrweise des bestehenden Kraftwerkes optimiert und flexibilisiert werden, da nun der Betrieb des Wasser-Dampf-Kreislaufes vom Betrieb des Kessels entkoppelt werden kann. So kann z. B. der Kessel mit einer konstanten optimalen Last gefahren werden, auch wenn die Lastnachfrage aus dem Netz dies an sich nicht zulässt. Dies verbessert den Wirkungsgrad des Kraftwerkes. Weiterhin haben konventionelle Kessel eine minimale Last, die für den stabilen Betreib erforderlich ist. Diese liegt nach Kesseltyp und Brennstoff zwischen ca. 30% 70%. Durch Integration des Speichersystems kann der Wasser-Dampf-Kreislauf nun in Teillastbereichen betrieben werden, die ohne das Speichersystem nicht möglich sind. Ebenso ist es durch das Speichersystem mit Salzschmelzen möglich, das der Wasser-Dampf-Kreislauf in Betrieb ist, während der Kessel sich komplett außer Betrieb befindet.
Bei einem Neubau eines konventionellen Kraftwerkes oder bei einem Umbau eines Kessels ist es auch möglich die Salzschmelzen direkt im Kessel zu erwärmen. Damit lässt sich eine vollständige Entkopplung des Kessels vom Wasser-Dampf-Kreislauf erzielen. Da Salzschmelzen im Gegensatz zu Wasser als Arbeitsmedium praktisch drucklos zum Kessel geführt werden, lassen sich im Vergleich zum Kessel mit dem Arbeitsmedium Wasser beim Einsatz von gleichen Werkstoffen im Kessel höhere Temperaturen erzielen. Diese höheren Temperaturen können auch im Wasser-Dampf-Kreislauf genutzt werden, da im Dampferzeuger (3) die Werkstoffe der Komponenten nicht mit aggressiven Medien wie im Feuerraum des Kessels in Berührung kommen. Durch die Nutzung von höheren Temperaturen im Gesamtprozess sind auf diese Weise höhere elektrische Gesamtwirkungsgrade möglich.
Auf gleiche Weise wie zuvor beschrieben kann das elektrische Speichersystem auch in Atomkraftwerke integriert werden.
Elektrisches Speichersystem in Kombination mit einem Gas- und Dampfturbinekraftwerk
Auch mit einem Gas- und Dampfturbinenkraftwerk kann das elektrische Speichersystem auf der Basis von Salzschmelzen gekoppelt werden. In ist ein solches System dargestellt.
In der Gasturbine (20) erzeugte mechanische Energie wird im Generator (21) in elektrische Energie umgewandelt und ins Mittel- oder Hochspannungsnetz eingespeist. Das heiße Abgas wird im Abhitzekessel (22) zur Dampferzeugung genutzt. Hierbei kann die Dampferzeugung in einem Ein- oder Mehrdruckprozess erfolgen. Von der Dampfleitung des Abhitzekessels wird eine Dampfleitung zu einem Wärmeübertrager (5), der parallel zu dem elektrischen Heizer (1) geschaltet ist, zur Erwärmung der Salzschmelze geführt. Die Anzahl der Wärmeübertrager ist abhängig von der Anzahl der Dampfdrücke des Abhitzekessels. Dargestellt ist in der Abbildung nur ein Eindruckprozess.
Durch diese Schaltung kann das Speichersystem parallel zur Gasturbine betrieben werden. Somit kann der Dampfturbinenteil unabhängig von der Gasturbine genutzt werden und auch aus dem Netz gespeicherte elektrische Energie wieder zur Stromerzeugung herangezogen werden. Hierdurch lassen sich sowohl Gas- als auch Dampfturbine in ihren jeweils optimalen Betriebsbereichen betreiben. Ebenso kann der Dampfturbinenteil ohne die Gasturbine betrieben werden und ohne die Gasturbine aber zusammen mit dem Speichersystem an der Netzregelung teilnehmen.
zeigt ein modifiziertes Gas- und Dampfturbinenkraftwerk, bei dem im Abhitzekessel der Gasturbine (22) direkt Salzschmelze erwärmt wird. Damit wird der Gas- und Dampfturbinenteil des Kraftwerkes alleinig über das Speichersystem ge- und entkoppelt. Hierbei werden die gleichen Vorteile wie bei einem konventionellen Kraftwerk (vgl. )
Weiterhin kann bei Gas- und Dampfturbinenkraftwerken mit integriertem Speichersystem die Auslegung der Dampfturbine und deren Leistung unabhängig von der Gasturbine erfolgen und ist nicht mehr starr an diese gekoppelt.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Beispiel näher erläutert werden.
