DE102013222716B4 - Electrochemical energy storage, energy production plant and method for operating an electrochemical energy storage - Google Patents

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Abstract

Elektrochemischer Energiespeicher (1), aufweisend eine erste Kammer (3a,3c) und eine zweite Kammer (3b,3d) zur Aufnahme von Elektrolyt, zwei Elektroden (4), die jeweils mit einer der Elektrolytkammern in Verbindung stehen und die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie und umgekehrt ermöglichen, und einen Separator (5), der einen Ladungsübergang zwischen den zwei Elektrolytkammern (3a, 3b, 3c, 3d) ermöglicht, wobei mindestens die erste Elektrolytkammer (3a, 3c) eine zumindest teilweise Wärmedämmung (6) aufweist,wobei mindestens eine Einrichtung zur Entnahme (7) und/oder zur Einspeisung (8) von thermischer Energie in den bzw. aus dem Elektrolyten, der sich im wärmegedämmten Teil der ersten Elektrolytkammer befindet, vorhanden ist,wobei die Einspeiseeinrichtung (8) für thermische Energie ein elektrisches Heizelement umfasst,wobei der elektrochemische Energiespeicher (1) eine Regelvorrichtung (11) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Zufuhr und/oder Entnahme von elektrischer und/oder thermischer Energie in den bzw. aus dem Elektrolyten in Abhängigkeit der jeweils aktuell im Elektrolyten gespeicherten Energiemenge der beiden Energieformen zu steuern,wobei die Regelvorrichtung (11) dazu ausgebildet ist, zugeführte elektrische Energie bis zur Auslastung der elektrochemischen Speicherkapazität des Elektrolyten zum elektrochemischen Aufladen des Elektrolyten zu verwenden und die zugeführte elektrische Energie bei vollständiger Auslastung der elektrochemischen Speicherkapazität des Elektrolyten zum Heizen des Elektrolyten, der sich im wärmegedämmten Teil (3c) der ersten Elektrolytkammer (3a, 3c) befindet, mittels des elektrischen Heizelements zu verwenden.Electrochemical energy store (1), comprising a first chamber (3a, 3c) and a second chamber (3b, 3d) for receiving electrolyte, two electrodes (4), each of which is connected to one of the electrolyte chambers and the conversion of electrical energy in chemical energy and vice versa, and a separator (5) which enables a charge transfer between the two electrolyte chambers (3a, 3b, 3c, 3d), at least the first electrolyte chamber (3a, 3c) having at least partial thermal insulation (6) , wherein at least one device for removing (7) and / or feeding (8) thermal energy into or from the electrolyte, which is located in the thermally insulated part of the first electrolyte chamber, is present, the feed device (8) for thermal Energy comprises an electric heating element, the electrochemical energy store (1) having a control device (11) which is designed to supply and / or withdraw electr Ischer and / or thermal energy in or out of the electrolyte depending on the amount of energy currently stored in the electrolyte of the two forms of energy, the control device (11) being designed to supply electrical energy until the electrochemical storage capacity of the electrolyte is used to use electrochemical charging of the electrolyte and to use the supplied electrical energy by means of the electrical heating element when the electrochemical storage capacity of the electrolyte is fully utilized for heating the electrolyte which is located in the thermally insulated part (3c) of the first electrolyte chamber (3a, 3c).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher, auch Sekundärzelle oder Akkumulator genannt, der elektrischen Strom als chemische Energie speichert, Energiegewinnungsanlage sowie ein Verfahren zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichers.The present invention relates to an electrochemical energy store, also called a secondary cell or accumulator, which stores electrical current as chemical energy, an energy production system and a method for operating an electrochemical energy store.

Energiespeicher werden unter anderem dazu eingesetzt, zeitliche Unterschiede zwischen Energieerzeugungsleistung und Energiebedarf innerhalb eines Netzes auszugleichen. Dies ist insbesondere bei regenerativ erzeugter Energie notwendig, da hier eine bedarfsangepasste Energieerzeugung im Allgemeinen nicht möglich ist. Die zu überbrückenden Zeiträume reichen dabei von einigen Stunden bis zu mehreren Monaten.Energy storage devices are used, among other things, to compensate for time differences between energy generation output and energy demand within a network. This is particularly necessary for regeneratively generated energy, since it is generally not possible to generate energy in line with demand. The periods to be bridged range from a few hours to several months.

Eine Speicherung für einige Stunden ist zum Beispiel oft bei Photovoltaikanlagen erforderlich, welche in der Regel zur Mittagszeit am meisten Strom erzeugen, während Verbrauchsspitzen vor allem in den Abendstunden liegen. Eine zusätzliche längerfristige Speicherung über mehrere Monate wird oft bei solarthermisch erzeugter Wärmeenergie gewünscht, da diese vor allem im Sommer zur Verfügung steht, während sie vor allem im Winter benötigt wird. Aber auch bei konventionellen Kraftwerken mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist eine Speicherung der im Sommer gewonnen thermischen Energie für die kälteren Jahreszeiten vorteilhaft, da hier der Gesamtwirkungsgrad der Anlage vor allem durch eine fehlende saisonale Speichermöglichkeit der thermischen Energie begrenzt wird.Storage for a few hours, for example, is often required for photovoltaic systems, which usually generate the most electricity at lunchtime, while consumption peaks are mainly in the evening. Additional long-term storage over several months is often desired for solar thermal heat energy, as this is mainly available in summer, while it is needed especially in winter. But even with conventional power plants with combined heat and power (CHP), storing the thermal energy obtained in summer is advantageous for the colder seasons, since the overall efficiency of the system is limited primarily by the lack of seasonal storage options for thermal energy.

Zur Speicherung von elektrischer und thermischer Energie sind eine Reihe getrennter Konzepte entwickelt worden, die zunehmend auch großtechnisch zum Ausgleich von Lastspitzen und saisonalen Bedarfsschwankungen auf Netzebene eingesetzt werden. A number of separate concepts have been developed for storing electrical and thermal energy, which are increasingly being used on an industrial scale to compensate for peak loads and seasonal fluctuations in demand at the network level.

Hierzu sind Anlagen mit möglichst geringen Energieverlusten während der Speicherung, vor allem aber mit einer hohen Speicherkapazität notwendig. Die Vorhaltung der dafür benötigten großen Menge an Speichermedium verursacht einen hohen Platzbedarf und Kostenaufwand.This requires systems with the lowest possible energy losses during storage, but above all with a high storage capacity. The provision of the large amount of storage medium required for this requires a large amount of space and costs.

Elektrische Energie kann zum Beispiel elektrochemisch gespeichert werden. Dabei wird durch eine Redox-Reaktion im aktiven Bereich einer galvanischen Zelle elektrische in chemische Energie des an der Reaktion beteiligten aktiven Materials umgewandelt. Um einen Ladungstransport innerhalb der Zelle zu ermöglichen, wird diese mit einem im Allgemeinen flüssigen Elektrolyten gefüllt.For example, electrical energy can be stored electrochemically. A redox reaction in the active area of a galvanic cell converts electrical to chemical energy of the active material involved in the reaction. In order to enable charge transport within the cell, the cell is filled with a generally liquid electrolyte.

Eine großtechnische Nutzung solcher elektrochemischer Energiepeicher kann unter anderem durch einen Redox-Flow-Speicher, wie er zum Beispiel in DE102009009357B4 beschrieben wird, realisiert werden. Hier ist das aktive Material in einem flüssigen Elektrolyten gelöst, welcher, getrennt vom aktiven Bereich, in großen Kammern oder Tanks gelagert wird. Redox-Flow-Speicher bieten dabei eine hohe Speicherkapazität und eine niedrige Selbstentladung.A large-scale use of such electrochemical energy stores can include a redox flow store, as described, for example, in DE102009009357B4 is described, can be realized. Here, the active material is dissolved in a liquid electrolyte, which is stored in large chambers or tanks, separate from the active area. Redox flow storage offers a high storage capacity and low self-discharge.

Als thermischer Speicher kommen bisher vor allem Warmwasserspeicher zum Einsatz, deren Wasserinhalt im Allgemeinen über die Umgebungstemperatur aufgeheizt und in einem gedämmten Behälter gelagert wird. Wasser eignet sich hierbei besonders gut als Speichermedium, da es eine hohe spezifische Wärmekapazität und eine geringe Viskosität besitzt. Zum Betrieb bei Temperaturen nahe oder unter der Umgebungstemperatur können auch Wärmepumpen zur Einspeisung und Entnahme thermischer Energie eingesetzt werden.So far, mainly hot water storage has been used as a thermal store, the water content of which is generally heated above ambient temperature and stored in an insulated container. Water is particularly suitable as a storage medium because it has a high specific heat capacity and a low viscosity. For operation at temperatures near or below the ambient temperature, heat pumps can also be used to feed and draw thermal energy.

