-
Die Erfindung betrifft eine Anlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
-
Die dezentrale Speicherung von Energie, insbesondere von erneuerbaren Energie, ist besonders in Bezug auf eine nachhaltige und ressourcenschonende Energielandschaft von grundsätzlicher Bedeutung. Eine lokale Erzeugung von Energie, insbesondere von elektrischer Energie, in der lokalen Umgebung von Wohngebäuden oder industrielle Anlagen, deckt meist den momentanen benötigten Bedarf an Energie nicht ab oder liegt gar über diesem. Der momentane Bedarf an Energie, beispielsweise der eines Gebäudes, und deren Erzeugung sind daher selten zeitlich deckungsgleich. Bei einer dezentralen Erzeugung von Energie ist daher auch eine dezentrale Speicherung der gewonnen Energie von besonderer Bedeutung, damit die Erzeugung und der Verbrauch von Energie zeitlich entkoppelt werden können.
-
Bekannt ist nach dem Stand der Technik Batteriespeicher in Gebäuden zu nutzen, die es ermöglichen Erzeugungsengpässe abzudecken. Hierbei wird die elektrische Energie zur Versorgung eines Gebäudes beispielsweise aus Photovoltaikanlagen und/oder Kleinwindkraftanlagen in der lokalen Umgebung des Gebäudes gewonnen. Ist der aktuelle Verbrauch an Energie geringer als deren Erzeugung, so kann die überschüssige Energie in den Batteriespeichern für einen späteren Zeitpunkt, in dem der Energieverbrauch höher als die Erzeugung ist, gespeichert werden. Ebenso werden lokale Batteriespeicher in Krankenhäusern eingesetzt um Ausfälle in der zentralen Energieversorgung abzufangen.
-
Nach dem Stand der Technik werden stationäre Hochtemperaturspeicher bzw. Hochtemperaturbatterien bei Wärmekraftwerken, Solarkraftwerken oder Windfarmen eingesetzt, um deren Flexibilität zu steigern. So kann beispielsweise auch bei schwachem Sonnenschein elektrische Energie zur Verfügung gestellt werden. Wegen ihrer hohen Energiedichte und Zuverlässigkeit werden Hochtemperaturbatterien, insbesondere NaNiCl2-Batterien, zudem in dezentralen Telekommunikationsanlagen oder bei Waffensystemen, wie beispielsweise U-Booten oder Raketen, verwendet. Im mobilen Bereich werden Hochtemperaturbatterien in Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb eingesetzt. Hochtemperaturbatterien, die eine hohe Betriebstemperatur von wenigstens 150 °C, insbesondere von wenigstens 260 °C aufweisen, besitzen eine stark exotherme chemische Entladereaktion, die insbesondere bei hohen Entladeleistungen wenigstens ein Fünftel der gespeicherten Energie als Wärme freisetzt. Hochtemperaturbatterien sind beispielsweise NaS-Batterien oder NaNiCl2-Batterien. Ebenso können Hochtemperaturbatterien als Metalloxid- wie auch Metall-Luft-Batterien ausgeführt sein.
-
Viele Hochtemperaturbatterien, insbesondere Hochtemperaturbatterien mit einer Mehrzahl von Modulen, benötigen trotz der hohen Betriebstemperaturen, etwa während des Entladevorgangs, eine Kühlung, um ein Überhitzen und somit eine Schädigung durch im Betrieb erzeugte Wärme aufgrund endlicher Wirkungsgrade zu verhindern. Bei größeren Modulen wird nach dem Stand der Technik ein Luftgebläse zur Kühlung eingesetzt, das Umgebungsluft als Kühlmittel durch ein Kanalsystem in der Batterie bläst. Dadurch wird die Abwärme der Hochtemperaturbatterie auf den gelenkten Luftstrom übertragen und vom Batteriemodul abgeführt. Eine Nutzung der Abwärme erfolgt dabei nach dem Stand der Technik nicht.
