DE102013217607A1 - Method of providing steam and steam delivery device - Google Patents
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Abstract
Um ein Verfahren zum Bereitstellen von Dampf, insbesondere zum Bereitstellen von gespeicherter elektrischer Energie, zu schaffen, bei welchem die zur Verfügung stehende elektrische und thermische Energie besonders effizient genutzt werden kann, wird vorgeschlagen, dass das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Flüssigkeit; Erhitzen der Flüssigkeit unter Verwendung von Abwärme einer Wärmekraftmaschine; Verdampfen der Flüssigkeit unter Verwendung von Wärme aus einer Wärmespeichervorrichtung, so dass Dampf erhalten wird; Erhitzen, insbesondere Überhitzen, des Dampfes unter Verwendung von Abwärme der Wärmekraftmaschine.In order to provide a method for providing steam, in particular for providing stored electrical energy, in which the available electrical and thermal energy can be used particularly efficiently, it is proposed that the method comprises: providing a liquid; Heating the liquid using waste heat of a heat engine; Evaporating the liquid using heat from a heat storage device to obtain steam; Heating, in particular overheating, the steam using waste heat of the heat engine.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von Dampf, insbesondere zum Bereitstellen von gespeicherter elektrischer Energie.The present invention relates to a method for providing steam, in particular for providing stored electrical energy.
Elektrische Energie kann beispielsweise durch Umwandlung in Wärme mittels thermischer Energiespeicher gespeichert werden. Hierzu sind thermische Energiespeicher, welche sensible Wärme bei maximalen Temperaturen von beispielsweise ungefähr 500 °C speichern, mit Kapazitäten im GWh-Bereich bereits im kommerziellen Einsatz. Beispielsweise kann dabei überschüssige elektrische Energie eines Kraftwerks direkt dazu genutzt werden, einem Speicher Wärme zuzuführen. Die Wärme wird dann vorzugsweise zu einem späteren Zeitpunkt dazu eingesetzt, einen Kreisprozess zu betreiben, bei welchem die Wärme in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Dies kann wiederum zum Antrieb eines Generators genutzt werden.Electrical energy can be stored for example by conversion to heat by means of thermal energy storage. For this purpose, thermal energy storage, which store sensitive heat at maximum temperatures of, for example, about 500 ° C, with capacities in the GWh range already in commercial use. For example, excess electrical energy of a power plant can be used directly to supply heat to a memory. The heat is then preferably used at a later time to operate a cycle in which the heat is converted into mechanical work. This can in turn be used to drive a generator.
Der Entladeprozess eines solchen thermischen Energiespeichers unterliegt den Beschränkungen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, aus dem folgt, dass aus einer Wärmemenge der mittleren Temperatur Tm in einem Prozess mit der Abwärmetemperatur TAbwärme nur ein theoretisch maximaler Anteil von 1 – Tm/TAbwärme in mechanische Arbeit zum Antrieb eines Generators umgewandelt werden kann. Bei einer technischen Realisierung ist zu erwarten, dass der Speicherwirkungsgrad in einem Bereich von ungefähr 35 % bis etwa 40 % liegt. Der größere Teil der zugeführten elektrischen Energie wird somit in zunächst nicht nutzbare Niedertemperaturwärme umgewandelt. The discharge process of such a thermal energy storage is subject to the limitations of the second law of thermodynamics, from which follows that from a heat quantity of the average temperature T m in a process with the waste heat temperature T waste heat only a theoretical maximum proportion of 1 - T m / T waste heat in mechanical work can be converted to drive a generator. In a technical implementation, it is expected that the storage efficiency will be in the range of about 35% to about 40%. The greater part of the supplied electrical energy is thus converted into initially unusable low-temperature heat.
