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Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung, insbesondere eine Wärmeenergiespeichereinrichtung, wobei ein fluides Medium, insbesondere ein flüssiges Medium als Energiespeichermedium vorgesehen ist. Bei dem fluiden bzw. flüssigen Medium handelt es sich insbesondere um Wasser.
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Energie bzw. Strom aus regenerativen Energiequellen wird häufig zumindest kurzzeitig im Überangebot erzeugt. Leitungen für den Transport der Energie bzw. des Stroms sowie Abnehmer sind dann normalerweise nicht in erforderlichem Maße vorhanden. In Zukunft ist zunehmend vor allem regional mit einem Überangebot an Energie bzw. Strom zu rechnen. Die hierfür wünschenswerten Batterien sind nicht in erforderlichem Umfang und mit der notwendigen Leistungsfähigkeit verfügbar. - Aus der Praxis sind bereits verschiedene Verfahren bzw. Maßnahmen zur Speicherung von Energie/Strom bekannt. So wird Strom für die Pyrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff eingesetzt, um anschließend wieder eine Umwandlung in andere Nutzenergie durchzuführen. Nachteilhaft ist dabei der geringe Wirkungsgrad von unter 20 %. Bekannt ist unter anderem auch die Energiespeicherung in Druckluftspeichern. Hier liegt der Wirkungsgrad um etwa 40 %. - Die bekannten Speichermaßnahmen für Energie bzw. Strom weisen in der Regel eine Reihe von Nachteilen auf. Viele der bekannten Maßnahmen sind aufwendig und kostspielig und/oder der Wirkungsgrad der Energieumwandlung lässt zu wünschen übrig. Oftmals ist bei den bekannten Verfahren auch das Speichervermögen als solches verhältnismäßig gering. Bei vielen bekannten Maßnahmen ist zudem die Beherrschung von hohen Temperaturen bzw. von Temperaturgradienten aufwendig und problematisch.
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Aus dem Stand der Technik sind z.B. die Druckschriften
DE 10 2010 031 285 A1 ,
US 4 469 086 A ,
DE 20 2008 004 897 U1 und
DE 10 2009 060 911 A1 bekannt. Demgegenüber liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, eine Energiespeichereinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der eine relativ einfache und kostengünstige Energiespeicherung möglich ist und bei der die vorstehend beschriebenen Nachteile vermieden werden können bzw. effektiv reduziert werden können.
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Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung eine Energiespeichereinrichtung, insbesondere eine Wärmeenergiespeichereinrichtung, wobei die Speichereinrichtung zumindest ein zylinderförmiges Rohr bzw. zumindest ein im Wesentlichen zylinderförmiges Rohr aufweist, wobei in dem Innenraum des Rohres ein fluides Medium, insbesondere ein flüssiges Medium als Speichermedium bzw. als Energiespeichermedium aufgenommen ist, wobei die Rohrwandung des zylinderförmigen Rohres zumindest zwei Schichten aus Beton bzw. im Wesentlichen aus Beton aufweist, wobei eine innere Schicht aus unbewehrtem Beton bzw. im Wesentlichen aus unbewehrtem Beton besteht und wobei eine äußere Schicht aus bewehrtem Beton besteht bzw. im Wesentlichen aus bewehrtem Beton besteht.
