DE102013017527A1

DE102013017527A1 - Anordnung eines pneumatischen Energiespeichers für Solarkraftwerke und Verfahren zur adiabatischen Energiespeicherung

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Publication number: DE102013017527A1
Application number: DE201310017527
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2015-04-23

Abstract

Die Erfindung betrifft die Anordnung eines Energiespeichers für den Betrieb von Solarkraftwerken mittels Solar-Fokussion auf der Basis einer solaren Dampferzeugung insbesondere während solarschwacher oder Nacht-Phasen, gekennzeichnet dadurch, dass das Trägersystem für Solar-Parabol-Spiegel oder Solar-Hyperbol-Rinnen gleichzeitig als Druckluftspeicher in Form von großvolumigen Rohrkonstruktionen bzw. Pipelines oder Pressluft-Containern ausgebildet wird, wobei diese zusätzlich eine Wärme-Isolation erhalten, um die Energie der Kompressionswärme aus Luftverdichtung in diesen Trägersystemen adiabatisch zu speichern. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren, vermittels dessen die durch Luftverdichtung aus Solarbetrieb erzeugte hoch erhitzte Druckluft adiabatisch, also unter Erhaltung ihres Energiepotenzials aus Kompressionswärme, über mindestens eine Solar-Mangel-Phase gespeichert wird. Damit kann der Nachtbetrieb der Dampfturbinen vermittels eines hocheffektiven Verfahrens beibehalten werden, da die Energiebereitstellung für den kontinuierlichen Betrieb der Dampf-Turbinen durch die gespeicherte Kompressionshitze gewährleistet wird.

