DE102013208974A1

DE102013208974A1 - Thermischer Energiespeicher

Info

Publication number: DE102013208974A1
Application number: DE102013208974.0A
Authority: DE
Inventors: Bernd Gromoll; Uwe Lenk; Jochen Schäfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2014-11-20
Also published as: WO2014183892A1

Abstract

Das erfindungsgemäße thermische Energiespeichersystem arbeitet mit einem Phasenwechselmaterial als Wärmespeichermaterial und einem Arbeitsfluid als Wärmetransportmaterial wobei das Wärmespeichermaterial ein fest-fest-Phasenwechselmaterial oder ein formstabiles fest-flüssig-Phasenwechselmaterial. Das Phasenwechselmaterial ist so in einen Organic-Rankine-Kreislauf und/oder in einen Kreislauf einer Hochtemperaturwärmepumpe integriert, dass das Arbeitsfluid zum Wärmebeladen oder -entladen des Phasenwechselmaterials in direkten Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial geführt werden kann und so die Kondensation beziehungsweise die Verdampfung des Arbeitsfluids direkt an der Oberfläche des Phasenwechselmaterials passiert, was einen größtmöglichen Wirkungsgrad gewährleistet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermischen Energiespeicher, insbesondere einen PCM-Speicher.
Beim Be- und Entladen thermischer Energiespeicher muss Wärme über einen Wärmeträger auf das Speichermaterial übertragen werden oder vom Speichermaterial an einen Wärmeträger abgegeben werden. Dies erfolgt häufig beispielsweise über einen Zwischenkreislauf, zum Beispiel mit Thermoöl. Dabei wird eine zusätzliche Temperaturdifferenz in Kauf genommen oder die Wärmeübertragung erfolgt direkt über einen Wärmeträger wie beispielsweise Luft. Dies ist bisher auch die Vorgehensweise bei regenerativen Speichern. Deren Entladen und Beladen erfolgt in bestimmten Temperaturbändern, die je nach Weiterverwendung der gespeicherten Wärme größer oder kleiner sein dürfen.
Wird als Speichermaterial ein Phasenwechselmaterial (PCM) verwendet, soll das Beladen und Entladen des Speichers bei möglichst konstanter Temperatur erfolgen. Nur wenn das Beladen und Entladen des PCM bei eben der Umwandlungstemperatur dieses Materials liegt, wird die Umwandlungsenthalpie voll ausgenutzt. Um dies annähernd gewährleisten zu können muss bisher auf einen Zwischenkreislauf, etwa mit Thermoöl oder Luft, zurückgegriffen werden, was einen zusätzlichen Wärmetauscher notwendig macht und eine zusätzliche Temperaturdifferenz bedeutet. Diese zusätzliche Temperaturdifferenz würde aufgrund des schlechten Wärmeübergangskoeffizienten von Luft oder Öl in einem Wärmetauscher an das Speichermaterial sogar besonders groß ausfallen. Aufgrund der meist sehr niedrigen Wärmeleitfähigkeiten von PCM-Materialen, wie beispielsweise Paraffin, sind außerdem sehr großflächige Wärmetauscher erforderlich um eine entsprechende Lade- und Entladeleistung zu erreichen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten thermischen Energiespeicher anzugeben, der ohne einen Zwischenkreislauf mit zusätzlichem Wärmetauscher auskommt.
Die Aufgabe ist durch ein System gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße thermische Energiespeichersystem verwendet ein Phasenwechselmaterial als Wärmespeichermaterial und ein Arbeitsfluid als Wärmetransportmaterial. Dabei ist das Wärmespeichermaterial ein fest-fest-Phasenwechselmaterial oder ein formstabiles fest-flüssig-Phasenwechselmaterial. Das bedeutet, dass das Phasenwechselmaterial auch in der flüssigen Phase formstabil bleibt. Das Phasenwechselmaterial ist dabei so in einen Kreislauf des Arbeitsfluids zum Wärmebeladen oder -entladen des Phasenwechselmaterials integriert, dass das Arbeitsfluid in direkten Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial führbar ist, so dass die Kondensation bzw. die Verdampfung des Arbeitsfluids direkt an der Oberfläche des Phasenwechselmaterials vornehmbar ist. Dies hat den Vorteil, dass durch die direkte Verdampfung und Kondensation des Arbeitsfluids auf dem Phasenwechselmaterial hohe Wärmeübergangskoeffizienten erhalten werden, sodass insgesamt nur kleine Temperaturdifferenzen zur Umwandlungstemperatur des Phasenwechselmaterials entstehen. Dadurch wird ein größtmöglicher Wirkungsgrad erreicht. Dies kann sich besonders vorteilhaft auswirken wenn der Entladevorgang des PCM-Speichers beispielsweise mit einem Kraftwerksprozess gekoppelt wird. Wird die Wärme des PCM-Speichers etwa für einen Organic-Rankine-Cycle-Prozess genutzt, dürfen die Temperaturbänder nicht zu groß sein, da eine Temperaturabnahme mit einer Abnahme des Wirkungsgrades verbunden wäre. Diese Anwendungsform ist daher durch den erfindungsgemäßen thermischen Energiespeicher ermöglicht.
Beispielsweise wird als Arbeitsfluid ein Prozessmaterial eingesetzt, welches für Hochtemperaturanwendungen geeignet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Arbeitsfluid ein Fluorketon eingesetzt.