Grundsätzlich kann die mechanische Energie und/oder elektrische Energie dazu genutzt werden, Wärme auf eine höhere Temperatur zu transformieren (sogenannte Wärmepumpe) und damit die Arbeitsfähigkeit dieser Wärme zu erhöhen. Mittels einer solchen Wärmepumpe kann Wärme aus einem Kaltspeicher entnommen und zum zusätzlichen Erhitzen eines Heißspeichers diesem Heißspeicher zugeführt werden. Die Energie im Heißspeicher ist somit die Summe aus der zugeführten elektrischen Energie und der dem Kaltspeicher entnommenen Wärme. Entsprechend steht für den Antrieb eines Energiewandlers (Generators) bei der Entladung bei gleicher ursprünglich aufgenommener elektrischer Energie eine größere Wärmemenge auf hohem Temperaturniveau zur Verfügung. Der theoretische Maximalwert der bei der Entladung abgegebenen elektrischen Energie entspricht dabei dem Wert der bei der Beladung zugeführten elektrischen Energie. Bei einer idealen Umsetzung eines Speicherkonzepts mit vollständig reversibel arbeitenden Energiewandlern und ohne thermische Verluste an die Umgebung kann die eingespeicherte elektrische Energie bei der Entladung vorzugsweise wieder vollständig als elektrische Energie entnommen werden. Somit ist theoretisch ein Speicherwirkungsgrad von 100 % erreichbar. Der Speicherwirkungsgrad ist vorzugsweise unabhängig vom thermischen Wirkungsgrad. Bei einer gegebenen elektrischen Energie, die bei der Entladung abgegeben werden soll, ergibt sich jedoch die vom Heißspeicher bereitzustellende Wärme als Quotient aus der bei der Entladung abgegebenen elektrischen Energie geteilt durch den thermischen Wirkungsgrad. Somit ist ein möglichst hoher thermischer Wirkungsgrad anzustreben.Basically, the mechanical energy and / or electrical energy can be used to transform heat to a higher temperature (so-called heat pump) and thus increase the ability to work this heat. By means of such a heat pump, heat can be removed from a cold storage and fed to this hot storage for additional heating of a hot storage. The energy in the hot storage is thus the sum of the supplied electrical energy and the heat removed from the cold storage. Accordingly, for the drive of an energy converter (generator) during discharge at the same originally recorded electrical energy, a larger amount of heat at a high temperature level is available. The theoretical maximum value of the electrical energy emitted during the discharge corresponds to the value of the electrical energy supplied during the loading. In an ideal implementation of a storage concept with fully reversible operating energy converters and without thermal losses to the environment, the stored electrical energy can preferably be completely removed again as electrical energy during the discharge. Thus theoretically a storage efficiency of 100% can be achieved. The storage efficiency is preferably independent of the thermal efficiency. However, given a given electrical energy to be discharged upon discharge, the heat to be supplied by the hot accumulator is given as the quotient of the electrical energy released during the discharge divided by the thermal efficiency. Thus, the highest possible thermal efficiency is desirable.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bereitstellen von Dampf, insbesondere zur Speicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie, zu schaffen, bei welchem die zur Verfügung stehende elektrische und thermische Energie besonders effizient genutzt werden kann.The present invention has for its object to provide a method for providing steam, in particular for the storage and provision of electrical energy, in which the available electrical and thermal energy can be used very efficiently.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Bereitstellen von Dampf gelöst, welches Folgendes umfasst:
- – Bereitstellen einer Flüssigkeit;
- – Erhitzen der Flüssigkeit unter Verwendung von Abwärme einer Wärmekraftmaschine;
- – Verdampfen der Flüssigkeit unter Verwendung von Wärme aus einer Wärmespeichervorrichtung, so dass Dampf erhalten wird;
- – Erhitzen, insbesondere Überhitzen, des Dampfes unter Verwendung von Abwärme der Wärmekraftmaschine.
- - Providing a liquid;
- Heating the liquid using waste heat from a heat engine;
- Vaporizing the liquid using heat from a heat storage device so that steam is obtained;
- - Heating, in particular overheating, of the steam using waste heat of the heat engine.
Dadurch, dass erfindungsgemäß das Verdampfen der Flüssigkeit unter Verwendung von Wärme aus einer Wärmespeichervorrichtung erfolgt, kann der Dampf besonders energieeffizient bereitgestellt werden.By virtue of the fact that according to the invention the evaporation of the liquid takes place using heat from a heat storage device, the steam can be provided in a particularly energy-efficient manner.
Unter dem Begriff "Dampf" ist insbesondere Heißdampf, überhitzter Dampf, Sattdampf und/oder trockener Dampf zu verstehen.The term "steam" is to be understood in particular as superheated steam, superheated steam, saturated steam and / or dry steam.
Die Flüssigkeit und/oder der Dampf umfassen beispielsweise Wasser oder sind aus Wasser gebildet. Es können jedoch auch andere Flüssigkeiten oder Dämpfe vorgesehen sein.The liquid and / or the steam comprise, for example, water or are formed from water. However, other liquids or vapors may be provided.
Die Wärmespeichervorrichtung wird vorzugsweise unter Verwendung von elektrischer Energie beladen, das heißt erhitzt.The heat storage device is preferably loaded, that is heated, using electrical energy.
Vorzugsweise kann elektrische Energie bei dem Verfahren zum Bereitstellen von Dampf dadurch gespeichert werden, dass der Wärmespeichervorrichtung unter Verwendung von elektrischer Energie Wärme zugeführt wird.Preferably, electrical energy may be stored in the method of providing steam by supplying heat to the heat storage device using electrical energy.
Die Wärmespeichervorrichtung kann beispielsweise mittels einer Wärmepumpenvorrichtung, insbesondere mittels einer elektrisch betriebenen Wärmepumpenvorrichtung, beladen werden. The heat storage device can be loaded, for example, by means of a heat pump device, in particular by means of an electrically operated heat pump device.