Die US 2013/0 011 702 A1 offenbart, dass eine Erwärmung des Elektrolyten bis zu einer bevorzugten Betriebstemperatur erfolgt, um einen effizienteren Betrieb des Energiespeichers zu ermöglichen. Dabei findet das Erwärmen des Elektrolyten vor oder gleichzeitig mit dem Laden des Elektrolyten statt. Die Erwärmung des Elektrolyten erfolgt mit der an der Anlage anfallenden Verlustwärme.The US 2013/0 011 702 A1 discloses that the electrolyte is heated up to a preferred operating temperature in order to enable more efficient operation of the energy store. The electrolyte is heated before or simultaneously with the charging of the electrolyte. The electrolyte is heated with the waste heat generated in the system.

Die WO 2013/012 336 A1 offenbart, dass das Elektrolytvolumen eines elektrochemischen Energiespeichers zur Speicherung thermischer Energie verwendet wird, welche zu einem späteren Zeitpunkt wieder entnommen werden kann. Das Speichern thermischer Energie im Elektrolytvolumen des elektrochemischen Energiespeichers erfolgt mittels einer Wärmepumpe. Überschüssige Energie wird ins Versorgungsnetz zurückgespeist. Das Elektrolyt wird mit der an der Anlage abfallenden Abwärme geheizt.The WO 2013/012 336 A1 discloses that the electrolyte volume of an electrochemical energy store is used to store thermal energy, which can be removed again at a later time. Thermal energy is stored in the electrolyte volume of the electrochemical energy store by means of a heat pump. Excess energy is fed back into the supply network. The electrolyte is heated with the waste heat falling off the system.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Möglichkeit zur gleichzeitigen Speicherung von elektrischer und thermischer Energie zu schaffen.The object of the present invention is now to create a possibility for the simultaneous storage of electrical and thermal energy.

Diese Aufgabe wird durch einen elektrochemischen Energiespeicher gemäß Anspruch 1, eine Energiegewinnungsanlage gemäß Anspruch 5 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by an electrochemical energy store according to claim 1, an energy production system according to claim 5 and a method according to claim 7. Further advantageous designs are specified in the dependent claims.

Gemäß der Erfindung umfasst der elektrochemische Energiespeicher eine erste und eine zweite Kammer zur Aufnahme von Elektrolyt, zwei Elektroden, die jeweils mit einer der Elektrolytkammern in Verbindung stehen und die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie und umgekehrt ermöglichen, sowie einen Separator, welcher einen Ladungsübergang zwischen den zwei Elektrolytkammern ermöglicht. Weiterhin ist mindestens die erste Elektrolytkammer zumindest teilweise wärmegedämmt und es ist mindestens eine Einrichtung zur Einspeisung und/oder Entnahme von thermischer Energie in den bzw. aus dem Elektrolyten, der sich im wärmegedämmten Teil der ersten Elektrolytkammer befindet, vorhanden.According to the invention, the electrochemical energy store comprises a first and a second chamber for receiving electrolyte, two electrodes which are each connected to one of the electrolyte chambers and the conversion of electrical energy into chemical energy and vice versa, as well as a separator, which enables a charge transfer between the two electrolyte chambers. Furthermore, at least the first electrolyte chamber is at least partially thermally insulated and there is at least one device for feeding and / or removing thermal energy into or from the electrolyte, which is located in the thermally insulated part of the first electrolyte chamber.

Die erfindungsgemäße Erweiterung der ersten Elektrolytkammer um eine Wärmedämmung und einer Einspeise und/oder Entnahmeeinrichtung für thermische Energie ermöglicht es, das gegebenenfalls sehr große Elektrolytvolumen zusätzlich als Speicher für thermische Energie nutzbar zu machen. Im Vergleich zur getrennten Speicherung von elektrischer und thermischer Energie in separaten Volumina, können bauliche Vorrichtungen zur Vorhaltung des Elektrolyten doppelt genutzt werden und die effektive spezifische Energiedichte des Elektrolyten wird erhöht.The expansion of the first electrolyte chamber according to the invention by thermal insulation and a feed and / or removal device for thermal energy makes it possible to additionally utilize the possibly very large electrolyte volume as a store for thermal energy. Compared to the separate storage of electrical and thermal energy in separate volumes, structural devices for storing the electrolyte can be used twice and the effective specific energy density of the electrolyte is increased.

Dies ist vor allem bei Elektrolyten mit geringer elektrochemischer Speicherdichte vorteilhaft und reduziert den Kostenaufwand und Platzbedarf der Gesamtanlage. Die Wärmedämmung der ersten Elektrolytkammer erlaubt es, die Wärmekapazität des Elektrolyten direkt zur Speicherung von thermischer Energie zu nutzen, ohne diese verlustbehaftet in andere Energieformen, insbesondere in elektrische Energie, umwandeln zu müssen.This is particularly advantageous for electrolytes with a low electrochemical storage density and reduces the cost and space requirements of the overall system. The thermal insulation of the first electrolyte chamber allows the thermal capacity of the electrolyte to be used directly for storing thermal energy without having to convert it into other forms of energy, in particular into electrical energy, with loss.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Entnahme- oder Einspeiseeinrichtung für thermische Energie, oder auch beide Einrichtungen, einen Wärmetauscher, bei dem im Allgemeinen zwei Flüssigkeiten in getrennten Behältern über eine gemeinsame wärmeübertragende Wand in thermischem Kontakt stehen. Diese Ausführung erlaubt den Austausch von thermischer Energie zwischen dem Elektrolyten und einem zweiten Trägerstoff, der zur Übertragung der Energie zu einem räumlich getrennten Verbraucher oder Erzeuger genutzt werden kann. Die Zusammensetzung von Trägerstoff und Elektrolyt kann dabei unabhängig voneinander gewählt werden, um gewünschte Zusatzeigenschaften zu erzielen.In a preferred embodiment, the removal or feed device for thermal energy, or both devices, comprise a heat exchanger in which generally two liquids in separate containers are in thermal contact via a common heat-transferring wall. This design allows the exchange of thermal energy between the electrolyte and a second carrier, which can be used to transfer the energy to a spatially separate consumer or generator. The composition of carrier and electrolyte can be selected independently of one another in order to achieve desired additional properties.

Insbesondere ist es beispielsweise möglich, die spezifische Wärmekapazität, Viskosität oder Frostfestigkeit des Trägerstoffes so zu wählen, dass eine verlustarme Einspeisung oder Entnahme der thermischen Energie ermöglicht wird. Zusätzlich ist während des Wärmetransports eine zyklische Kompression und Entspannung des Trägerstoffs möglich, um nach dem Prinzip einer Wärmepumpe den Speicher bei Temperaturen nahe oder unter der Umgebungstemperatur betreiben zu können.In particular, it is possible, for example, to select the specific heat capacity, viscosity or frost resistance of the carrier so that low-loss feeding or removal of the thermal energy is made possible. In addition, a cyclic compression and expansion of the carrier material is possible during the heat transport in order to operate the storage at temperatures near or below the ambient temperature according to the principle of a heat pump.

Gemäß der Erfindung umfasst die Einspeiseeinrichtung ein elektrisches Heizelement. Dies erlaubt es zum Beispiel, zugeführte elektrische Energie sowohl elektrochemisch, als auch - durch Betrieb der Heizung - thermisch im Elektrolyten zu speichern. Somit vergrößert sich die Speicherkapazität des Elektrolyten bei elektrischer Beladung im Vergleich zu einer rein elektrochemischen Nutzung und eingespeiste elektrische Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt als thermische Energie genutzt werden.According to the invention, the feed device comprises an electrical heating element. This allows, for example, electrical energy supplied to be stored both electrochemically and - by operating the heating - thermally in the electrolyte. This increases the storage capacity of the electrolyte when it is electrically charged compared to purely electrochemical use, and electrical energy that is fed in can be used as thermal energy at a later point in time.

Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausführungsform des zugrundeliegenden elektrochemischen Energiespeichers stellt eine Ausführung als Redox-Flow-Speicher dar. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektrolytkammern jeweils in mindestens eine erste und eine zweite Unterkammer aufgeteilt sind, wobei die jeweils erste Unterkammer als aktiver Bereich um die Elektroden und mindestens eine der zweiten Unterkammern als zumindest teilweise wärmegedämmtes Speichervolumen für Elektrolyt ausgebildet sind.A further, particularly advantageous embodiment of the underlying electrochemical energy store is an embodiment as a redox flow store. This is characterized in that the two electrolyte chambers are each divided into at least a first and a second subchamber, the first subchamber as the active area around the electrodes and at least one of the second subchambers are formed as an at least partially insulated storage volume for electrolyte.