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Energiespeichereinrichtung meint im Rahmen der Erfindung insbesondere eine Speichereinrichtung zur Speicherung von Wärmeenergie, wobei die Wärmeenergie bei Bedarf in eine andere Energieform, beispielsweise in elektrischen Strom, umgewandelt werden kann. Fernerhin meint Energiespeichermedium bzw. Speichermedium ein fluides Medium, insbesondere ein flüssiges Medium, mit dem bzw. in dem die Wärmeenergie gespeichert werden kann. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem fluiden Medium um ein Speichermaterial mit einer hohen spezifischen Wärme. Nach besonders empfohlener Ausführungsform wird im Rahmen der Erfindung Wasser als fluides Medium eingesetzt. Der Erfindung liegt zunächst die Erkenntnis zugrunde, dass Wasser im Vergleich zu anderen Speichermedien eine relativ hohe spezifische Wärme aufweist und sich vor allem im Rahmen der erfindungsgemäßen Merkmalskombination besonders als Energiespeichermedium eignet. Fernerhin liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die Zylinderform für eine solche Energiespeichereinrichtung besonders vorteilhaft ist, insbesondere vorteilhaft im Hinblick auf geringe Energieverluste und im Hinblick auf die Beherrschung von mechanischen Beanspruchungen und Kräften. Aufgrund des erfindungsgemäßen Schichtenaufbaus des zylinderförmigen Rohres können unerwünschte Ausdehnungen bzw. Verformungen vermieden werden und im Übrigen hohe Temperaturen sowie Temperaturgradienten problemlos beherrscht werden. Vor allem können auch störende bzw. nachteilhaftige Chloridkorrosionen von Stahlbestandteilen ausgeschlossen bzw. auf ein Minimum reduziert werden.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Rohrwandung des erfindungsgemäßen zylinderförmigen Rohres zu über 90 Gew.-% und zu über 90 Vol.-% aus der inneren Schicht und der äußeren Schicht besteht. Bevorzugt besteht die Rohrwandung des Rohres zu über 93 Gew.-% und zu über 93 Vol.-% aus der inneren und der äußeren Schicht. Empfohlenermaßen ist lediglich eine einzige innere Schicht und/oder lediglich eine einzige äußere Schicht in der Rohrwandung des erfindungsgemäßen Rohres vorhanden. Vorzugsweise ist der Gew.-%-Anteil der zumindest einen äußeren Schicht bzw. der einen äußeren Schicht größer als der Gew.-%-Anteil der zumindest einen inneren Schicht bzw. der einen inneren Schicht.
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Erfindungsgemäß weist der Beton der inneren Schicht ein Porenvolumen von weniger als 8 % auf. Porenvolumen meint dabei insbesondere mit Luft gefülltes Volumen der inneren Schicht. Zweckmäßigerweise wird in Bezug auf die Feststoffe des Betons der inneren Schicht eine dichteste Packung realisiert und bevorzugt soll die dichteste Packung entsprechend der Fuller-und-Thompson-Sieblinie aufgebaut sein. Empfohlenermaßen zeichnet sich der Beton der inneren Schicht durch einen geringen bzw. sehr geringen Bindemittelgehalt aus. Vorzugsweise besteht das Bindemittel des Betons der inneren Schicht hauptsächlich, - insbesondere zu mindestens 50 Gew.-% und bevorzugt zu mindestens 60 Gew.-% - aus puzzolanischen und/oder latent hydraulischen Bindemittelanteilen. Zweckmäßigerweise enthält das Bindemittel für den Beton der inneren Schicht lediglich geringe bzw. geringste Mengen von Portlandzementklinker. - Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass für die innere Schicht des erfindungsgemäßen zylindrischen Rohres ein minimales Porenvolumen eingestellt wird. Empfohlenermaßen liegt das Porenvolumen zwischen 3 und 9 % und besonders bevorzugt zwischen 3 und 7 %.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht eine Dicke di von weniger als 12 cm, vorzugsweise von weniger als 10 cm, aufweist. Die Dicke di der inneren Schicht beträgt empfohlenermaßen 5 bis 10 cm, beispielsweise 7 cm. - Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die innere Schicht unmittelbar in Kontakt mit dem als Energiespeichermedium eingesetzten fluiden Medium bzw. flüssigen Medium steht. Bevorzugt steht die innere Schicht bzw. die Innenoberfläche der inneren Schicht somit unmittelbar in Kontakt mit dem als Energiespeichermedium eingesetzten Wasser.
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Aufgrund des in dem Rohr aufgenommenen erwärmten fluiden bzw. flüssigen Mediums werden hohe Innendrücke in dem Rohr erzeugt. Dadurch werden Ringzugspannungen sowie über die Stirnseiten des Rohres entsprechend hohe Zugspannungen in Längsrichtung des Rohres hervorgerufen. Erfindungsgemäß ist zumindest eine Vorspannvorrichtung vorgesehen, mit der in dem Rohr entstehende Zugspannungen kompensierbar sind bzw. kompensiert werden. Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist dazu ein auf Druck vorgespanntes Spannsystem vorgesehen, das bevorzugt an der Außenseite des Rohres und/oder in der äußeren Schicht geführt ist. Ein solches Spannsystem empfiehlt sich insbesondere bei kürzeren Rohren. Gemäß einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung sind Widerlager vorgesehen, die durch ein Pressen- und Federsystem einen Gegendruck auf das Rohr in Längsrichtung ausüben und somit die Zugspannungen kompensieren. Derartige Widerlager sind insbesondere bei größeren Längen des Rohres geeignet. Eine Vorspanneinrichtung der vorstehend erläuterten Art, mit der das Rohr auf Druck vorgespannt wird, hat sich im Rahmen der Erfindung besonders bewährt.