Anwendungsbeispiel
Moderne Kohlekraftwerke haben Frischdampfparameter von ca. 600°C/270 bara mit einer Zwischenüberhitzung mit ca. 600°C/60 bara. Ausgehend von diesen Parametern wurde entsprechend des in gezeigten Systemaufbaus ein Speichersystem berechnet. Mit der gezeigten Anzahl von acht Vorwärmstufen wird ein Bruttowirkungsgrad des Speichersystems von 52,5% errechnet. Dies bedeutet, dass 52,5% der Energie welche in der Salzschmelze gespeichert wurde, wieder als elektrische Energie in der Turbine erzeugt wird. Hierbei wird die Salzschmelze zwischen den Temperaturen von 310°C und 610°C betrieben, d. h. die nutzbare Temperaturdifferenz beträgt 300 K.
Möglich sind beliebige Temperaturintervalle innerhalb von 60°C und 800°C.
Um eine Turbine mit einer Leistung von 900 MW für 16 h zu betreiben ist eine Speichergröße für die Salzschmelze von ca. 114000 m³ erforderlich. Dies entspricht einem zylindrischen Speicher mit einer Höhe und einem Durchmesser von rund 53 m. Aufgrund dieser Größe ist ersichtlich, dass dieses Speichersystem selbst für große Leistungen technisch realisierbar ist.
Mit der gewählten Speichergröße können speziell Spitzen der regenerativen Stromerzeugung z. B. durch die Photovoltaik, welche das elektrische Netz belasten ausgeglichen werden. Verzeichnis der Bezugszeichen (aus Text und Abbildungen) Legende der Leitungen:
Bezugszeichenliste

1: Elektrischer Salzheizer
2: heiße Salzschmelze
3: Dampferzeuger
4: Speicher für kalte Salzschmelze
5: Wärmeübertrager Dampf/Salzschmelze
6: Wärmeübertrager Dampf/Salzschmelze
7: nicht belegt
8: nicht belegt
9: nicht belegt
10: Hochdruckdampfturbine
11: Mitteldruckdampfturbine
12: Niederdruckdampfturbine
13: Generator
14: Kondensator
15: Vorwärmstrecke (15-1, 15-2, 15-3, 15-4: Niederdruckvorwärmer; 15-5 Entgaser; 15-6, 15-7, 15-8: Hochdruckvorwärmer)
16: Kühlturm/Hybridkühlturm
17: nicht belegt
18: nicht belegt
19: nicht belegt
20: konventioneller Kessel
21: Gasturbine
22: Generator
23: Abhitzekessel

Claims

Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie in Form von fühlbarer Wärme, wobei beim Beladen eines Speichers Energie vom elektrischen Netz in einem Heizer auf ein flüssiges Arbeitsmedium übertragen wird, welches als Speichermedium dient, beim Entladen das Arbeitsmedium in einem Dampferzeuger wieder abgekühlt wird und hierdurch Dampf erzeugt wird, welcher in einem Wasser-Dampf-Kreislauf mit einer Dampfturbine zur Stromerzeugung genutzt wird, welcher wieder in das elektrische Netz eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Beladen des Speichers das Arbeitsmedium Salzschmelze vom Speicher für kaltes Arbeitsmedium (4) zu einem elektrischen Heizer (1) gepumpt wird, welcher vom elektrischen Versorgungsnetz die Energie erhält, um das Arbeitsmedium auf die gewünschte Endtemperatur von mehr als 500°C zu erhitzen und danach das erhitzte Arbeitsmedium im Speicher für heißes Arbeitsmedium (2) gespeichert wird und beim davon zeitlich unabhängigen Entladen das Arbeitsmedium zu einem Dampferzeuger (3) gepumpt wird, dort die Wärme an einen Wasser-Dampfkreislauf abgegeben wird, das kalte Arbeitsmedium im Speicher für kaltes Arbeitsmedium gespeichert wird, während im Dampferzeuger mit einer oder mehreren Zwischenüberhitzern überhitzter Dampf produziert