Die Größe des Elektrolytspeichers und damit die thermische Speicherfähigkeit der Anlage kann bei dieser Ausführung unabhängig von der Leistung der Anlage skaliert werden. Große Volumina werden zur Speicherung von thermischer Energie bevorzugt, da das Verhältnis aus Oberfläche zu Inhalt günstiger ist als bei kleinen Anlagen und der Wärmeverlust dadurch minimiert werden kann. Durch die duale Verwendung des Elektrolyten als elektrochemischer und thermischer Energiespeicher können die Statik und Dichtigkeit der vorzugsweise als große Tanks ausgeführten zweiten Elektrolytkammern doppelt genutzt werden. Außerdem erhöht sich durch die zusätzliche thermische Beladung effektiv die Speicherkapazität des Elektrolyten, welche bei Redox-Flow-Speichern im Allgemeinen deutlich geringer ist als bei anderen elektrochemischen Speicherbauformen.The size of the electrolyte storage and thus the thermal storage capacity of the system can be scaled independently of the performance of the system. Large volumes are preferred for the storage of thermal energy, since the ratio of surface to content is cheaper than in small systems and the heat loss can be minimized. The dual use of the electrolyte as an electrochemical and thermal energy store means that the statics and tightness of the second electrolyte chambers, which are preferably designed as large tanks, can be used twice. In addition, the additional thermal loading effectively increases the storage capacity of the electrolyte, which is generally significantly lower in redox flow stores than in other electrochemical storage designs.

Gemäß der Erfindung wird der Speicher so betrieben, dass die Zufuhr und/oder Entnahme von elektrischer und/oder thermischer Energie in den bzw. aus dem Elektrolyten in Abhängigkeit der jeweils aktuell im Elektrolyten gespeicherten Energiemenge der beiden Energieformen gesteuert wird. Dies erlaubt eine Optimierung der thermischen und elektrischen Beladungsvorgänge, wie sie dann geboten sein kann, wenn der thermische oder chemische Zustand des Elektrolyten die Aufnahme-, Abgabe- und/oder Speicherfähigkeit der beiden beteiligten Energieformen beeinflusst.According to the invention, the memory is operated in such a way that the supply and / or removal of electrical and / or thermal energy into or from the electrolyte is controlled as a function of the amount of energy of the two forms of energy currently stored in the electrolyte. This allows the thermal and electrical charging processes to be optimized, as may be required when the thermal or chemical state of the electrolyte influences the absorption, release and / or storage capacity of the two forms of energy involved.

Gemäß der Erfindung, wird die zugeführte Energie bei vollständiger Auslastung der elektrochemischen Speicherkapazität des Elektrolyten zum Heizen des Elektrolyten, der sich im wärmegedämmten Teil der ersten Elektrolytkammer befindet, verwendet. Dies vergrößert die effektiv nutzbare Energiespeicherkapazität des Elektrolyten um seine Wärmekapazität. Im Falle von, zum Beispiel, zugeführter elektrischer Energie müsste diese andernfalls direkt an Verbraucher weitergeleitet oder verworfen werden.According to the invention, the energy supplied is used when the electrochemical storage capacity of the electrolyte is fully utilized to heat the electrolyte which is located in the thermally insulated part of the first electrolyte chamber. This increases the effective usable Energy storage capacity of the electrolyte by its heat capacity. In the case of, for example, supplied electrical energy, this would otherwise have to be passed on directly to consumers or discarded.

Gemäß einer erfindungsgemäßen Betriebsweise wird die zugeführte Energie bei vollständiger Auslastung der thermischen Speicherkapazität des Elektrolyten als chemische Energie des Elektrolyten gespeichert. Zusätzlich zugeführte thermische Energie müsste andernfalls direkt genutzt oder verworfen werden. Eine Umwandlung in und Speicherung als elektrische Energie erhöht damit die effektiv nutzbare Speicherkapazität des Elektrolytvolumens im Vergleich zu einer rein thermischen Nutzung.According to an operating mode according to the invention, the energy supplied is stored as chemical energy of the electrolyte when the thermal storage capacity of the electrolyte is fully utilized. Otherwise, additional thermal energy supplied would have to be used directly or discarded. Conversion into and storage as electrical energy thus increases the effective usable storage capacity of the electrolyte volume compared to a purely thermal use.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der elektrochemische Energiespeicher in einer Energiegewinnungsanlage eingesetzt, die außerdem ein Modul mit einer oder mehrerer photovoltaischer Zellen zur Erzeugung der in den elektrochemischen Energiespeicher eingespeisten elektrischen und/oder thermischen Energie umfasst. Da bei solarbetriebenen Anlagen die zeitlichen Unterschiede zwischen hoher Energieerzeugungsleistung und hohem Energiebedarf besonders ausgeprägt sind, kann hier der erfindungsgemäße Energiespeicher besonders effektiv eingesetzt werden.According to a further preferred embodiment, the electrochemical energy store is used in an energy production system, which also comprises a module with one or more photovoltaic cells for generating the electrical and / or thermal energy fed into the electrochemical energy store. Since the time differences between high energy generation output and high energy requirement are particularly pronounced in solar-powered systems, the energy storage device according to the invention can be used particularly effectively here.

Dies gilt insbesondere dann, wenn zusätzlich zu den photovoltaischen Zellen solarthermische Absorber oder Erdwärmepumpen eingesetzt werden, die direkt thermische Energie erzeugen. Insgesamt wird somit eine kompakte und kostengünstige Kombination photovoltaischer und solarthermischer Module mit einem einzigen Speichermedium ermöglicht und der Platzbedarf und Statik der Elektrolytkammern kann zur Speicherung beider Energieformen genutzt werden.This applies in particular if, in addition to the photovoltaic cells, solar thermal absorbers or geothermal heat pumps are used which directly generate thermal energy. Overall, a compact and cost-effective combination of photovoltaic and solar thermal modules with a single storage medium is thus made possible and the space requirement and statics of the electrolyte chambers can be used to store both forms of energy.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Zeichnung eines elektrochemischen Energiespeichers;
  • 2 ein Ablaufdiagramm zur gleichrangigen Beladung des elektrochemischen Energiespeichers mit elektrischer und thermischer Energie ;
  • 3 ein Ablaufdiagramm zur bevorzugten Beladung des elektrochemischen Energiespeichers mit elektrischer Energie;
  • 4 ein Ablaufdiagramm zur bevorzugten Beladung des elektrochemischen Energiespeichers mit thermischer Energie;
  • 5 ein Ablaufdiagramm zur bevorzugten Speicherung eingespeister elektrischer Energie als chemische Energie des Elektrolyten; und
  • 6 ein Ablaufdiagramm zur bevorzugten Speicherung eingespeister elektrischer Energie als thermische Energie des Elektrolyten.
The invention is explained in more detail below by way of example with reference to drawings. Show it:
  • 1 a schematic drawing of an electrochemical energy store;
  • 2nd a flowchart for equal ranking loading of the electrochemical energy store with electrical and thermal energy;
  • 3rd a flowchart for the preferred loading of the electrochemical energy store with electrical energy;
  • 4th a flowchart for the preferred loading of the electrochemical energy store with thermal energy;
  • 5 a flow chart for the preferred storage of electrical energy fed in as chemical energy of the electrolyte; and
  • 6 a flowchart for the preferred storage of electrical energy fed as thermal energy of the electrolyte.

Anhand der Figuren wird eine Ausführung eines elektrochemischen Energiespeichers beispielhaft beschrieben, der eine zusätzliche Speicherung von thermischer Energie im Elektrolytvolumen ermöglicht und so die effektive Speicherkapazität des Elektrolyten erhöht, sowie den Kosten- und Raumbedarf der gleichzeitigen Speicherung von elektrischer und thermischer Energie reduziert.On the basis of the figures, an embodiment of an electrochemical energy store is described as an example, which enables additional storage of thermal energy in the electrolyte volume and thus increases the effective storage capacity of the electrolyte, and reduces the cost and space requirement of the simultaneous storage of electrical and thermal energy.