Bei einer solchen Wärmepumpenvorrichtung wird vorzugsweise Wärme aus einem Kaltspeicher entnommen und einem Heißspeicher zugeführt.In such a heat pump device heat is preferably removed from a cold storage and fed to a hot storage.
Die Wärmepumpenvorrichtung umfasst hierzu beispielsweise eine Verdichtervorrichtung zum Verdichten und/oder Entspannen eines Fluids, um Wärme aus dem Kaltspeicher zu entnehmen und dem Heißspeicher zuzuführen.For this purpose, the heat pump device comprises, for example, a compressor device for compressing and / or releasing a fluid in order to remove heat from the cold accumulator and to supply it to the hot accumulator.
Der Kaltspeicher kann beispielsweise die Umgebung sein, so dass Wärme aus der Umgebung, insbesondere aus umgebender Luft, entnommen wird.The cold storage, for example, be the environment, so that heat from the environment, in particular from surrounding air, is removed.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Kaltspeicher eine Niedertemperaturwärmequelle, beispielsweise eine Abwärmequelle, eine Geothermie-Wärmequelle, eine industrielle Abwärmequelle und/oder eine Solarthermievorrichtung, ist.However, it can also be provided that the cold accumulator is a low-temperature heat source, for example a waste heat source, a geothermal heat source, an industrial waste heat source and / or a solar thermal device.
Mittels der Wärmepumpenvorrichtung wird die Wärmespeichervorrichtung vorzugsweise auf eine Temperatur erhitzt, welche es ermöglicht, dass durch ein Zuführen der Flüssigkeit zu der Wärmespeichervorrichtung und/oder einen thermischen Kontakt der Flüssigkeit mit der Wärmespeichervorrichtung die Flüssigkeit verdampft. Insbesondere Niedertemperatur-Abwärme kann hierdurch vorzugsweise aufgewertet werden.By means of the heat pump device, the heat storage device is preferably heated to a temperature which allows the liquid to evaporate by supplying the liquid to the heat storage device and / or thermally contacting the liquid with the heat storage device. In particular, low-temperature waste heat can thereby be upgraded preferably.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Flüssigkeit zum Erhitzen derselben zunächst in thermischen Kontakt mit einer Abgasvorrichtung der Wärmekraftmaschine, anschließend zum Verdampfen der Flüssigkeit in thermischen Kontakt mit der Wärmespeichervorrichtung und daran anschließend zum Erhitzen, insbesondere Überhitzen, des Dampfes erneut in thermischen Kontakt mit der Abgasvorrichtung gebracht wird.In one embodiment of the invention it is provided that the liquid for heating the same again in thermal contact with an exhaust device of the heat engine, then for vaporizing the liquid in thermal contact with the heat storage device and subsequently for heating, in particular superheating, the steam again in thermal contact is brought with the exhaust device.
Die Flüssigkeit und der Dampf werden vorzugsweise in einem geschlossenen Kreislauf, insbesondere in einem gemeinsamen geschlossenen Kreislauf, geführt.The liquid and the steam are preferably conducted in a closed circuit, in particular in a common closed circuit.
Die Flüssigkeit wird somit vorzugsweise verdampft, um den Dampf zu erhalten. Der Dampf wird dann vorzugsweise wieder verflüssigt, um die Flüssigkeit zu erhalten.The liquid is thus preferably evaporated to obtain the vapor. The steam is then preferably re-liquefied to obtain the liquid.
Der Dampf, insbesondere der überhitzte Dampf, wird vorzugsweise zum Antreiben einer Dampfturbinenvorrichtung genutzt.The steam, in particular the superheated steam, is preferably used for driving a steam turbine device.
Der Dampf wird hierdurch vorzugsweise abgekühlt.The steam is thereby preferably cooled.
Vor der Zuführung zu einer Turbinenvorrichtung der Dampfturbinenvorrichtung wird der Dampf vorzugsweise komprimiert.Before being supplied to a turbine apparatus of the steam turbine apparatus, the steam is preferably compressed.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Dampf mehrstufig komprimiert wird.It can be provided that the steam is compressed in several stages.
Vorteilhaft kann es sein, wenn dem Dampf Flüssigkeit zugegeben wird. Der Dampf kann hierdurch abgekühlt werden, insbesondere durch das Verdampfen der zugegebenen Flüssigkeit. Hierdurch kann die Dampfmenge und/oder der Druck erhöht werden.It can be advantageous if liquid is added to the vapor. The steam can thereby be cooled, in particular by the evaporation of the added liquid. As a result, the amount of steam and / or the pressure can be increased.
Es kann vorgesehen sein, dass dem Dampf mehrstufig Flüssigkeit zugegeben wird.It can be provided that the vapor is added in several stages liquid.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mehrere nacheinander geschaltete Stufen zur Komprimierung und Flüssigkeitszugabe zur Erhöhung der Dampfmenge und des Dampfdrucks vorgesehen sind.In particular, it can be provided that a plurality of successively connected stages for compression and liquid addition are provided for increasing the amount of steam and the vapor pressure.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Speichern und späteren Bereitstellen von elektrischer Energie.The present invention further relates to a method for storing and subsequently providing electrical energy.