Der Einsatz von fest-fest-Phasenwechselmaterialien und formstabilen fest-flüssig-Phasenwechselmaterialien hat eben den Vorteil, dass die Form und somit die Oberfläche des Materials erhalten bleibt. Formstabile fest-flüssig-Phasenumwandlungen kommen etwa bei Molekülen sehr hoher Kettenlänge vor, z.B. wäre ultrahochmolekulares Polyethylen als solches formstabiles fest-flüssig-PCM einsetzbar.
Durch die Gewährleistung einer formstabilen Oberfläche kann eben diese Fläche direkt zur Verdampfung und Kondensation des Arbeitsfluids eingesetzt werden. Insbesondere wird das Phasenwechselmaterial dafür so ausgestaltet, dass es eine maximale Kontaktfläche mit dem Arbeitsfluid aufweist. Für das Design des Speichers sind Ausgestaltungen ähnlich wie bei Kühlkörpern mit Noppen, Wellen oder Rippen zur Oberflächenvergrößerung möglich. Eine Ausgestaltung des Speichermaterials dahingehend, dass eine möglichst große Fläche für die direkte Verdampfung und Kondensation des Arbeitsfluids entsteht kann auch beispielsweise darin bestehen, dass die Oberfläche eine gewisse Rauigkeit aufweist oder, dass es sich um ein poröses Speichermaterial handelt. Auch eine einfache Aufteilung des PCM-Speichers in kleinere Untereinheiten anstelle eines einzelnen Speicherblocks bewirkt schon eine vorteilhafte Vergrößerung der Kontaktfläche.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Wärmespeicher zum Wärmeentladen mit einem Organic-Rankine-Kreislauf verbunden. Durch den erzielten größtmöglichen Wirkungsgrad durch die direkte Verdampfung des Arbeitsfluids auf dem PCM kann ein Organic-Rankine-Cycle-Kraftwerksprozess betrieben werden.
Insbesondere wird der thermische Energiespeicher zusätzlich mit einem Hochtemperaturwärmepumpenkreislauf zum Wärmebeladen des Speichermaterials gekoppelt. Eine Kombination des direkten PCM-Speichers mit einem Organic-Rankine-Cycle sowohl als auch einer Hochtemperaturwärmepumpe ermöglicht, für beide Arbeitskreisläufe das gleiche Arbeitsfluid zu verwenden. Dafür sind beispielsweise Arbeitsmittel aus der Familie der Fluorketone besonders geeignet. Damit ist das thermische Energiespeichersystem beispielsweise auch so ausgestaltbar, dass beide Kreisläufe eine gemeinsame Zu- und Ableitung zum bzw. vom Wärmespeicher aufweisen. Insbesondere ist dann der Wärmespeicher über die gemeinsame Zu- und Ableitung je über ein 3-Wege-Ventil mit dem Organic-Rankine-Kreislauf oder mit dem Kreislauf der Hochtemperaturwärmepumpe verbindbar.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in exemplarischer Weise mit Bezug auf die angehängte Zeichnung beschrieben:
Die Figur zeigt ein Fließdiagramm eines thermischen Energiespeichersystems. Dabei ist zentral in der Mitte des Diagramms der Energiespeicher mit dem Phasenwechselmaterial 10 gezeigt. Dabei ist der Energiespeicher so ausgestaltet, dass er eine möglichst große Oberfläche anbietet, die vom Wärmetransportmedium, zum Beispiel einem Fluorketon, überflossen werden kann. Die Zu- und Ableitung für eben dieses Arbeitsfluid vom und zum thermischen Energiespeicher 10 schließt an je ein 3-Wege-Ventil 17 an. Je nach Ventilstellung kann der Speicher 10 mit einem Kreislauf 20 zum Entladen des Speichers 10 verbunden werden oder mit einem Kreislauf 30 zum Beladen des Speichers 10. Der Kreislauf 20 zum Entladen des Speichers 10 ist im gezeigten Fall ein Organic-Rankine-Kreislauf. Dieser weist in der Reihenfolge des Arbeitsmittelflusses folgende Bauteile auf: Einen Generator 24 zum Antrieb einer Turbine 25, einen Verflüssiger 21 mit Wärmetauscher 22, über den Wärme Q_out an die Umgebung oder an einen weiteren Arbeitskreislauf abgegeben werden kann. Danach folgt eine Flüssigkeitspumpe 23, die für den Weitertransport des Arbeitsmediums zum Energiespeicher 10 hin sorgt. Beim Entladen des Wärmespeichers 10 über den Organic-Rankine-Kreislauf 20 agiert der Wärmespeicher 10 als Verdampfer 27, was bedeutet, dass das Arbeitsfluid in direktem Kontakt mit dem PCM-Material 10 kondensiert.
Bei Änderung der Ventilstellung der 3-Wege-Ventile 17 wird der thermische Energiespeicher 10 an den Kreislauf einer Hochtemperaturpumpe 30 angeschlossen und kann über diesen wieder beladen werden. Beim Beladevorgang agiert also der Wärmespeicher 10 als Verflüssiger 37, bei dem das Arbeitsfluid in Kontakt mit dem PCM-Material 10 kondensiert. Der Hochtemperaturwärmepumpenkreislauf 30 weist in Flussrichtung des Arbeitsmediums folgende Bauteile auf: Ein Expansionsventil 33 ist vor den Verdampfer 31 geschaltet, der mittels eines Wärmetauschers 32 Wärme aus der Umgebung Q_in oder aus einem weiteren angeschlossenen Arbeitskreislauf aufnimmt. Danach befindet sich der Kompressor 35, der über einen Motor 34 angetrieben wird.