1 zeigt einen schematischen Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers 1. Dieser weist einen aktiven Bereich 2 mit zwei Halbzellen oder Elektrolytkammern auf, welche jeweils aus einer ersten Unterkammer 3a bzw. 3b und einer zweiten Unterkammer 3c bzw. 3d bestehen und einen Elektrolyten enthalten. Der aktive Bereich 2 umfasst unter anderem zwei Elektroden 4 und einen Separator 5, sowie die Unterkammern 3a, 3b. 1 shows a schematic structure of an electrochemical energy store 1 . This has an active area 2nd with two half cells or electrolyte chambers, each consisting of a first subchamber 3a respectively. 3b and a second sub-chamber 3c respectively. 3d exist and contain an electrolyte. The active area 2nd includes two electrodes 4th and a separator 5 , as well as the subchambers 3a , 3b .

Zur Speicherung wird dem aktiven Bereich 2 des Energiespeichers elektrische Energie über die beiden Elektroden 4 zugeführt. Der eingespeiste Strom löst eine Redox-Reaktion in einem aktiven Material, welches sich in den Unterkammern 3a, 3b befindet, aus. Reduktion und Oxidation finden dabei getrennt in jeweils einer der beiden Unterkammern statt.The active area is used for storage 2nd of the energy store electrical energy via the two electrodes 4th fed. The current fed triggers a redox reaction in an active material, which is in the subchambers 3a , 3b is located. Reduction and oxidation take place separately in one of the two subchambers.

Der Elektrolyt ermöglicht dabei einen ionischen Ladungstransport innerhalb der Unterkammern. Der Separator 5 besteht aus einem ionendurchlässigem Material und ermöglicht dadurch einen Ladungsausgleich zwischen den Unterkammern 3a, 3b, während er gleichzeitig einen Stoffübergang verhindert. Zum Beladen des elektrochemischen Energiespeichers stellt eine externe Quelle 12 elektrische Energie bereit und erzeugt den für die Redox-Reaktion notwendigen Elektronenfluss. Der ebenfalls notwendige Austausch von positiven Ladungsträgern zwischen den Unterkammern 3a, 3b geschieht dann über den Separator 5.The electrolyte enables ionic charge transport within the subchambers. The separator 5 consists of an ion-permeable material and thus enables a charge balance between the subchambers 3a , 3b while preventing mass transfer. An external source is used to load the electrochemical energy store 12 electrical energy and generates the electron flow necessary for the redox reaction. The also necessary exchange of positive charge carriers between the subchambers 3a , 3b then happens via the separator 5 .

Die in 1 gezeigte Darstellung des elektrochemischen Energiespeichers orientiert sich an einer möglichen Ausführung als Redox-Flow-Zelle. Es sind jedoch auch andere Ausführungen für die zusätzliche Verwendung eines elektrochemischen Energiespeichers als thermischer Speicher geeignet. Insbesondere kann die gezeigte Aufteilung der Elektrolytkammern in mehrere Unterkammern entfallen, da zum Beispiel auch eine Speicherung thermischer Energie im aktiven Bereich 2 des elektrochemischen Energiespeichers denkbar wäre.In the 1 The depiction of the electrochemical energy store shown is based on a possible design as a redox flow cell. However, other designs are also suitable for the additional use of an electrochemical energy store as a thermal store. In particular, the shown division of the electrolyte chambers into several subchambers can be omitted, since, for example, thermal energy is also stored in the active area 2nd of the electrochemical energy storage would be conceivable.

Bei einem Betrieb als Redox-Flow-Speicher besteht der Elektrolyt aus einer Flüssigkeit, in der das aktive Material gelöst ist und die jeweils zwischen der ersten und der zweiten Unterkammer der beiden Elektrolytkammern zirkulieren kann. Dies ermöglicht es, den Elektrolyten zur Energieaufnahme oder -abgabe durch die ersten Unterkammern 3a bzw. 3b, die vom aktiven Bereich 2 umfasst werden, strömen zu lassen und zur Speicherung in den zweiten Unterkammern 3c bzw. 3d zu lagern. When operated as a redox flow store, the electrolyte consists of a liquid in which the active material is dissolved and which can circulate between the first and the second subchamber of the two electrolyte chambers. This enables the electrolyte to absorb or release energy through the first subchambers 3a respectively. 3b by the active area 2nd are included to flow and for storage in the second subchambers 3c respectively. 3d to store.

Zur Erzeugung des notwendigen Elektrolytflusses können Pumpen 17 zum Umwälzen des Elektrolyten in die Verbindungsleitungen zwischen den ersten und zweiten Unterkammern integriert werden. Der bei einem Redox-Flow-Speicher verwendete flüssige Elektrolyt kann in anderen Ausführungsformen des elektrochemischen Energiespeichers auch durch zum Beispiel einen geeigneten festen Elektrolyten ersetzt werden.Pumps can be used to generate the necessary electrolyte flow 17th for circulating the electrolyte into the connecting lines between the first and second subchambers. In other embodiments of the electrochemical energy store, the liquid electrolyte used in a redox flow store can also be replaced by, for example, a suitable solid electrolyte.

Die gezeigte Ausführung als Redox-Flow-Speicher hat den Vorteil, dass die Speicherkapazität unabhängig von der elektrischen Leistung des elektrochemischen Energiespeichers skaliert werden kann. Letztere ist nämlich durch die Ausführung des aktiven Bereichs 2, erstere durch die zur Verfügung stehende Menge an Elektrolyt gegeben. Bei einem Redox-Flow-Speicher werden die zweiten Unterkammern 3c und 3d im Allgemeinen als große Tanks ausgebildet, wodurch sich diese Ausführungsform für eine großtechnische Auslegung eignet. Neben einer guten Skalierbarkeit verfügen Redox-Flow-Speicher als weitere Vorzüge über eine vernachlässigbare Selbstentladung und eine lange Lebensdauer.The embodiment shown as a redox flow memory has the advantage that the storage capacity can be scaled independently of the electrical power of the electrochemical energy store. The latter is namely due to the execution of the active area 2nd , the former given by the available amount of electrolyte. With a redox flow storage, the second subchambers 3c and 3d generally designed as large tanks, making this embodiment suitable for large-scale design. In addition to good scalability, redox flow memories also have negligible self-discharge and a long service life.

Zumindest ein Teil der ersten und zweiten Elektrolytkammer 3a, 3b, 3c, 3d verfügt über eine Wärmedämmung 6 gegenüber der Umgebung, um einen möglichst großen thermischen Nutzungsgrad der Anlage zu ermöglichen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zweite Unterkammer 3c der ersten Elektrolytkammer wärmegedämmt. Als Materialen mit geringer Wärmeleitfähigkeit kommen zum Beispiel Materialien aus PU- oder PP-Schaum in Frage, die vorzugsweise mehrlagig aufgebracht werden und Gesamtdicke von vorzugsweise mindestens 10cm aufweisen.At least part of the first and second electrolyte chambers 3a , 3b , 3c , 3d has thermal insulation 6 compared to the environment in order to enable the greatest possible degree of thermal utilization of the system. In the exemplary embodiment shown, the second subchamber is 3c the first electrolyte chamber is insulated. Suitable materials with low thermal conductivity are, for example, materials made of PU or PP foam, which are preferably applied in multiple layers and have an overall thickness of preferably at least 10 cm.

Als thermischer Speicher fungiert damit in der gezeigten Ausführung der Elektrolyt in der wärmegedämmten zweiten Unterkammer 3c, dem über die Entnahmeeinrichtung 7 thermische Energie entzogen und über die Einspeiseeinrichtung 8 zugeführt werden kann. Letztere umfasst vorzugsweise eine Einrichtung zur direkten Zufuhr von thermischer Energie, welche vorzugsweise als Wärmetauscher ausgebildet ist. Zusätzlich kann sie noch ein elektrisches Heizelement aufweisen.The electrolyte in the thermally insulated second subchamber thus acts as a thermal store in the embodiment shown 3c , via the removal device 7 thermal energy withdrawn and via the feed device 8th can be supplied. The latter preferably comprises a device for the direct supply of thermal energy, which is preferably designed as a heat exchanger. In addition, it can also have an electrical heating element.

Die Entnahmeeinrichtung 7 wird vorzugsweise ebenfalls als Wärmetauscher ausgeführt. Es ist außerdem denkbar, die Entnahmeeinrichtung 7 und die Einspeiseeinrichtung 8 durch eine einzige Einrichtung zu ersetzen, die einen bidirektionalen Wärmefluss ermöglicht. Außerdem müssen diese nicht notwendigerweise im wärmegedämmten Teil 3c der Elektrolytkammer angebracht sein und können sich insbesondere im Fall eines Redox-Flow-Speichers auch in zusätzlichen, durch Rohre mit der ersten oder zweiten Elektrolytkammer verbundenen Unterkammern befinden. Auch ist eine wärmegedämmte Ausführung beliebig vieler Unterkammern denkbar, die teilweise oder alle zur Speicherung thermischer Energie eingesetzt werden.The removal device 7 is preferably also carried out as a heat exchanger. It is also conceivable for the removal device 7 and the feed device 8th to be replaced by a single device that enables bidirectional heat flow. In addition, they do not necessarily have to be in the thermally insulated part 3c be attached to the electrolyte chamber and, particularly in the case of a redox flow store, can also be located in additional subchambers connected to the first or second electrolyte chamber by pipes. A thermally insulated version of any number of subchambers is also conceivable, some or all of which are used for storing thermal energy.