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, die elektrische Energie mit hoher Effizienz und somit geringen Verlusten zu speichern.The invention is in this respect the task of storing the electrical energy with high efficiency and thus low losses.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Speichern und späteren Bereitstellen von elektrischer Energie gelöst, welches Folgendes umfasst:
- – Beladen einer Wärmespeichervorrichtung mit Wärme unter Verwendung von elektrischer Energie;
- – Entladen der Wärmespeichervorrichtung durch Übertragen der in der Wärmespeichervorrichtung gespeicherten Wärme auf eine Flüssigkeit, so dass die Flüssigkeit verdampft und somit Dampf bereitgestellt wird, insbesondere gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bereitstellen von Dampf;
- – Nutzen des Dampfes zum Antreiben einer Dampfturbinenvorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie.
- - Loading a heat storage device with heat using electrical energy;
- Discharging the heat storage device by transferring the heat stored in the heat storage device to a liquid, so that the liquid evaporates and thus steam is provided, in particular according to the method according to the invention for providing steam;
- - Using the steam to drive a steam turbine apparatus for generating electrical energy.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Speichern und späteren Bereitstellen von elektrischer Energie weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bereitstellen von Dampf beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.The method according to the invention for storing and subsequently providing electrical energy preferably has one or more of the features and / or advantages described in connection with the method according to the invention for providing steam.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Dampfbereitstellungsvorrichtung zur Bereitstellung von Dampf. The present invention further relates to a steam delivery apparatus for providing steam.
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, eine Dampfbereitstellungsvorrichtung bereitzustellen, mittels welcher die zur Verfügung stehende thermische und/oder elektrische Energie möglichst effizient zur Bereitstellung von Dampf nutzbar ist.The invention is in this respect the task of providing a steam supply device, by means of which the available thermal and / or electrical energy is as efficient as possible for the provision of steam available.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Dampfbereitstellungsvorrichtung zur Bereitstellung von Dampf gelöst, welche eine Wärmekraftmaschine, eine Wärmespeichervorrichtung und eine Fluidführung umfasst, wobei der Wärmekraftmaschine mittels der Fluidführung eine Flüssigkeit zuführbar ist, so dass die Flüssigkeit unter Verwendung von Abwärme der Wärmekraftmaschine erhitzbar ist, wobei die Flüssigkeit mittels der Fluidführung der Wärmespeichervorrichtung zuführbar ist, so dass die Flüssigkeit unter Verwendung von Wärme aus der Wärmespeichervorrichtung verdampfbar ist, und wobei ein hierdurch erhältlicher Dampf mittels der Fluidführung der Wärmekraftmaschine zuführbar ist, so dass der Dampf unter Verwendung von Abwärme der Wärmekraftmaschine erhitzbar, insbesondere überhitzbar, ist.This object is achieved by a steam supply device for providing steam, which comprises a heat engine, a heat storage device and a fluid guide, wherein the heat engine by means of the fluid guide, a liquid can be supplied, so that the liquid can be heated using waste heat of the heat engine, the Liquid can be supplied by means of the fluid guide of the heat storage device, so that the liquid is heatable using heat from the heat storage device, and wherein a vapor obtainable thereby by means of the fluid guide of the heat engine can be fed, so that the steam using waste heat of the heat engine heated, in particular overheatable, is.
Die erfindungsgemäße Dampfbereitstellungsvorrichtung weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.The steam delivery device according to the invention preferably has one or more of the features and / or advantages described in connection with the inventive method.
Vorzugsweise ist die Wärmekraftmaschine, insbesondere eine Abgasvorrichtung der Wärmekraftmaschine, thermisch mit der Fluidführung gekoppelt oder koppelbar.Preferably, the heat engine, in particular an exhaust device of the heat engine, thermally coupled to the fluid guide or coupled.
Ferner ist vorzugsweise die Wärmespeichervorrichtung thermisch mit der Fluidführung gekoppelt oder koppelbar.Further, preferably, the heat storage device is thermally coupled to the fluid guide or coupled.
Vorzugsweise umfasst die Dampfbereitstellungsvorrichtung einen oder mehrere Wärmeübertrager, mittels welchen die Fluidführung thermisch mit der Wärmekraftmaschine und/oder mit der Wärmespeichervorrichtung gekoppelt oder koppelbar ist.Preferably, the steam supply device comprises one or more heat exchangers, by means of which the fluid guide is thermally coupled to the heat engine and / or with the heat storage device or coupled.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Dampfbereitstellungsvorrichtung eine elektrisch betreibbare Beladevorrichtung, insbesondere eine Heizvorrichtung, beispielsweise eine Wärmepumpenvorrichtung, umfasst, mittels welcher der Wärmespeichervorrichtung zum Beladen derselben Wärme zuführbar ist.It may be advantageous if the steam supply device comprises an electrically operable loading device, in particular a heating device, for example a heat pump device, by means of which the heat storage device for loading the same heat can be supplied.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Wärmekraftmaschine eine Abgasvorrichtung umfasst.It can be advantageous if the heat engine comprises an exhaust device.