-
Eine Verwendung von stationären Hochtemperatursystemen in Gebäuden mit gekoppelter Abwärmenutzung ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt. Insbesondere werden in privaten Haushalten, trotz der Vorteile von Hochtemperaturbatterien, Niedertemperaturbatterien eingesetzt. Dies begründet sich dadurch, dass die Gesamtenergiekosten, also Wärmenutzung und elektrischer Strom, beim stationären Einsatz in Gebäuden bisher von wirtschaftlich geringem Interesse sind. Zur lokalen Speicherung von Energie, insbesondere in privaten Haushalten, werden daher Niedertemperaturspeichersysteme, insbesondere Niedertemperaturbatterien, eingesetzt. Meist werden diese allein für die Speicherung von elektrischer Energie und deren Rückwandlung in elektrischer Energie genutzt. Der Wärmebedarf des Gebäudes wird überdies nach dem Stand der Technik anderweitig gedeckt und vom Batteriesystem unabhängig gestaltet, beispielsweise werden dezentrale Wärmepumpen, Wärmepumpen mit Erdsonden und/oder Warmwasserspeicher zur Wärmegewinnung genutzt. Bei ungünstigen Rahmenbedingungen, wie beispielsweise hohe Umgebungstemperaturen in warmen Ländern, müssen Niedertemperaturbatterien sogar aufwendig klimatisiert werden, was das Kälte-/Wärmemanagement des Gebäudes dann zusätzlich belastet und zu einer verminderten Effizienz der Niedertemperaturbatterie auf Systemlevel führt.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine stationäre und lokale Hochtemperaturbatterie als Energiespeicher für ein Gebäude zu nutzen, bei gleichzeitiger Rückgewinnung und Nutzung der von der Hochtemperaturbatterie erzeugten Abwärme.
-
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung zur lokalen Nutzung der Abwärme einer Hochtemperaturbatterie in Gebäuden umfasst wenigstens eine Hochtemperaturbatterie und ein mit dieser thermisch gekoppeltes Kühlsystem mit einem fluiden Wärmeträgermedium. Hierbei ist das Kühlsystem mittels des fluiden Wärmeträgermediums zum Transport einer Abwärme der Hochtemperaturbatterie zu einem Wärmeverbraucher ausgebildet. Erfindungsgemäß wird vorteilhafterweise die Abwärme der Hochtemperaturbatterie an einen Wärmeverbraucher eines Gebäudes abgeführt. Die Hochtemperaturbatterie kann mehrere Module aus einzelnen Zellen umfassen.
-
Vorteilhafterweise wird die Hochtemperaturbatterie durch das Kühlsystem, das ein fluides Wärmeträgermedium umfasst, während der stark exothermen Entladereaktion gekühlt. Dadurch wird ein Überhitzen der Batterie verhindert, so dass für den lokalen Betrieb in Gebäuden die Betriebssicherheit unterstützt wird. Besonders vorteilhaft ist, dass gegensätzlich zu einer Luftkühlung die Abwärme nicht an die Umgebung abgegeben wird, sondern bei hoher Temperatur nahe der Betriebstemperatur der Hochtemperaturbatterie auf das fluide Wärmeträgermedium übergeht. Dadurch wird das hohe exergetische potential der Abwärme erhalten. Überdies weist die Kühlung durch ein fluides Kühlsystem den Vorteil auf, dass eine deutlich homogenere Temperaturverteilung der Hochtemperaturbatterie erreicht wird und sich zudem die Pumpleistung gegenüber einer Kühlung mittels Gebläse reduziert. Durch die Verwendung eines fluiden Wärmeträgers kann die Ausgestaltung des Wärmetransports, beispielsweise durch Rohrleitungen, gemäß des Stands der Technik einfach gestaltet werden.
-
Vorteilhafterweise wird die Abwärme der Hochtemperaturbatterie über das fluide Wärmeträgermedium an einen Wärmeverbraucher eines Gebäudes abgeführt. Dadurch wird die Abwärme lokal im Gebäude nutzbar gemacht. Besonders vorteilhaft ist, dass hierdurch beim Entladevorgang der Batterie gleichzeitig elektrische Energie und Wärme zur Verfügung gestellt wird. Die erfindungsgemäße Anlage kombiniert daher die Erzeugung von elektrischer Energie aus einem lokalen Energiespeicher und die Bereitstellung von Wärme. Dadurch wird sowohl die ökologische als auch die ökonomische Effizienz der Hochtemperaturbatterie signifikant gesteigert. Durch die gezielte Einstellung eines thermischen Gleichgewichts zwischen der Abgabe von Wärme und deren Erzeugung wird überdies ein verbessertes Wärmemanagement für die Hochtemperaturbatterie erreicht, so dass sich die Lebensdauer der Batteriezellen bzw. der Batteriemodule verlängert. Durch die dezentrale, lokale Anbringung der Hochtemperaturbatterie und/oder der erfindungsgemäßen Anlage in einem Gebäude wird vorteilhafterweise ein dezentraler Energiespeicher ermöglicht. Hierbei bedeutet eine lokale Anbringung bzw. Unterbringung der erfindungsgemäßen Anlage eine Anbringung innerhalb eines Gebäudes und/oder in dessen näheren Umgebung, insbesondere in einem Radius kleiner gleich 200 m um das Gebäude. Besonders zweckmäßig ist eine Anordnung innerhalb eines Radius von höchstens 100 m um das Gebäude. Überdies können Elemente der Anordnung sowohl innerhalb des Gebäudes als auch in dessen lokaler Umgebung angeordnet sein.