Description

Die Erfindung betrifft die Anordnung eines Energiespeichers für den Betrieb von Solarkraftwerken mittels Solar-Fokussion auf der Basis einer solaren Dampferzeugung insbesondere während solarschwacher oder Nacht-Phasen, gekennzeichnet dadurch, dass das Trägersystem für Solar-Parabol-Spiegel oder Solar-Hyperbol-Rinnen gleichzeitig als Druckluftspeicher in Form von großvolumigen Rohrkonstruktionen bzw. Pipelines oder Pressluft-Containern ausgebildet wird, wobei diese zusätzlich eine Wärme-Isolation erhalten, um die Energie der Kompressionswärme aus Luftverdichtung in diesen Trägersystemen adiabatisch zu speichern.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren, vermittels dessen die durch Luftverdichtung aus Solarbetrieb erzeugte hoch erhitzte Druckluft adiabatisch, also unter Erhaltung ihres Energiepotenzials aus Kompressionswärme, über mindestens eine Solar-Mangel-Phase gespeichert wird. Damit kann der Nachtbetrieb der Dampfturbinen vermittels eines hocheffektiven Verfahrens beibehalten werden, da die Energiebereitstellung für den kontinuierlichen Betrieb der Dampf-Turbinen durch die gespeicherte Kompressionshitze gewährleistet wird.
Die Strömungsmaschinen für Luftverdichtung und Druckluft-Entspannung sowie für den Einsatz als Dampfturbinen bestehen vorzugsweise aus Aggregaten der Wälzkolben-Technik, z. B. nach Pat.-Anmeldung 10 2011 102 136.5 aus Wälzkolbenaggregaten (WK-Aggregaten) nach dem Prinzip COMPEX oder WK-Dampfturbinen nach Pat.-Anmeldung 10 2009 011 322.3.
Bekannt sind Solar-Kraftwerke in solar-starken Regionen auf der Basis des Einsatzes von Parabol-Spiegeln oder Hyperbol-Rinnen, z. B. Andasol in Andalusien/Spanien. Diese verwenden zur kontinuierlichen Erzeugung des erforderlichen Betriebsdampfes für ihre Dampf-Aggregate fluide Salze, welche während der Solarphase auf über 300 grd C aufgeheizt und dadurch flüssig gehalten werden. Fällt jedoch die Salz-Temperatur auf ein Niveau unter 260 grd C, erstarren diese Salze dauerhaft und vernichten die Anlage. Um dieses Betriebsrisiko zu vermindern, werden große Mengen an zusätzlichen Energieträgern (Gas, Öl) im Stand-By-Verfahren mit hohen Zusatzkosten gehalten.
Weiterhin müssen insbesondere in Wüstengebieten exorbitante Aufwendungen betrieben werden, um den abgekühlten Dampf weiter auf eine Kondensat-Temperatur zu kühlen, damit er wieder mittels Kessel-Speisewasser-Pumpen in den Wärmetauscher/Dampferzeuger eingespeist werden kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die aufwendige und unsichere Salzverflüssigung sowie die Dampfkondensat-Bildung durch ein flexibles, dynamisches, einfaches und hocheffizientes pneumatisches Verfahren zu ersetzen.
Bei der Darstellung des Verfahrens wird Bezug genommen auf das in Pat.-Anmeldung 10 2010 012 297.1 beschrieben Verfahren zur Meerwasser-Entsalzung mit Trinkwasser-Gewinnung bei gleichzeitig Energie-Erzeugung.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Solar-Parabol-Spiegel bzw. Solar-Hyperbol-Rinnen auf vorzugsweise horizontal verlegten großvolumigen Rohrkonstruktionen angeordnet werden. Diese dienen als Druckluftspeicher und können gleichzeitig Wärmetauscher/Dampferzeuger, Dampfturbine und Kompressor/Expander (COMPEX) tragen. Die Rohrkonstruktionen sind wärme-isoliert und können bedarfsweise im Erdreich angeordnet werden. Sie stellen den pneumatischen Energiespeicher dar.
Im Status Tag-/Solar-Betrieb wird ein äquivalenter Energieanteil dazu benutzt, vermittels der Dampfturbinen Kompressoren (COMPEX) zu betreiben, welche hoch-erhitzte Druckluft erzeugen und adiabatisch, also heiß, in den Energiespeicher einspeisen.
Im Status Nacht-Betrieb wird die hoch-erhitzte Druckluft zunächst ohne Entspannung über den Wärmetauscher/Dampferzeuger geleitet und erzeugt den für die kontinuierliche Fahrweise erforderlichen Betriebsdampf. Dies gestattet eine primäre Stromerzeugung.
Die nunmehr abgekühlte isotherme Druckluft wird den Expansionsmaschinen (COMPEX) zugeführt und treibt die Elektro-Generatoren. Dieser Prozess stellt eine sekundäre Stromerzeugung dar.
Letztere zeichnet sich dadurch aus, dass sie zeitlich flexibel gefahren werden kann, wenn nochmals partielle Speicherkapazitäten als Zwischenspeicher genutzt werden.
Die beim Nachtbetrieb freiwerdende Expansionskälte wird in Beirohrleitungen in einem entsprechenden Kälte-Medium gespeichert (z. B. in flüssigem Kohlendioxid mit –20 grd C bei 20 bar gem. Pat.-Anmeldung 10 2011 121 736.7).
Dieses Kältepotenzial dient der Kondensatbildung des Betriebsdampfes, ermöglicht damit einen hohen Wirkungsgrad der Dampfturbine, die bis 68 grd C bei 0,3 bar auf Teilvakuum gefahren werden kann und erspart horrente Aufwendungen für den Betrieb von Kühlanlagen.
Die Erfindung soll an nachstehendem Beispiel beschrieben werden (Bild 1):
Solar-Parabol-Spiegel (1) mit Receiver (2) werden auf einer großvolumigen Rohrkonstruktion als Energiespeicher/Druckluftspeicher (8) angeordnet.
Das solar-erhitzte Trägermedium erzeugt mittels seiner Energie im Wärmetauscher/Dampferzeuger (5) überhitzten Heißdampf, welcher die Wälzkolben-Dampfturbine (9) treibt. Neben dem Antrieb von Elektro-Generatoren werden gleichzeitig Wälzkolben-Kompressoren (COMPEX) (12) betrieben, welche hoch-erhitzte Druckluft erzeugen und in die Energiespeicher/Druckluftspeicher (8) einspeisen.
Im Nachtbetrieb wird die hoch-erhitzte Druckluft über den Wärmespeicher/Dampferzeuger (5) geführt, wo sie die nachts nicht verfügbare Solarhitze ersetzt.
Die nunmehr abgekühlte Druckluft wird im weiteren Verlauf den Wälzkolben-Expandern (COMPEX) (12) zugeführt. Diese hocheffizienten WK-COMPEX-Aggregate arbeiten im Rechtslauf als Kompressoren und im Linkslauf als Expansionsmaschinen (Pat.-Anmeldung 10 2011 102 136.5). Die bei der Expansion frei werdende Expansionskälte wird in einem Kältemedium, hier flüssigem Kohlendioxid in einer Kälteleitung (13), gespeichert. Diese Kälte wird im Dampfkondensator zur Abkühlung der Restwärme des Betriebsdampfes genutzt und gestattet einen hohen Wirkungsgrad.
Damit lässt sich das gesamte Verfahren der großindustriellen Erzeugung von Elektro-Energie in solarstarken Region revolutionieren und deutlich wirtschaftlicher gestalten.
Dies wird die Basis bilden für eine komplexe, hocheffiziente und risikofreie Anwendung und Nutzung der solaren Energiebereitstellung für Entwicklungsgebiete und Schwellenländer in eben solchen Regionen.
Bezugszeichenliste