Die Fluidführung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Flüssigkeit zum Erhitzen derselben zunächst in thermischen Kontakt mit der Abgasvorrichtung, anschließend zum Verdampfen der Flüssigkeit in thermischen Kontakt mit der Wärmespeichervorrichtung und daran anschließend der Dampf zum Erhitzen, insbesondere Überhitzen, desselben in thermischen Kontakt mit der Abgasvorrichtung bringbar ist.The fluid guide is preferably configured such that the liquid for heating the same initially in thermal contact with the exhaust device, then for vaporizing the liquid in thermal contact with the heat storage device and then the steam for heating, in particular overheating, of the same in thermal contact with the exhaust device can be brought.
Die Wärmespeichervorrichtung ist vorzugsweise eine Latentwärmespeichervorrichtung und/oder eine Vorrichtung zur Speicherung von sensibler Wärme.The heat storage device is preferably a latent heat storage device and / or a device for storing sensible heat.
Günstig kann es sein, wenn die Fluidführung eine geschlossene Fluidführung ist, mittels welcher die Flüssigkeit und der Dampf in einem geschlossenen Kreislauf führbar sind. Insbesondere sind mittels der Fluidführung die Flüssigkeit und der Dampf in einem geschlossenen Kreislauf führbar, wobei alternierend die Flüssigkeit verdampft und der hieraus resultierende Dampf kondensiert wird.It may be favorable if the fluid guide is a closed fluid guide, by means of which the liquid and the steam can be guided in a closed circuit. In particular, by means of the fluid guide, the liquid and the steam can be conducted in a closed circuit, wherein the liquid is evaporated alternately and the resulting vapor is condensed.
Die erfindungsgemäße Dampfbereitstellungsvorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk, welches eine solche Dampfbereitstellungsvorrichtung umfasst.The steam delivery device according to the invention is particularly suitable for use in a gas and steam turbine power plant comprising such a steam supply device.
Ein solches Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren und/oder den erfindungsgemäßen Vorrichtungen beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.Such a gas-and-steam turbine power plant preferably has one or more of the features and / or advantages described in connection with the methods according to the invention and / or the devices according to the invention.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Speichervorrichtung zum Speichern und späteren Bereitstellen von elektrischer Energie.The present invention further relates to a storage device for storing and subsequently providing electrical energy.
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, eine Speichervorrichtung bereitzustellen, mittels welcher elektrische Energie mit hoher Effizienz und somit geringen Verlusten speicherbar ist.The invention is in this respect the task of providing a storage device by means of which electrical energy with high efficiency and thus low losses can be stored.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Speichervorrichtung zum Speichern und späteren Bereitstellen von elektrischer Energie gelöst, welche eine Wärmespeichervorrichtung, eine elektrisch betreibbare Beladevorrichtung, insbesondere Heizvorrichtung, zum Zuführen von Wärme zu der Wärmespeichervorrichtung unter Verwendung von elektrischer Energie, eine Dampfbereitstellungsvorrichtung, insbesondere eine erfindungsgemäße Dampfbereitstellungsvorrichtung, und eine Dampfturbinenvorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie umfasst, wobei mittels einer Fluidführung der Dampfbereitstellungsvorrichtung der Wärmespeichervorrichtung eine Flüssigkeit zuführbar ist, wobei die Flüssigkeit mittels der Wärmespeichervorrichtung verdampfbar ist und wobei der hierdurch erhältliche Dampf zur Erzeugung von elektrischer Energie der Dampfturbinenvorrichtung zuführbar ist.This object is achieved according to the invention by a storage device for storing and subsequently providing electrical energy, which comprises a heat storage device, an electrically operable loading device, in particular a heating device, for supplying heat to the heat storage device using electrical energy, a steam supply device, in particular a steam supply device according to the invention, and a steam turbine device for generating electrical energy, wherein a fluid can be supplied to the heat storage device by means of a fluid guide of the steam supply device, wherein the liquid by means of the heat storage device is vaporisable and wherein the thus obtainable steam for generating electrical energy of the steam turbine device can be fed.
Die erfindungsgemäße Speichervorrichtung weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen und/oder Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.The storage device according to the invention preferably has one or more of the features and / or advantages described in connection with the devices and / or methods according to the invention.
Günstig kann es sein, wenn die Beladevorrichtung eine Wärmepumpenvorrichtung ist.It may be favorable if the loading device is a heat pump device.