-
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Anlage einen Wärmetauscher, der dazu ausgebildet ist, Wärme vom fluiden Wärmeträgermedium auf den Wärmeverbraucher des Gebäudes abzuführen. Dadurch wird die so abgeführte und dem Wärmeträgermedium inne wohnende thermische Energie effizient auf den Wärmeverbraucher übertragen.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist für die Anlage ein Wärmespeicher vorgesehen, der ein Reservoir zur Aufnahme des Wärmeträgermediums umfasst. Insbesondere umfasst das Kühlsystem einen solchen Wärmespeicher. Dadurch wird vorteilhafterweise eine zeitliche Entkopplung zwischen der Erzeugung elektrischer Energie während des Entladeprozesses der Hochtemperaturbatterie und der Nutzung der Abwärme erreicht. Beispielsweise ist der Wärmespeicher ein Vorlagetank, insbesondere ein Thermoöltank, der gleichzeitig als thermischer Hochtemperaturspeicher dient. Zur Erfüllung des Zweckes als Hochtemperaturspeicher, kann der Wärmespeicher eine zweckdienliche Dimensionierung und Isolierung aufweisen. Der Wärmespeicher ist daher vorteilhafterweise ein Zwischenpuffer zur zeitlichen Entkopplung des Anfalls von Abwärme und des Bedarfs an Wärme durch das Gebäude. Hierbei ermöglicht die Wiederverwendung von thermischer Energie einen besonders effizienten Betrieb.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das fluide Wärmeträgermedium ein Thermoöl mit einer geringen kinematischen Viskosität. Insbesondere beträgt die kinematische Viskosität höchstens 1 mm2/s bei 260 °C. Besonders vorteilhaft ist eine kinematische Viskosität von höchstens 0,5 mm2/s bei 260 °C. Typischerweise besitzt ein Thermoöl eine wenigstens hundertfach geringere kinematische Viskosität als Luft. Überdies besitzen die meisten Thermoöle im Wesentlichen eine gegenüber Luft doppelt so große Wärmekapazität. Beide genannten Vorteile führen gegenüber einem mit Luft betriebenen Kühlsystem wenigstens zu einer zweihundertfachen Reduzierung der Pumpleistung.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hochtemperaturbatterie eine NaNiCl2-Batterie umfasst. Der genannte Batterietyp eignet sich besonders als Hochtemperaturbatteriespeicher, da er sich bereits bei einer Mehrzahl von Anwendungen, insbesondere bei kraftwerktechnischen Anwendungen, bewährt hat. Zudem sind die Technologien ausreichend ausgereift, um diese auch in verschiedensten Anwendungen einzusetzen. Überdies sind die Ausgangsstoffe im Vergleich zu anderen Akkutechnologien in ausreichenden Mengen kosten- und ressourcenschonend vorhanden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Hochtemperaturbatterie eine Betriebstemperatur von wenigstens 260 °C und höchstens 350 °C auf. Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise eine hohe Temperatur des Wärmeträgermediums, so dass eine hohe Energiedichte erreicht wird. Zudem können dadurch die Durchmesser von Rohrleitungen des Kühlsystems, beispielsweise gegenüber dem Einsatz von Wasser mit einer Temperatur von höchstens 100 °C, wesentlich kleiner ausgelegt werden. In Konsequenz führt dies zu geringeren Kosten bei einer gleichzeitigen Verkleinerung der Gesamtanlage.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Wärmeverbraucher des Gebäudes eine Heizungsanlage. Dadurch kann die an den Wärmverbraucher abgeführte thermische Energie direkt als Wärme genutzt werden. Beispielsweise ist die Heizungsanlage als thermoölbeheizter Ofen ausgebildet. Insbesondere können Kantinen, Großküchen oder Bäckereien die erfindungsgemäße Anlage zum heizen von betrieblichen Anlagen umfassen. Überdies ist beispielsweise in Wäschereien die Heizungsanlage als Trockner ausgebildet. Ebenso ist eine Heizung von Brauchwasser und/oder Trinkwasser eines Gebäudes vorgesehen.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Wärmeverbraucher als Dampferzeuger ausgebildet. Dadurch ist es möglich, insbesondere für Wäschereien oder Küchen, einen Heiz- und/oder Prozessdampf bereitzustellen.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Wärmeverbraucher des Gebäudes eine Kühlanlage. Vorteilhafterweise besitzt das Wärmeträgermedium eine Temperatur im Bereich von 200 °C bis 350 °C, so dass ein effizienter Betrieb von wärmegetriebenen Kühlanlagen ermöglicht wird. Dadurch wird die Abwärme der Anlage beispielsweise zur Klimatisierung (HVAC) des Gebäudes, insbesondere eines Bürogebäudes, genutzt. Auch ein Betrieb eines Kühlhauses bzw. eines Kühlraumes ist vorgesehen.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst der Wärmeverbraucher des Gebäudes eine Wasseraufbereitungsanlage. Vorteilhafterweise ermöglichen die Temperaturen im Bereich von 200°C bis 350°C des Wärmeträgermediums einen effizienten Betrieb einer lokalen Wasseraufbereitungsanlage. Beispielsweise dient die Wasseraufbereitungsanlage zur Bereitstellung von Trinkwasser und/oder zur Aufbereitung von Abwasser. Zudem ist eine zusätzliche Speicherung des aufbereiteten Wassers möglich, so dass eine zeitliche Entkopplung von elektrischem Energiebedarf und Abwärmenutzung ermöglicht wird. Überdies ermöglicht ein Wärmetauscher eine einfache Kopplung von Wärmeträgermedium und von einem Wasserkreislauf, wobei der Wasserkreislauf beispielsweise bereits in einem Gebäude vorhanden ist.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängte Zeichnung beschrieben, in der
-
1 eine schematische Schaltansicht der Anlage in einem Gebäude veranschaulicht.