Eine Ausführung der Entnahmeeinrichtung 7 und der Einspeiseeinrichtung 8 als Wärmetauscher erlaubt eine Nutzung und Erzeugung der thermischen Energie in räumlicher Entfernung des Speichers. Außerdem können die Zusammensetzungen und damit die Eigenschaften des Elektrolyten und des Trägermediums, welches zum Transport der thermischen Energie verwendet wird, unabhängig voneinander gewählt werden.An execution of the removal device 7 and the feed device 8th As a heat exchanger, the thermal energy can be used and generated at a spatial distance from the storage. In addition, the compositions and thus the properties of the electrolyte and the carrier medium which is used to transport the thermal energy can be selected independently of one another.

So wird vorzugsweise ein Elektrolyt mit hoher elektrochemischer und thermischer Speicherdichte und ein Trägermedium mit geringer Viskosität und hoher spezifischer Wärme verwendet werden. Unter Umständen sollte letzteres zudem frostgschützt sein. Es kann außerdem vorteilhaft sein, die Entnahmeeinrichtung 7 und die Einspeiseeinrichtung 8 um eine Wärmepumpe zu erweitern, um einen Betrieb des thermischen Speichers bei Temperaturen nahe oder unter der Umgebungstemperatur zu ermöglichen.For example, an electrolyte with high electrochemical and thermal storage density and a carrier medium with low viscosity and high specific heat will preferably be used. Under certain circumstances, the latter should also be frost-protected. It may also be advantageous for the removal device 7 and the feed device 8th to expand a heat pump to enable the thermal storage tank to operate at temperatures near or below the ambient temperature.

Vorzugsweise ordnet man die Entnahmeeinrichtung 7 im oberen Bereich der wärmegedämmten zweiten Unterkammer 3c an, um bei einer Temperaturschichtung des Elektrolyts eine möglichst hohe Entnahmetemperatur zu erzielen. Analog wird die Einspeiseeinrichtung 8 zur möglichst effektiven Einspeisung von thermischer Energie im kälteren, unteren Bereich der wärmegedämmten zweiten Unterkammer 3c angeordnet. Eine Temperaturschichtung in der Unterkammer 3c kann auch durch eine hohe und längliche - beispielsweise zylindrische - Bauweise erleichtert werden.The removal device is preferably arranged 7 in the upper area of the thermally insulated second subchamber 3c to achieve the highest possible removal temperature when the electrolyte is stratified. The feeding device becomes analog 8th for the most effective supply of thermal energy in the colder, lower area of the thermally insulated second subchamber 3c arranged. A temperature stratification in the lower chamber 3c can also be facilitated by a tall and elongated - for example cylindrical - construction.

Einer Druckänderung in den Elektrolytkammern durch eine Erhöhung des Dampfdrucks bei Erwärmung des Elektrolyten kann durch geeignete Maßnahmen bei der Konstruktion begegnet werden. Hier ist beispielsweise ein Überdruckventil oder eine verstärkte Bauweise möglich. Je nach technischer Ausführung kann ein Betrieb bei höherem Druck auch gewünscht sein um elektrochemische oder physikalische Parameter des Elektrolyten anzupassen und zum Beispiel die thermische Speicherfähigkeit zu erhöhen. A change in pressure in the electrolyte chambers due to an increase in the vapor pressure when the electrolyte is heated can be countered by suitable measures in the design. Here, for example, a pressure relief valve or a reinforced construction is possible. Depending on the technical design, operation at higher pressure may also be desired in order to adapt electrochemical or physical parameters of the electrolyte and for example to increase the thermal storage capacity.

Die dargestellte Ausführung als Redox-Flow-Speicher ermöglicht eine große Freiheit bei der Ausgestaltung der wärmegedämmten zweiten Unterkammer 3c. Insbesondere kann diese sehr groß ausgelegt werden, was ein günstiges Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen bietet und so den thermischen Nutzungsgrad der Anlage erhöht. Dies ist besonders bei saisonalen Wärmespeichern vorteilhaft, die im Sommer erzeugte Wärme über einen längeren Zeitraum speichern sollen.The design shown as a redox flow memory allows great freedom in the design of the thermally insulated second subchamber 3c . In particular, this can be designed very large, which offers a favorable ratio between surface and volume and thus increases the thermal efficiency of the system. This is particularly advantageous in the case of seasonal heat stores, which are intended to store heat generated in summer over a longer period of time.

Als Elektrolyt kann für den beispielhaft gezeigten Redox-Flow-Speicher Vanadium(V)-oxid (V2O5) in einer wässrigen schwefelsauren Lösung verwendet werden. Zur Energiespeicherung wird das gelöste Vanadium in unterschiedliche Oxidationsstufen überführt. In diesem Fall besitzt der Speicher, abhängig von der Konzentration des Vanadiumoxids, eine elektrochemische spezifische Energiedicht von ca. 20 Wh/kg bis 35 Wh/kg. Setzt man die spezifische Wärmekapazität von Wasser (1,163 Wh/(kg K)) für den Elektrolyten an, so erzielt man bei einem Temperaturhub von 20 K, etwa beim Betrieb zwischen 20°C und 40°C, eine thermische Speicherkapazität von 23,26 Wh/kg. Bei einem Hub von 30K, beispielsweise zwischen 20°C und 50°C, liegt die Speicherkapazität bei 34,89 Wh/kg.Vanadium (V) oxide (V 2 O 5 ) in an aqueous sulfuric acid solution can be used as the electrolyte for the redox flow memory shown as an example. The dissolved vanadium is converted into different oxidation levels for energy storage. In this case, depending on the concentration of the vanadium oxide, the storage has an electrochemical specific energy density of approx. 20 Wh / kg to 35 Wh / kg. If one sets the specific heat capacity of water (1.163 Wh / (kg K)) for the electrolyte, a thermal storage capacity of 23.26 is achieved with a temperature rise of 20 K, for example during operation between 20 ° C and 40 ° C Wh / kg. With a stroke of 30K, for example between 20 ° C and 50 ° C, the storage capacity is 34.89 Wh / kg.

Die möglichen Betriebstemperaturen der Vanadium-Oxid-Verbindung liegen im Allgemeinen zwischen 0°C und etwa 40°C, da bei niedrigeren Temperaturen der Elektrolyt gefriert und bei höheren Temperaturen nicht lösliche Vanadium-Oxid Verbindungen ausgefällt werden. Als Elektrolyte mit deutlich höherem Temperaturbereich und damit vergrößerter thermischer Speicherkapazität können auch ionische Flüssigkeiten eingesetzt werden, deren Temperaturbereich eine Spanne von -30°C bis 400°C umfassen kann.The possible operating temperatures of the vanadium oxide compound are generally between 0 ° C. and about 40 ° C., since the electrolyte freezes at lower temperatures and insoluble vanadium oxide compounds are precipitated at higher temperatures. Ionic liquids can also be used as electrolytes with a significantly higher temperature range and thus increased thermal storage capacity, the temperature range of which can span from -30 ° C. to 400 ° C.

Eine Regelvorrichtung 11 steuert die Beladung des Speichers mit elektrischer Energie aus einer oder mehrerer elektrischer Energiequellen 12 und mit thermischer Energie aus einer oder mehrerer thermischer Energiequellen 13, sowie die Versorgung von einem oder mehrerer thermischer und elektrischer Verbraucher 14 bzw. 15. Der Bedarf, elektrische und thermische Energie zu speichern, ist vor allem bei regenerativer Energieerzeugung besonders groß. In diesem Falle wäre die elektrische Energiequelle 12 zum Beispiel als Photovoltaikmodul und die thermische Energiequelle 13 als solarthermischer Absorber ausgeführt. Zur Mittagszeit oder in Schönwetterperioden erzeugte elektrische und thermische Energie wird mit dem dargestellten Energiespeicher in einem einzigen Medium zur Verwendung in den Abendstunden oder in kälteren Jahreszeiten gespeichert.A control device 11 controls the loading of the memory with electrical energy from one or more electrical energy sources 12 and with thermal energy from one or more thermal energy sources 13 , as well as the supply of one or more thermal and electrical consumers 14 respectively. 15 . The need to store electrical and thermal energy is especially great when it comes to regenerative energy generation. In this case the electrical energy source would be 12 for example as a photovoltaic module and the thermal energy source 13 designed as a solar thermal absorber. Electrical and thermal energy generated at lunchtime or in good weather periods is stored with the energy store shown in a single medium for use in the evening or in colder seasons.