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Nach sehr bevorzugter Ausführungsform der Erfindung weist die äußere Schicht eine Dicke da von mehr als 8 cm, vorzugsweise von mehr als 10 cm und bevorzugt eine Dicke da von 10 bis 22 cm auf. Zweckmäßigerweise hat die äußere Schicht eine Dicke da von 10 bis 20 cm. Zweckmäßigerweise besteht der Beton der äußeren Schicht aus Stahlbeton und bevorzugt aus Stahlbeton der Druckfestigkeitsklasse C40/50. Erfindungsgemäß weist die äußere Schicht des zylinderförmigen Rohres also im Gegensatz zu der inneren Schicht eine Bewehrung bzw. eine Stahlbewehrung auf.
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Durch das in dem Rohr aufgenommene erwärmte bzw. heiße fluide Medium wird der dichte Beton der inneren Schicht erwärmt, so dass ein Temperaturgradient bzw. Temperaturspannungen entstehen. Der Erfindung liegt insoweit die Erkenntnis zugrunde, dass die die innere Schicht umgebende äußere Schicht aus Beton die sich ausdehnen wollende innere Schicht in ihrer Verformung behindert und somit in vorteilhafter Weise eine radial wirkende Druckspannung auf die innere Schicht ausübt. Bei dem in der inneren Schicht aufgrund des erhitzten fluiden Mediums entstehenden Temperaturgradienten kommt es über die Dicke der inneren Schicht nicht zum Reißen des Betons, weil sich die innere Schicht zwar entsprechend ihrer Temperatur ausdehnen will, sich dabei aber gegen die äußere Schicht verspannt und somit erfindungsgemäß überdrückt wird. Im Ergebnis entstehen keinen nachteilhaften Zugspannungen und der Beton der Schichten bleibt ungerissen und dicht.
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Eine besonders empfohlene Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Maßnahmen ergriffen werden, damit sich die innere dem heißen fluiden Medium ausgesetzte Schicht gegenüber der äußeren, den Druck haltenden Schicht frei verformen kann und zwar empfohlenermaßen lediglich begrenzt frei verformen kann. Der Erfindung liegt insoweit die Erkenntnis zugrunde, dass bei zu weiter radialer Verformung ein Verlust der Rissfreiheit der inneren Schicht resultiert. Nach empfohlener Ausführungsform, der im Rahmen der Erfindung besondere Bedeutung zukommt, wird zwischen der inneren Schicht und der äußeren Schicht eine Funktionsschicht angeordnet, die lediglich eine geringfügige radiale Ausdehnung der inneren Schicht ermöglicht, so dass sich die innere Schicht im Rahmen der Ausdehnung an der Innenoberfläche der äußeren Schicht abstützen kann.
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Vorzugsweise ist zwischen der inneren Schicht und der äußeren Schicht des Rohres zumindest eine dünne Funktionsschicht angeordnet und diese dünne Funktionsschicht liegt bevorzugt formschlüssig an der inneren Schicht und formschlüssig an der äußeren Schicht an. Dünne Funktionsschicht meint im Rahmen der Erfindung, dass die Dicke der Funktionsschicht deutlich geringer ist als die Dicke di der inneren Schicht und als die Dicke da der äußeren Schicht. Empfohlenermaßen weist die dünne Funktionsschicht eine Dicke dF auf, die weniger als 10 %, bevorzugt weniger als 8 % der Dicke di der inneren Schicht und der Dicke da der äußeren Schicht beträgt. Formschlüssiges Anliegen der Funktionsschicht an der inneren Schicht und an der äußeren Schicht meint im Rahmen der Erfindung insbesondere, dass zwischen der Funktionsschicht und der inneren Schicht bzw. der äußeren Schicht keine Leerräume/ luftgefüllte Leerräume bzw. im Wesentlichen keine Leerräume/luftgefüllte Leerräume vorhanden sind. Es liegt im Übrigen im Rahmen der Erfindung, dass zwischen der inneren Schicht und der äußeren Schicht des erfindungsgemäßen Rohres lediglich eine einzige Funktionsschicht angeordnet ist. Funktionsschicht meint im Rahmen der Erfindung insbesondere, dass diese Schicht lediglich eine geringfügige radiale Ausdehnung der inneren Schicht zulässt und ansonsten die weitere radiale Ausdehnung durch die äußere Schicht begrenzt wird.