Claims

Thermisches Energiespeichersystem mit einem Phasenwechselmaterial (10) als Wärmespeichermaterial und einem Arbeitsfluid als Wärmetransportmaterial wobei das Wärmespeichermaterial ein fest-fest-Phasenwechselmaterial oder ein formstabiles fest-flüssig-Phasenwechselmaterial ist und wobei das Phasenwechselmaterial (10) so in einen Kreislauf des Arbeitsfluids zum Wärmebeladen oder -entladen des Phasenwechselmaterials (10) integriert ist (27, 37), dass das Arbeitsfluid in direkten Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial (10) führbar ist, so dass die Kondensation (37) beziehungsweise die Verdampfung (27) des Arbeitsfluids direkt an der Oberfläche des Phasenwechselmaterials (10) vornehmbar ist.
Thermisches Energiespeichersystem nach Anspruch 1 wobei das Arbeitsfluid ein Fluoroketon ist.
Thermisches Energiespeichersystem nach Anspruch 1 oder 2 wobei das Phasenwechselmaterial (10) so ausgestaltet ist, dass es eine maximale Kontaktfläche mit dem Arbeitsfluid aufweist.
Thermisches Energiespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Organic-Rankine-Kreislauf (20) zum Wärmeentladen (27) des Wärmespeichers (10).
Thermisches Energiespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Hochtemperaturwärmepumpe (30) zum Wärmebeladen (37) des Wärmespeichers (10).
Thermisches Energiespeichersystem nach den vorstehenden Ansprüchen 4 und 5 wobei in den Kreisläufen, dem Organic-Rankine-Kreislauf (20) wie dem Kreislauf der Hochtemperaturwärmepumpe (30) das gleiche Arbeitsfluid verwendet wird und beide Kreisläufe (20, 30) eine gemeinsame Zu- und Ableitung zum beziehungsweise vom Wärmespeicher (10) aufweisen.
Thermisches Energiespeichersystem nach Anspruch 6 wobei der Wärmespeicher (10) über die gemeinsame Zu- und Ableitung je über ein Dreiwegeventil (17) mit dem Organic-Rankine-Kreislauf (20) oder mit dem Kreislauf der Hochtemperaturwärmepumpe (30) verbindbar ist.