-
1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage 1, die neben einer mehrere Batteriezellen 15 umfassenden Hochtemperaturbatterie 10, einen Wärmetauscher 30 nebst einem Wärmespeicher 40 umfasst. Überdies umfasst die Anlage einen Wärmeverbraucher 42, der im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Abwärme 41 zur Erzeugung von beispielsweise Prozessdampf 44 nutzt. Der Prozessdampf 44 wird dann beispielsweise in einer Wäscherei und/oder zum Garen in Küchen verwendet.
-
Die Hochtemperaturbatterie 10, der Wärmespeicher 40 und der Wärmetauscher 30 sind über ein gemeinsames Kühlsystem 46 miteinander verschaltet. Hierbei dient der Wärmespeicher 40 zur Zwischenspeicherung eines fluiden Wärmeträgermediums 20, dass entlang einer Strömungsrichtung 25 strömt. Das Wärmeträgermedium 20 ist durch eine Pumpe 22 mit einer Strömung beaufschlagt und wird folglich den genannten einzelnen Elementen zugeführt. Überdies strömt das Wärmeträgermedium 20 durch Zwischenräume 16, die zwischen den einzelnen Batteriezellen 15 der Hochleistungsbatterie 10 ausgebildet sind. Die bei einem Entladeprozess entstehende Abwärme der Hochtemperaturbatterie 10 wird dadurch effizient auf das Wärmeträgermedium 20 abgeführt. Anschließend wird das Wärmeträgermedium 20, insbesondere ein Thermoöl, in dem Wärmespeicher 40 zwischengespeichert. Dem Wärmeverbraucher 42 kann daher bei Bedarf Wärme 41 über den Wärmetauscher 30 zugeführt. Denkbar ist aber auch eine Zuführung von Wärme an das Wärmeträgermedium 20 über den Wärmetauscher 30 und/oder über einen weiteren Wärmetauscher. Insbesondere bei einem Ladevorgang der Hochtemperaturbatterie 10 ist dies vorteilhaft.
-
Ausführungsgemäß ist die gesamte Anlage lokal in einem Gebäude 50 angeordnet. Beispielsweise ist das Gebäude ein privates Wohngebäude und/oder eine industrielle Anlage. Als thermische Großverbraucher, die den Wärmeverbraucher 42 umfassen, sind Kantinen, Großküchen, Bäckereien, Wasseraufbereitungsanlagen, Kühlhäuser, Krankenhäuser und/oder kraftwerkstechnische Anlagen vorgesehen. Ebenso ist es möglich die Anlage 1, insbesondere das Kühlsystem 46, mit einem bereits vorhanden Wasser- und/oder Flüssigkeitskreislauf des Gebäudes 50 über den Wärmetauscher 30 und/oder über einen weiteren Wärmetauscher zu koppeln.
-
Gemäß einer weiterführenden, vorliegenden nicht gezeigten Ausführungsform wird die Hochtemperaturbatterie 10 durch eine Photovoltaikanlage, die beispielsweise auf einem Dach 52 des Gebäudes 50 angebracht ist, mit elektrischer Energie versorgt. Ebenso kann die Hochtemperaturbatterie 10 durch lokale Kleinwindkraftanlagen in der lokalen Umgebung des Gebäudes 50 gespeist werden.
-
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