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Empfohlenermaßen weist die dünne Funktionsschicht eine Dicke dF von weniger als 0,6 mm, vorzugsweise von weniger als 0,5 mm, auf. - Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung besteht die dünne Funktionsschicht aus einer Folie bzw. im Wesentlichen aus einer Folie, wobei diese Folie bevorzugt als Kunststofffolie ausgebildet ist. Es empfiehlt sich, dass die Folie eine Dicke dF kleiner als 0,1 mm und besonders bevorzugt eine Dicke von 0,03 bis 0,07 mm aufweist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine solche Folie quasi kein radiales Ausdehnen der inneren Schicht erlaubt, jedoch ein Gleiten zum Spannungsabbau zwischen der inneren Schicht und der äußeren Schicht ermöglicht. Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung dient bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Rohres die mit der Folie versehene bzw. umwickelte innere Schicht als Innenschalung für die äußere Schicht bzw. für den zu gießenden umgebenden Beton der äußeren Schicht. Dadurch erhält man in vorteilhafter Weise ein vollständiges und gleichmäßiges Aneinanderschmiegen beider Schichten.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung weist die dünne Funktionsschicht eine erste Schicht aus Glas bzw. Dünnglas auf, sowie eine zweite auf die erste Schicht aufgebrachte Schicht aus Polymermaterial. Bei dem Polymermaterial handelt es sich vorzugsweise um ein Epoxidharz. Die Herstellung dieser Ausführungsform der dünnen Funktionsschicht kann erfolgen, indem die erste Schicht aus Glas bzw. Dünnglas mit dem Epoxidharz bestrichen wird. Dabei bildet die zweite Schicht aus Polymermaterial bzw. aus Epoxidharz die Außenschicht der dünnen Funktionsschicht. Das Epoxidharz wirkt hier als Haftvermittler. Diese Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich zum einen dadurch aus, dass sie ebenfalls ein gewisses Gleiten der inneren Schicht bei geringfügiger Ausdehnung ermöglicht und zum anderen eine sehr funktionssichere Chloridsperre zur Verfügung stellt, so dass Chloridkorrosionen insbesondere auch in der äußeren Schicht des Rohres vermieden werden können. Zweckmäßigerweise beträgt die Dicke der ersten Schicht aus Glas bzw. Dünnglas weniger als 0,4 mm, beispielsweise 0,2 mm bzw. in etwa 0,2 mm. Es empfiehlt sich, dass die Dicke der zweiten Schicht aus Polymermaterial nicht dicker bzw. nicht wesentlich dicker ist als die erste Schicht aus Glas bzw. Dünnglas.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass in dem Innenraum des Rohres bzw. in dem fluiden Medium zumindest ein elektrisch betriebenes Heizelement und/ oder zumindest ein Wärmetauscher angeordnet ist. Es liegt weiterhin im Rahmen der Erfindung, dass die in dem Rohr zu speichernde Energie bzw. Wärmeenergie über das zumindest eine Heizelement bzw. über den zumindest einen Wärmetauscher in das Rohr bzw. in das fluide Medium eingebracht wird.