Vorzugsweise kann mittels der Wärmepumpenvorrichtung ein Fluidstrom, insbesondere ein Gasstrom, komprimiert werden, um dessen Temperatur zu erhöhen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Temperatur des Fluidstroms mehrstufig erhöht wird.Preferably, by means of the heat pump device, a fluid flow, in particular a gas flow, are compressed in order to increase its temperature. In particular, it can be provided that the temperature of the fluid flow is increased in several stages.
Die in dem Fluidstrom enthaltene Wärme wird vorzugsweise auf die Wärmespeichervorrichtung übertragen.The heat contained in the fluid stream is preferably transferred to the heat storage device.
In dem Fluidstrom enthaltene Restwärme wird vorzugsweise zum Antreiben einer Generatorvorrichtung und/oder zum Antreiben der Verdichtervorrichtung zum Verdichten des Fluidstroms, beispielsweise mittels einer Turbinenvorrichtung, genutzt.Residual heat contained in the fluid stream is preferably used for driving a generator device and / or for driving the compressor device for compressing the fluid flow, for example by means of a turbine device.
Vorzugsweise wird der Dampf auf einen Druck von mindestens ungefähr 50 bar, insbesondere mindestens ungefähr 80 bar, beispielsweise ungefähr 100 bar, komprimiert.Preferably, the vapor is compressed to a pressure of at least about 50 bar, in particular at least about 80 bar, for example about 100 bar.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Dampf auf eine Temperatur von mindestens ungefähr 400 °C, beispielsweise mindestens ungefähr 500 °C, insbesondere ungefähr 560 °C, erhitzt wird.Furthermore, it may be provided that the steam is heated to a temperature of at least about 400 ° C, for example at least about 500 ° C, in particular about 560 ° C.
Durch die Verwendung der Wärme aus der Wärmespeichervorrichtung zum Verdampfen der Flüssigkeit wird der Verfahrensschritt des Verdampfens bei der Bereitstellung von überhitztem Dampf ausgehend von der Flüssigkeit aus den Überhitzungsschritten mittels der Abgasvorrichtung der Wärmekraftmaschine vorzugsweise ausgeklammert.By using the heat from the heat storage device to evaporate the liquid, the step of evaporating in the provision of superheated steam from the liquid from the superheating steps by means of the exhaust device of the heat engine is preferably excluded.
Die Wärmekraftmaschine ist insbesondere eine Verbrennungsmaschine, insbesondere ein Verbrennungsmotor oder eine Gasturbinenvorrichtung.The heat engine is in particular an internal combustion engine, in particular an internal combustion engine or a gas turbine device.
Ferner können die erfindungsgemäßen Verfahren und/oder Vorrichtungen einzelne oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen:
Vorzugsweise kann elektrische Energie in einem Leistungsbereich zwischen ungefähr 5 und ungefähr 500 Megawatt bedarfsgerecht zur Verfügung gestellt werden, insbesondere über einen Zeitraum von beispielsweise ungefähr einer Stunde bis beispielsweise ungefähr zwölf Stunden. Vorzugsweise ist die Speichervorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie ortsunabhängig betreibbar, insbesondere im Gegensatz zu Pumpspeicherkraftwerken.Furthermore, the methods and / or devices according to the invention can have one or more of the features and / or advantages described below:
Preferably, electrical energy in a power range between about 5 and about 500 megawatts may be provided as needed, particularly over a period of, for example, about one hour to about twelve hours, for example. Preferably, the storage device for storage of electrical energy is independent of location operable, in particular in contrast to pumped storage power plants.
Die Speichervorrichtung kann vorzugsweise in unmittelbarer Nähe von Windkraftwerken und/oder Photovoltaikkraftwerken eingesetzt werden.The storage device may preferably be used in the immediate vicinity of wind power plants and / or photovoltaic power plants.
Vorzugsweise wird durch die Nutzung der Wärme aus der Wärmespeichervorrichtung zum Verdampfen der Flüssigkeit die Temperaturdifferenz zwischen der Flüssigkeit und/oder dem Dampf in der Abgasvorrichtung der Wärmekraftmaschine minimiert, wodurch eine Effizienzsteigerung bei der Nutzung der Abwärme der Wärmekraftmaschine möglich ist.Preferably, by using the heat from the heat storage device to evaporate the liquid, the temperature difference between the liquid and / or the steam in the exhaust device of the heat engine is minimized, whereby an increase in efficiency in the use of the waste heat of the heat engine is possible.
Insbesondere zur Beladung der Wärmespeichervorrichtung wird ein Fluidstrom, insbesondere ein Gasstrom, vorzugsweise mehrstufig verdichtet, um die Temperatur des Fluidstroms zu erhöhen.In particular for loading the heat storage device, a fluid flow, in particular a gas flow, is preferably compressed in multiple stages in order to increase the temperature of the fluid flow.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass dem Fluidstrom an verschiedenen Stellen und bei verschiedenen Verdichtungsstufen Wärme zugeführt wird.It can be provided that heat is supplied to the fluid flow at different points and at different compression stages.