1: Solar-Parabol-Spiegel
2: Receiver
3: Vorlauf Trägermedium
4: Rücklauf Trägermedium
5: Wärmetauscher/Dampferzeuger
6: adiabatische Druckluft-Einspeisung
7: adiabatische Druckluft-Ausspeisung
8: Druckluftspeicher
9: Dampfturbine
10: Dampfeinspeisung
11: Kondensat-Einspeisung
12: isotherme Drucklufteinspeisung
13: COMPEX
14: Kälteleitung

Claims

Anordnung einer Vorrichtung zur pneumatischen Speicherung von adiabatisch erhitzter Druckluft in Solarkraftwerken, gekennzeichnet dadurch, dass ein großvolumiger und wärme-isolierter Energiespeicher, vorzugsweise als Rohrsystem, ausgebildet und gleichzeitig als Trägersystem für einzelne Kraftwerkskomponenten vorgesehen wird.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Wärmetauscher/Dampferzeuger neben dem Wärmetauscher-Kreislauf für Solarwärme auch einen solchen für hoch-erhitzte Druckluft erhält.
Anordnung einer Vorrichtung zur Speicherung eines Kühlmediums, vorzugsweise in Form einer Kälteleitung.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass ein äquivalenter Anteil der Solarenergie mittels Kompressors für die Erzeugung und Speicherung adiabatischer, also hoch-erhitzter Druckluft eingesetzt wird, welche alsdann im Energiespeicher gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass in Betriebsphasen mit Solar-Mangel diese adiabatische Druckluft dem Wärmetauscher/Dampferzeuger zugeleitet wird und die Fortsetzung der Erzeugung von Betriebsdampf für die Dampfturbine gewährleistet, welche nunmehr weiterhin vermittels eines gekuppelten Elektro-Generators Strom erzeugen kann.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass die nunmehr abgekühlte, also isotherme Druckluft einer Expansionsmaschine zugeleitet wird, welche über einen gekuppelten Elektro-Generator dadurch neben dem Generator der Dampfturbine ebenfalls Strom erzeugen kann.
Verfahren nach Anspruch 3 und 6, gekennzeichnet dadurch, dass die bei der Expansion der isothermen Druckluft in der Expansionsmaschine entstehende Expansionskälte mittels geeigneter Vorrichtungen in einem Kühlmedium gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass vermittels dieses Kühlmediums der abgekühlte Betriebsdampf auf Kondensat bis zum Teilvakuum gekühlt wird und dadurch die einsatzüblichen umfangreichen und in heißen Regionen nur schwer zu realisierenden Kühlanlagen stark reduziert werden können.