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Heizelement und Wärmetauscher können dabei auch kombiniert werden. Zweckmäßigerweise erfolgt die Nutzung der gespeicherten Energie bzw. Wärmeenergie ebenfalls elektrisch und/oder wärmetechnisch.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung bzw. Wärmeenergiespeichereinrichtung ein hohes Speichervermögen sowie ein hoher Wirkungsgrad der Energieumwandlung erreicht werden kann. Die erfindungsgemäße Einrichtung lässt sich auf einfache, wenig aufwendige und kostengünstige Weise realisieren. Die Form und der Aufbau der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung bedingen vorteilhaft geringe Energieverluste sowie eine hervorragende Dichtigkeit der Einrichtung. Mit der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung können mechanische Beanspruchungen bzw. Kräfte und insbesondere Zugspannungen auf einfache und problemlose Weise beherrscht bzw. kompensiert werden. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist gegenüber Temperatur-Wechselbelastungen resistent und ist unempfindlich gegen hohe Temperaturen. Temperaturgradienten können auf einfache und problemlose Weise beherrscht werden. Insgesamt zeichnet sich die erfindungsgemäße Energiespeichereinrichtung durch Einfachheit, Effizienz, Widerstandsfähigkeit und Kostengünstigkeit aus.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung und
- 2 einen Schnitt durch das zylinderförmige Rohr der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung.
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Die Figuren zeigen eine erfindungsgemäße Energiespeichereinrichtung bzw. Wärmeenergiespeichereinrichtung, wobei diese Speichereinrichtung ein zylinderförmiges Rohr 1 aufweist. In dem Innenraum 2 dieses zylinderförmigen Rohres 1 ist ein fluides Medium in Form von flüssigem Wasser als Energiespeichermedium aufgenommen. In dem Innenraum 2 des Rohres 1 mag ein nicht näher dargestellter Wärmetauscher zur Einbringung von Wärmeenergie in das Rohr 1 angeordnet sein.
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Nach bevorzugter Ausführungsform und im Ausführungsbeispiel weist die Rohrwandung 3 des zylinderförmigen Rohres 1 zwei Schichten aus Beton auf. Dabei besteht die innere Schicht 4 aus unbewehrtem Beton und die äußere Schicht 5 aus bewehrtem Beton. Empfohlenermaßen und im Ausführungsbeispiel steht die innere Schicht 4 in unmittelbarem Kontakt mit dem als Energiespeichermedium eingesetzten und im Innenraum 2 vorhandenen Wasser. Bevorzugt und im Ausführungsbeispiel weist die innere Schicht 4 eine Dicke di von 5 bis 10 cm auf. Der Beton der inneren Schicht 4 mag im Ausführungsbeispiel ein Porenvolumen von 3 bis 8 % aufweisen. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass - wie im Ausführungsbeispiel nach den Figuren - die äußere Schicht 5 eine größere Dicke da aufweist, als die innere Schicht 4. Vorzugsweise und im Ausführungsbeispiel mag die äußere Schicht 5 eine Dicke da von 10 bis 20 cm aufweisen. - In der 1 ist im Übrigen eine Vorspannvorrichtung 6 angedeutet worden, mit der in dem Rohr entstehende Zugspannungen kompensiert werden. Die Vorspannvorrichtung 6 spannt das Rohr 1 auf Druck vor und kompensiert somit die entstehenden Zugspannungen.
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Nach besonders bevorzugter Ausführungsform und im Ausführungsbeispiel ist zwischen der inneren Schicht 4 und der äußeren Schicht 5 des Rohres 1 eine dünne Funktionsschicht 7 angeordnet. Die dünne Funktionsschicht 7 liegt vorzugsweise und im Ausführungsbeispiel sowohl formschlüssig an der inneren Schicht 4 als auch formschlüssig an der äußeren Schicht 5 an. Die Funktionsschicht 7 weist eine Dicke dF auf, die deutlich geringer ist als die Dicken di und da der inneren und äußeren Schicht 4, 5. Nach einer Ausführungsform und im Ausführungsbeispiel besteht die Funktionsschicht 7 aus einer Kunststofffolie und diese Kunststofffolie hat bevorzugt eine Dicke dF kleiner 0,1 mm, beispielsweise eine Dicke dF von 0,05 mm. Diese Funktionsschicht 7 bzw. Kunststofffolie erlaubt lediglich eine geringfügige Ausdehnung der inneren Schicht 4 in radialer Richtung und ermöglicht aber ein Gleiten zum Spannungsabbau zwischen den beiden Schichten 4, 5. Bei einer radialen Ausdehnung der inneren Schicht 4 wird diese durch die äußere Schicht 5 in ihrer Verformung behindert und dadurch wirkt die äußere Schicht 5 eine radial wirkende Druckspannung auf die innere Schicht 4 aus.