Eine weitere Verkleinerung der Gesamtanlage lässt sich durch den Einsatz von Hybridkollektoren erreichen, welche photovoltaische und solarthermische Energiegewinnung in einem einzigen Modul 16 kombinieren. Hier ist unter Einsatz des erfindungsgemäßen Energiespeichers eine direkte Speicherung der beiden gewonnenen Energieformen im selben Elektrolytvolumen möglich, ohne eine der Energieformen zunächst verlustbehaftet in eine andere umwandeln zu müssen. Neben regenerativen Energieerzeugungsanlagen bieten sich auch konventionelle Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen zur Kombination mit dem beschriebenen Energiespeicher an. Der Wirkungsgrad solcher Anlagen ist vor allem durch die fehlenden saisonalen Speichermöglichkeiten für thermische Energie limitiert und kann somit durch einen kombinierten elektrochemischen und thermischen Energiespeicher erhöht werden.A further downsizing of the overall system can be achieved by using hybrid collectors, which generate photovoltaic and solar thermal energy in a single module 16 combine. Using the energy storage device according to the invention, direct storage of the two energy forms obtained in the same electrolyte volume is possible without first having to convert one of the energy forms with loss into another. In addition to regenerative energy generation systems, conventional combined heat and power systems are also suitable for combination with the described energy store. The efficiency of such systems is primarily limited by the lack of seasonal storage options for thermal energy and can therefore be increased by a combined electrochemical and thermal energy storage.

Die Regelvorrichtung 11 ist dazu ausgebildet, die Beladung mit elektrischer und/oder thermischer Energie von der jeweils aktuell im Elektrolyten gespeicherten Energiemenge der beiden Energieformen abhängig zu machen. Hierdurch kann der Betrieb auf die physikalischen, elektrochemischen oder technischen Eigenschaften des Elektrolyten oder anderer Komponenten abgestimmt werden. Dies kann zum Beispiel gewünscht sein, wenn eine genutzte, chemische oder physikalische Gesetzmäßigkeit einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, etwa die elektrochemische Speicherdichte oder das Verhältnis zwischen der im Elektrolyten erzeugten Ladungsmenge pro Zeit und dem eingespeisten Strom. Es könnte auch aufgrund der Höherwertigkeit von elektrischer gegenüber thermischer Energie die Speicherung ersterer Vorrang haben. Eine Regelung und zeitliche Trennung der Beladung kann auch notwendig sein, wenn Energieverfügbarkeit und/oder Energiebedarf zu unterschiedlichen Zeiten auftreten, wie es im Falle regenerativ erzeugter Energie oft der Fall ist.The control device 11 is designed to make the loading of electrical and / or thermal energy dependent on the amount of energy of the two forms of energy currently stored in the electrolyte. This allows operation to be tailored to the physical, electrochemical or technical properties of the electrolyte or other components. This can be desirable, for example, if a used chemical or physical law has a negative temperature coefficient, for example the electrochemical storage density or the ratio between the amount of charge generated in the electrolyte per time and the current fed in. The first priority could also be the storage of electrical energy compared to thermal energy. Regulation and temporal separation of the loading may also be necessary if energy availability and / or energy demand occur at different times, as is often the case in the case of regeneratively generated energy.

2 illustriert die unabhängige Speicherung von elektrischer und/oder thermischer Energie, wie sie bei anwendungsbezogener Gleichwertigkeit der beiden Beladungsformen erfolgen kann. Bei Zuführung von elektrischer Energie aus der Energiequelle 12 wird über eine Abfrage 100 ermittelt, ob die maximale, im Elektrolyten elektrochemisch speicherbare Energiemenge erreicht ist. Falls dies nicht der Fall ist, wird die Energie dem aktiven Bereich 2 zur Speicherung, ansonsten dem elektrischen Verbraucher 15 zugeführt. Analog überprüft eine Abfrage 101 bei Zuführung thermischer Energie aus der Energiequelle 13, ob die thermische Speicherkapazität des Elektrolyten ausgelastet ist. Falls nicht, wird die Energie an die Einspeiseeinrichtung 8, ansonsten an den thermischen Verbraucher 14 weitergeleitet. 2nd illustrates the independent storage of electrical and / or thermal energy, as can be done if the two forms of loading are equivalent in terms of application. When supplying electrical energy from the energy source 12 is about a query 100 determines whether the maximum amount of energy that can be stored electrochemically in the electrolyte has been reached. If not, the energy becomes the active area 2nd for storage, otherwise the electrical consumer 15 fed. A query checks analogously 101 when supplying thermal energy from the energy source 13 whether the thermal storage capacity of the electrolyte is full. If not, the Energy to the feed device 8th , otherwise to the thermal consumer 14 forwarded.

3 skizziert eine Regelung, die den Elektrolyten des Speichers zunächst elektrochemisch auflädt und erst bei vollständiger Auslastung der elektrochemischen Speicherkapazität eine thermische Beladung zulässt. Die Abfrage 102 bestimmt bei Zuführung von elektrischer, die Abfrage 103 bei Zuführung von thermischer Energie, ob die elektrochemische Speicherkapazität des Elektrolyten ausgelastet ist. Sollte dies noch nicht der Fall sein, wird die elektrische Energie aus der Energiequelle 12 dem aktiven Bereich 2 zugeführt, während die thermische Energie aus der Energiequelle 13 direkt an den thermischen Verbraucher 14 weitergeleitet wird. Bei vollständiger Auslastung der elektrochemischen Speicherkapazität des Elektrolyten wird die elektrische Energie direkt dem elektrischen Verbraucher 15 und die thermische Energie der Einspeiseinrichtung 8 zugeführt. Eine solche Betriebsweise kann zum Beispiel dann gewünscht sein, wenn eine Erwärmung des Elektrolyten die Effizienz der elektrochemischen Beladung vermindert. 3rd outlines a regulation that initially charges the electrolyte of the storage electrochemically and only allows thermal loading when the electrochemical storage capacity is fully utilized. The query 102 determines when feeding electrical, the query 103 when thermal energy is supplied, whether the electrochemical storage capacity of the electrolyte is full. If this is not already the case, the electrical energy is removed from the energy source 12 the active area 2nd supplied while the thermal energy from the energy source 13 directly to the thermal consumer 14 is forwarded. When the electrochemical storage capacity of the electrolyte is fully utilized, the electrical energy is transferred directly to the electrical consumer 15 and the thermal energy of the feed device 8th fed. Such an operating mode can be desired, for example, if heating of the electrolyte reduces the efficiency of the electrochemical loading.

Die Bedingungen, bei denen eine vollständige Auslastung vorliegt, hängen dabei im Allgemeinen von der konkreten technischen Ausführung ab. Eine vollständige Auslastung kann zum Beispiel dann erreicht sein, wenn keine oder nicht mehr genügend Redox-Paare zur elektrochemischen Speicherung im Elektrolyten zur Verfügung stehen. Sie kann aber auch eine von der Temperatur, dem Druck oder einer anderen physikalischen, chemischen oder technischen Variable abhängige Größe sein. Als Messeinrichtung für die Anzahl der für die Reaktion zur Verfügung stehenden Redox-Paare kann zum Beispiel eine Überwachung des Ladestroms oder der zwischen den Elektroden 4 anliegenden Spannung durchgeführt werden.The conditions under which there is full utilization generally depend on the specific technical implementation. A full utilization can be achieved, for example, if no or not enough redox pairs are available for electrochemical storage in the electrolyte. However, it can also be a variable depending on the temperature, the pressure or another physical, chemical or technical variable. Monitoring of the charging current or between the electrodes can be used, for example, as a measuring device for the number of redox pairs available for the reaction 4th applied voltage.