Die Abgasvorrichtung der Wärmekraftmaschine ist insbesondere ein Abhitzekessel, welcher zur Erzeugung von Dampf, insbesondere durch Nutzung der Wärme der Abgase, verwendet wird. Im Kraftwerksbereich werden in Abhitzekesseln vorzugsweise Turbinenabgase zur Dampferzeugung genutzt. Der erzeugte Dampf kann beispielsweise eine Turbine antreiben.The exhaust device of the heat engine is in particular a waste heat boiler, which is used for generating steam, in particular by utilizing the heat of the exhaust gases. In the power plant area, turbine waste gases are preferably used in waste heat boilers to generate steam. The generated steam may, for example, drive a turbine.
Es kann vorgesehen sein, dass mehrere Dampfkreisläufe zum Beladen der Wärmespeichervorrichtung hintereinander geschaltet, das heißt kaskadiert, sind.It can be provided that a plurality of steam circuits for loading the heat storage device connected in series, that is cascaded, are.
Beispielsweise kann in einem ersten Dampfkreislauf Ammoniak (NH3) unter Aufnahme von Umgebungswärme und mit einer elektrischen Leistung von beispielsweise 0.382 W verdichtet werden, so dass eine Kondensation bei 110 °C möglich ist. Mit der freiwerdenden Kondensationswärme wird dann in einem zweiten Dampfkreislauf Wasser bei ungefähr 100 °C verdampft. Ein Teil der im Ammoniak bei der Rückkühlung des Kondensats freiwerdenden Wärme kann beispielsweise der Wärmespeichervorrichtung zugeführt werden. In einem mehrstufigen Verdichter können Druck und Temperatur des Wasserdampfs auf beispielsweise ungefähr 105 bar und/oder 390 °C erhöht werden.For example, in a first steam cycle, ammonia (NH 3 ) can be compressed by absorbing ambient heat and with an electrical power of, for example, 0.382 W, so that condensation at 110 ° C. is possible. With the released heat of condensation is then evaporated in a second steam cycle water at about 100 ° C. Part of the heat released in the ammonia during the recooling of the condensate can be supplied to the heat storage device, for example. In a multi-stage compressor, the pressure and temperature of the water vapor can be increased to, for example, about 105 bar and / or 390 ° C.
Die Wärme wird dann vorzugsweise der Wärmespeichervorrichtung zugeführt. Die thermische Leistung liegt dabei bei beispielsweise ungefähr 1.858 W.The heat is then preferably supplied to the heat storage device. The thermal power is for example about 1.858 W.
Bei der Entladung kann die zuvor gespeicherte Wärme beispielsweise einem Wasserdampfkreislauf mit Zwischenüberhitzung zugeführt werden, wobei die maximale Prozesstemperatur bei beispielsweise ungefähr 370 °C liegt. Bei der Entladung werden dann beispielsweise ungefähr 71 % der ursprünglich zugeführten elektrischen Energie wieder abgegeben.For example, during discharge, the previously stored heat may be supplied to a reheat steam cycle with the maximum process temperature being at about 370 ° C, for example. During discharge, for example, about 71% of the originally supplied electrical energy is then released again.
Auf einen Ammoniakdampfkreislauf kann beispielsweise verzichtet werden, wenn eine Abwärmequelle verfügbar ist, die die Verdampfung von Wasser bei ungefähr 100 °C ermöglicht. Die Abwärme kann dann beispielsweise direkt dem Wasserdampfkreislauf zugeführt werden. Für die Beladung ist dann beispielsweise nur noch eine elektrische Leistung von ungefähr 0.618 W erforderlich. Bei einer derartigen Beladung und der wie zuvor beschriebenen Entladung kann dann vorzugsweise die abgegebene elektrische Energie den Wert der bei der Beladung zugeführten elektrischen Energie übersteigen, beispielsweise um ungefähr 15 %.For example, an ammonia steam cycle may be eliminated if a waste heat source is available that allows evaporation of water at about 100 ° C. The waste heat can then be supplied for example directly to the steam cycle. For loading, for example, only an electrical power of about 0.618 W is required. With such a load and the discharge as described above, it is then preferable for the electrical energy delivered to exceed the value of the electrical energy supplied during the loading, for example by approximately 15%.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.Further preferred features and / or advantages of the invention are the subject of the following description and the drawings of exemplary embodiments.
In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Identical or functionally equivalent elements are provided with the same reference numerals in all figures.