wird, der in einer ein oder mehrteiligen Dampfturbine (10, 11, 12) entspannt wird und die kinetische Energie in einem Generator zu elektrischer Energie umgewandelt wird, welche wieder in das Versorgungsnetz eingespeist, während der Dampf in einem Kondensator (14) kondensiert wird und dieses Kondensat in einer ein oder mehrstufigen Vorwärmstrecke (15) entgast und vorgewärmt wird und wieder zum Dampferzeuger (13) gepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium Salzschmelzen wie Mischungen aus Natrium- und Kaliumnitrat mit und ohne Calcium- und Lithiumnitrat eingesetzt werden.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte in den Arbeitsablauf eines bestehenden Kraftwerkes dergestalt integriert werden, dass sie anforderungsgemäss alternativ zu diesem geschaltet werden oder dass die Verfahrensschritte in den Arbeitsablauf eines neu zu errichtenden Kraftwerkes integriert werden,
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet ist, dass heiße Bauteile so isoliert sind oder elektrisch beheizt werden, dass der Speicher schnell in Betrieb gehen und somit zur Netzregelung benutzt werden kann,
Anordnung zum Speichern elektrischer Energie, bestehend aus einer beheizbaren Kammer (1), welche ein Speichermedium enthält, einer Vorratskammer (4) für kaltes und einer Vorratskammer (2) für heißes Speichermedium, einem Dampferzeuger (3) und Dampfturbinen (10), (1)1, (1)2, einem Generator (13) und einem Kondensator (14), einem Hybridkühlturm (16) und einer Vorwärmstrecke (15), die miteinander durch Rohrleitungen verbunden sind.
Anordnung zum Speichern elektrischer Energie durch Einfügen einer solchen Anordnung in den Kreislauf vorhandener Kraftwerke, bestehend aus einem Salzheizer (1), einer Kammer für heißes Salz (2), einem Dampferzeuger (3), einem Speicher für kaltes flüssiges Salz (4), Wärmeübertragern (5) und (6), einem konventionellen Kessel (20), Dampfturbinen für Hochdruck (10), Mitteldruck (11) und/oder Niederdruck (12), einem Generator (13), einem Kondensator (14), einem Hybridkühlturm (16), einer Vorwärmstrecke (15) sowie Rohrleitungen und Verbindungsstücken.
Anordnung zum Speichern elektrischer Energie nach Anspruch 6 bestehend aus einem Salzheizer (1), einer Kammer für heißes Salz (2), einem Dampferzeuger (3), einem Speicher für kaltes flüssiges Salz (4), Wärmeübertragern (5) und (6), einem konventionellen Kessel (20), Dampfturbinen für Hochdruck (10), Mitteldruck (11) und/oder Niederdruck (12), einem Generator (13), einem Kondensator (14), einem Hybridkühlturm (16), einer Vorwärmstrecke (15) mit gestaffelten Vorwärmheizern (15-1) bis (15-8), wobei (15-1), (15-2), (15-3), (15-4) Niederdruckvorwärmer; (15-5) ein Entgaser, (15-6), (15-7), (15-8) Hochdruckvorwärmer sind sowie Rohrleitungen und Verbindungsstücken.
Anordnung nach Ansprüchen 5 bis 7 mit Nitraten von Alkali- und/oder Erdalkalimetallen als flüssigem Salz, das zwischen 60 und 800°C flüssig ist oder Thermoöl als Speichermedium.
Anordnung nach Ansprüchen 5 bis 8 mit einem elektrischen Heizer, der in den Behälter 2 integriert ist und mit Behältern (2) und (4), die ihrerseits in einen Behälter integriert sind.
Anordnung nach Ansprüchen 5 bis 8, wobei die Kammer (1) elektrisch oder mit Brennstoffen aus Kraftwerksbetrieb beheizbar ist.