Abhängig von den Eigenschaften eines spezifischen Elektrolyten kann auch eine Variante des beschriebenen Verfahrens implementiert werden, bei der zunächst die zulässige thermische Speicherkapazität des Elektrolyten ausgelastet wird, ehe dieser elektrochemisch geladen wird. Eine solche vorrangig thermische Beladung ist in 4 dargestellt. Die Abfragen 104 und 105 ermitteln dabei bei Zuführung elektrischer Energie aus der Quelle 12 bzw. thermischer Energie aus der Quelle 13, ob die thermische Speicherkapazität des Elektrolyten ausgelastet ist. Ist dies noch nicht der Fall, wird die elektrische Energie direkt dem elektrischen Verbraucher 15, die thermische Energie der Einspeiseeinrichtung 8 zur Speicherung im Elektrolyten zugeführt. Bei voller Auslastung wird die elektrische Energie zur elektrochemischen Speicherung im Elektrolyten in den aktiven Bereich 2 eingespeist, während die thermische Energie an den Verbraucher 14 weitergeleitet wird.Depending on the properties of a specific electrolyte, a variant of the described method can also be implemented, in which the permissible thermal storage capacity of the electrolyte is first utilized before it is charged electrochemically. Such a primarily thermal loading is in 4th shown. The queries 104 and 105 determine when supplying electrical energy from the source 12 or thermal energy from the source 13 whether the thermal storage capacity of the electrolyte is full. If this is not yet the case, the electrical energy is sent directly to the electrical consumer 15 , the thermal energy of the feed device 8th supplied for storage in the electrolyte. When fully utilized, the electrical energy is used for electrochemical storage in the electrolyte in the active area 2nd fed while the thermal energy to the consumer 14 is forwarded.

Eine Auslastung der thermischen Speicherkapazität des Elektrolyten kann zum Beispiel erreicht sein, wenn der Elektrolyt die für die elektrochemische Speicherung oder für eine sichere Lagerung in den zweiten Unterkammern 3c, 3d zulässige Höchsttemperatur erreicht hat. Ähnlich wie bei der maximalen elektrochemischen Speicherkapazität kann die maximal zu speichernde Energiemenge auch von anderen physikalischen, chemischen oder technischen Eigenschaften des Elektrolyten und des Speichers 1 abhängen. Anstelle einer Aufladung bis zur maximal zulässigen Betriebstemperatur kann beispielsweise auch eine Aufwärmung bis zu einer Temperatur gewählt werden, die für die elektrochemischen Prozesse optimal ist und etwa die Ladungsmenge, die im Elektrolyten bei gegebenem Stromfluss erzeugt wird, maximiert.The thermal storage capacity of the electrolyte can be utilized, for example, if the electrolyte is used for electrochemical storage or for safe storage in the second subchambers 3c , 3d permissible maximum temperature has reached. Similar to the maximum electrochemical storage capacity, the maximum amount of energy to be stored can also depend on other physical, chemical or technical properties of the electrolyte and the storage 1 depend. Instead of charging up to the maximum permissible operating temperature, it is also possible, for example, to heat up to a temperature that is optimal for the electrochemical processes and, for example, maximizes the amount of charge that is generated in the electrolyte for a given current flow.

5 zeigt eine erfindungsgemäße Implementierung der Regelung 11. Diese führt dem Elektrolyten elektrische Energie der Energiequelle 12 sowohl als elektrische, als auch als thermische Energie zu. Hierzu ermittelt die Abfrage 106 zunächst, ob die elektrochemische Speicherkapazität des Elektrolyten ausgelastet ist. Falls nicht, wird die elektrische Energie dem aktiven Bereich 2 zur Speicherung im Elektrolyt zugeführt. Ansonsten bestimmt die Abfrage 107, ob die thermische Speicherkapazität des Elektrolyten ausgelastet ist. Sollte dies nicht der Fall sein, wird mit die elektrische Energie an die Einspeiseeinrichtung 8 weitergeleitet, welche den Elektrolyten, beispielsweise über ein elektrisches Heizelement, erwärmt. Sollte sowohl die elektrische, als auch die thermische Speicherkapazität des Elektrolyten ausgelastet sein, wird die elektrische Energie an den Verbraucher 15 weitergeleitet. 5 shows an implementation of the control according to the invention 11 . This carries electrical energy from the energy source to the electrolyte 12 both as electrical and as thermal energy. The query determines this 106 first of all whether the electrochemical storage capacity of the electrolyte is full. If not, the electrical energy becomes the active area 2nd supplied for storage in the electrolyte. Otherwise the query determines 107 whether the thermal storage capacity of the electrolyte is full. If this is not the case, the electrical energy is sent to the feed device 8th passed on, which heats the electrolyte, for example via an electric heating element. If both the electrical and the thermal storage capacity of the electrolyte are utilized, the electrical energy is sent to the consumer 15 forwarded.

Eine solche vorrangige Speicherung durch elektrochemisches Aufladen des Elektrolyten stellt sicher, dass der größte Teil der eingespeisten elektrischen Energie dem Speicher wieder direkt und verlustarm als höherwertige elektrische Energie entzogen werden kann. Bei Auslastung der elektrochemischen Speicherkapazität steht dann noch die Wärmekapazität des Speichers zur weitergehenden Beladung zur Verfügung und zusätzlich verfügbare elektrische Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt zumindest teilweise noch als thermische Energie verwendet werden. Diese Ausführung der Regelung 11 ist besonders bei solarem Betrieb interessant, bei dem die elektrische Energiequelle 12 als Photovoltaikanlage ausgeführt ist.Such priority storage by electrochemical charging of the electrolyte ensures that the majority of the electrical energy fed in can be withdrawn from the storage directly and with less loss than higher-quality electrical energy. When the electrochemical storage capacity is used up, the heat capacity of the storage is then available for further loading, and additional electrical energy that is available can be used at least partially as thermal energy at a later point in time. This execution of the scheme 11 is particularly interesting for solar operation, where the electrical energy source 12 is designed as a photovoltaic system.

Falls die elektrochemische Speicherkapazität bei der maximalen Betriebstemperatur des Elektrolyten am höchsten ist, kann es auch sinnvoll sein, die thermische Speicherung von aus der Quelle 12 eingespeister elektrischer Energie zu bevorzugen, wie es in 6 dargestellt ist. Hierbei ermittelt die Abfrage 109, ob die thermische Speicherkapazität des Elektrolyten ausgelastet ist und leitet die Energie bei einem negativen Ergebnis an die Einspeiseeinrichtung 8 weiter, um den Elektrolyten zu erwärmen. Sollte die thermische Speicherkapazität ausgelastet sein, ermittelt die Abfrage 108, ob auch die elektrochemische Speicherkapazität des Elektrolyten ausgelastet ist. Falls nicht, wird die Energie dem aktiven Bereich 2 zur elektrochemischen Speicherung zugeführt, falls schon, wird sie an den elektrischen Verbraucher 15 weitergeleitet.If the electrochemical storage capacity is the highest at the maximum operating temperature of the electrolyte, it can also be useful to store it thermally from the source 12 prefer fed electrical energy, as in 6 is shown. The query determines this 109 , whether the thermal storage capacity of the electrolyte is fully utilized and, in the event of a negative result, conducts the energy to the feed device 8th continue to heat the electrolyte. The query determines if the thermal storage capacity is full 108 whether the electrochemical storage capacity of the electrolyte is full. If not, the energy becomes the active area 2nd supplied for electrochemical storage, if already, it is sent to the electrical consumer 15 forwarded.

Die Ausführungsvarianten der Regelung 11, die in den 5 und 6 beschrieben werden, können auch noch um eine Einspeisung von direkt zugeführter thermischer Energie aus der Energiequelle 13 erweitert werden. Hier wird im Falle des Beispiels aus 5 bei Zuführung thermischer Energie zunächst geprüft, ob der Speicher elektrisch ausgelastet ist. Falls dies nicht der Fall ist, wird die thermische Energie direkt an den Verbraucher 14 abgegeben. Ansonsten wird die Energie bei nicht vollständiger thermischer Auslastung der Einspeiseeinrichtung 8, bei vollständiger thermischer Auslastung ebenfalls dem thermischen Verbraucher 14 zugeführt.The execution variants of the regulation 11 that in the 5 and 6 can also be described to feed directly supplied thermal energy from the energy source 13 be expanded. Here, in the case of the example 5 When thermal energy is supplied, it is first checked whether the memory is fully utilized. If not, the thermal energy is sent directly to the consumer 14 submitted. Otherwise, the energy is in the event of incomplete thermal utilization of the feed device 8th , with full thermal utilization also to the thermal consumer 14 fed.

Sollten die elektrischen und thermischen Verbraucher 15 und 14 während des Betriebs der Energiequellen 12, 13, sowie gegebenenfalls der Regelung 11 keine Energie benötigen, kann die an die Verbraucher weitergeleitete Energie in allen beschriebenen Fällen auch verworfen oder in ein größeres, überregionales Netz eingespeist werden.Should the electrical and thermal consumers 15 and 14 during the operation of the energy sources 12 , 13 , as well as the regulation, if applicable 11 no energy required, the energy passed on to the consumer can in all cases described be discarded or fed into a larger, national network.