Eine in
Die Gasturbinenvorrichtung
Mittels der Kompressorvorrichtung
In der Brennkammervorrichtung
Die Abgase aus der Brennkammervorrichtung
Die Turbinenvorrichtung
Auch die Kompressorvorrichtung
Das in der Turbinenvorrichtung
Die Abgasvorrichtung
Zur Nutzung der in dem Abgas enthaltenen Wärme ist die Dampfturbinenvorrichtung
Die Dampfturbinenvorrichtung
Mittels der Fluidführung
Zum Antreiben des Fluids kann eine Pumpenvorrichtung
Mittels der Turbinenvorrichtung
Mittels der Wärmeübertrager
Bei der in
Mittels der Wärmeübertrager
Mittels des Vorwärmers
Mittels des Verdampfers
Mittels des Überhitzers
Die Wärmeübertrager
Mittels der Dampfturbinenvorrichtung
Die Dampfturbinenvorrichtung
Das vorstehend beschriebene Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk
In der Brennkammervorrichtung
In the
Das aus der Turbinenvorrichtung
Die in Form von Wärme in dem Abgas noch enthaltene Energie wird mittels der Dampfturbinenvorrichtung
Der überhitzte Dampf wird der Turbinenvorrichtung
Anschließend wird der Dampf abgekühlt und verflüssigt und steht somit als Flüssigkeit zur erneuten Verwendung, insbesondere zur erneuten Zuführung zu dem Vorwärmer
Das Fluid wird somit in einem Dampfkreislauf
Wie insbesondere aus der Illustration der Wärmeübertragung in
Somit kommt das mittels des Überhitzer
In
Wie
Die Effizienz der Dampfturbinenvorrichtung
Eine in den
Die Speichervorrichtung
Die Speichervorrichtung
Mittels der Beladevorrichtung
Wie insbesondere
Der Verdampfer
Bei der in
Wie insbesondere dem zugehörigen Diagramm zur Illustration der Wärmeübertragung in
Der Bereich II (siehe im Vergleich hierzu
Insbesondere kann der Verlust an Arbeitsfähigkeit der Abgaswärme hierdurch reduziert werden.In particular, the loss of operability of the exhaust heat can be reduced thereby.
In
Hierzu wird mittels der Beladevorrichtung
Dies kann insbesondere mittels der Wärmepumpenvorrichtung
Die zum Antreiben der Wärmepumpenvorrichtung
Die Beladung kann dabei beispielsweise zweistufig und/oder unter Nutzung von Niedertemperaturwärme erfolgen. Insbesondere kann die Wärmespeichervorrichtung
Bei dieser Ausführungsform des Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerks
Da die Wärmespeichervorrichtung
Im Übrigen stimmt die in den
Eine in
Die Solarvorrichtung
Mittels der Solarthermievorrichtung
Vorzugsweise wird mittels der Solarthermievorrichtung
Durch die Nutzung der Niedertemperaturwärme kann die mittels der Photovoltaikvorrichtung
Insbesondere kann durch die Nutzung der mittels der Solarthermievorrichtung
Unter der Annahme, dass der thermische Wirkungsgrad der Solarthermievorrichtung
Im Übrigen stimmt die in
Eine in
Mittels der Photovoltaikvorrichtung
Vorzugsweise können beim Einsatz von Photovoltaikvorrichtungen
Die Speichervorrichtung
Im Übrigen stimmt die in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerk Gas and steam turbine power plant
- 102102
- Wärmekraftmaschine Heat engine
- 104104
- Gasturbinenvorrichtung Gas turbine device
- 106106
- Dampfturbinenvorrichtung steam device
- 108108
- Kompressorvorrichtung compressor device
- 110110
- Brennkammervorrichtung combustion chamber device
- 112112
- Turbinenvorrichtung turbine device
- 114114
- Generatorvorrichtung generator device
- 116116
- Abgasvorrichtung exhaust device
- 118118
- Welle wave
- 120120
- Abhitzekessel waste heat boiler
- 122122
- Dampfkreislauf Steam cycle
- 124124
- Fluidführung fluid guide
- 126126
- Turbinenvorrichtung turbine device
- 128128
- Generatorvorrichtung generator device
- 130130
- Wärmeübertrager Heat exchanger
- 132132
- Pumpenvorrichtung pump device
- 134134
- Vorwärmer preheater
- 136136
- Verdampfer Evaporator
- 138138
- Überhitzer superheater
- 140140
- Dampfbereitstellungsvorrichtung Steam supply device
- 142142
- Speichervorrichtung storage device
- 144144
- Wärmespeichervorrichtung Heat storage device
- 146146
- Latentwärmespeichervorrichtung Latent heat storage device
- 148148
- Beladevorrichtung loader
- 150150
- Heizvorrichtung heater
- 152152
- Wärmepumpenvorrichtung heat pump device
- 154154
- Solarvorrichtung solar device
- 156156
- Solarthermievorrichtung solar thermal device
- 158158
- Photovoltaikvorrichtung photovoltaic device
- 160160
- Beladekreislauf Beladekreislauf
Claims (17)
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