Claims (8)

Elektrochemischer Energiespeicher (1), aufweisend eine erste Kammer (3a,3c) und eine zweite Kammer (3b,3d) zur Aufnahme von Elektrolyt, zwei Elektroden (4), die jeweils mit einer der Elektrolytkammern in Verbindung stehen und die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie und umgekehrt ermöglichen, und einen Separator (5), der einen Ladungsübergang zwischen den zwei Elektrolytkammern (3a, 3b, 3c, 3d) ermöglicht, wobei mindestens die erste Elektrolytkammer (3a, 3c) eine zumindest teilweise Wärmedämmung (6) aufweist, wobei mindestens eine Einrichtung zur Entnahme (7) und/oder zur Einspeisung (8) von thermischer Energie in den bzw. aus dem Elektrolyten, der sich im wärmegedämmten Teil der ersten Elektrolytkammer befindet, vorhanden ist, wobei die Einspeiseeinrichtung (8) für thermische Energie ein elektrisches Heizelement umfasst, wobei der elektrochemische Energiespeicher (1) eine Regelvorrichtung (11) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Zufuhr und/oder Entnahme von elektrischer und/oder thermischer Energie in den bzw. aus dem Elektrolyten in Abhängigkeit der jeweils aktuell im Elektrolyten gespeicherten Energiemenge der beiden Energieformen zu steuern, wobei die Regelvorrichtung (11) dazu ausgebildet ist, zugeführte elektrische Energie bis zur Auslastung der elektrochemischen Speicherkapazität des Elektrolyten zum elektrochemischen Aufladen des Elektrolyten zu verwenden und die zugeführte elektrische Energie bei vollständiger Auslastung der elektrochemischen Speicherkapazität des Elektrolyten zum Heizen des Elektrolyten, der sich im wärmegedämmten Teil (3c) der ersten Elektrolytkammer (3a, 3c) befindet, mittels des elektrischen Heizelements zu verwenden. Electrochemical energy store (1), comprising a first chamber (3a, 3c) and a second chamber (3b, 3d) for receiving electrolyte, two electrodes (4), each of which is connected to one of the electrolyte chambers and the conversion of electrical energy in chemical energy and vice versa, and a separator (5) which enables a charge transfer between the two electrolyte chambers (3a, 3b, 3c, 3d), at least the first electrolyte chamber (3a, 3c) having at least partial thermal insulation (6) , at least one device for removing (7) and / or feeding (8) thermal energy into or from the electrolyte, which is located in the thermally insulated part of the first electrolyte chamber, wherein the feed device (8) for thermal energy comprises an electrical heating element, wherein the electrochemical energy store (1) has a control device (11) which is designed to supply and / or withdraw electrical and / or thermal energy into or from the electrolyte depending on the amount of energy currently stored in the electrolyte of the two To control forms of energy wherein the control device (11) is designed to use supplied electrical energy until the electrochemical storage capacity of the electrolyte is used for the electrochemical charging of the electrolyte and the supplied electrical energy when the electrochemical storage capacity of the electrolyte is fully utilized to heat the electrolyte, which is insulated Part (3c) of the first electrolyte chamber (3a, 3c) is to be used by means of the electrical heating element. Energiespeicher gemäß Anspruch 1, wobei die Entnahmeeinrichtung (7) und/oder die Einspeiseeinrichtung (8) für thermische Energie einen Wärmeübertrager umfasst.Energy storage according to Claim 1 , wherein the removal device (7) and / or the feed device (8) for thermal energy comprises a heat exchanger. Energiespeicher gemäß einem der vorherigen Ansprüche, ausgebildet als Redox-Flow-Speicher, wobei die Elektrolytkammern (3a, 3b, 3c, 3d) jeweils in mindestens eine erste und eine zweite Unterkammer aufgeteilt sind, wobei die jeweils ersten Unterkammern (3a,3b) als aktiver Bereich (2) um die Elektroden ausgebildet sind und mindestens eine der zweiten Unterkammern (3c,3d) als zumindest teilweise wärmegedämmtes Speichervolumen für Elektrolyt ausgebildet ist.Energy store according to one of the preceding claims, designed as a redox flow store, the electrolyte chambers (3a, 3b, 3c, 3d) each being divided into at least a first and a second subchamber, the respective first subchambers (3a, 3b) being active area (2) around the electrodes and at least one of the second subchambers (3c, 3d) is designed as an at least partially insulated storage volume for electrolyte. Energiespeicher gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Regelvorrichtung (11) dazu ausgebildet ist, zugeführte Energie bei vollständiger Auslastung der thermischen Speicherkapazität des Elektrolyten als chemische Energie im Elektrolyten zu speichern.Energy store according to one of the preceding claims, wherein the control device (11) is designed to store supplied energy as chemical energy in the electrolyte when the thermal storage capacity of the electrolyte is fully utilized. Energiegewinnungsanlage umfassend einen elektrochemischen Energiespeicher (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche und ein Modul (16) mit einer oder mehrerer elektrischer Energiequellen (12), die als photovoltaische Zellen ausgebildet sind und die in den elektrochemischen Energiespeicher eingespeiste elektrische und/oder thermische Energie erzeugen.Energy production system comprising an electrochemical energy store (1) according to one of the preceding claims and a module (16) with one or more electrical energy sources (12) which are designed as photovoltaic cells and which generate electrical and / or thermal energy fed into the electrochemical energy store. Energiegewinnungsanlage gemäß Anspruch 5, wobei das Modul (16) eine thermische Energiequelle (13) umfasst, die als solarthermischer Absorber ausgeführt ist und zur Erzeugung der in den elektrochemischen Energiespeicher eingespeisten thermischen Energie verwendet wird.Energy production plant according to Claim 5 The module (16) comprises a thermal energy source (13) which is designed as a solar thermal absorber and is used to generate the thermal energy fed into the electrochemical energy store. Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers (1), der eine erste Kammer (3a, 3c) und eine zweite Kammer (3b,3d) zur Aufnahme von Elektrolyt, zwei Elektroden (4), die jeweils mit einer der Elektrolytkammern in Verbindung stehen und die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie und umgekehrt ermöglichen, und einen Separator (5), der einen Ladungsübergang zwischen den zwei Elektrolytkammern (3a, 3b, 3c, 3d) ermöglicht, aufweist, wobei mindestens die erste Elektrolytkammer zumindest teilweise wärmegedämmt wird und wobei ein Teil der zugeführten Energie als thermische Energie des Elektrolyten, der sich im wärmegedämmten Teil der ersten Elektrolytkammer (3a, 3c) befindet, gespeichert wird, wobei die Speicherung von elektrischer und/oder thermischer Energie in Abhängigkeit der jeweils aktuell im Elektrolyten gespeicherten Energiemenge der beiden Energieformen erfolgt, wobei zugeführte elektrische Energie als elektrochemische Energie im Elektrolyten gespeichert wird, falls die elektrochemische Speicherkapazität des Elektrolyten nicht vollständig ausgelastet ist, und wobei zugeführte elektrische Energie als thermische Energie des Elektrolyten, der sich im wärmegedämmten Teil der ersten Elektrolytkammer befindet, gespeichert wird, falls die elektrochemische Speicherkapazität des Elektrolyten vollständig ausgelastet ist.Method for operating an electrochemical energy store (1) which has a first chamber (3a, 3c) and a second chamber (3b, 3d) for receiving electrolyte, two electrodes (4), each of which is connected to one of the electrolyte chambers and which Allow conversion of electrical energy into chemical energy and vice versa, and a separator (5) that enables a charge transfer between the two electrolyte chambers (3a, 3b, 3c, 3d), wherein at least the first electrolyte chamber is at least partially thermally insulated and part of the energy supplied as thermal energy of the electrolyte, which is located in the thermally insulated part of the first electrolyte chamber (3a, 3c), is stored, the storage of electrical and / or thermal energy taking place depending on the amount of energy currently stored in the electrolyte of the two forms of energy, with electrical energy being stored as electrochemical energy in the electrolyte if the electrochemical storage capacity of the electrolyte is not is fully utilized, and wherein electrical energy supplied is stored as thermal energy of the electrolyte, which is located in the thermally insulated part of the first electrolyte chamber, if the electrochemical storage capacity of the electrolyte is fully utilized. Verfahren nach Anspruch 7, wobei zugeführte Energie als chemische Energie des Elektrolyten gespeichert wird, falls die zulässige Höchsttemperatur des Elektrolyten erreicht ist.Procedure according to Claim 7 , wherein the energy supplied is stored as chemical energy of the electrolyte if the maximum permissible temperature of the electrolyte is reached.
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