DE102014001380B4

DE102014001380B4 - Wärmespeicher

Info

Publication number: DE102014001380B4
Application number: DE102014001380.4A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2014-01-31
Publication date: 2020-03-05
Anticipated expiration: 2034-02-01
Also published as: DE102014001380A1; DE202013001313U1

Abstract

Wärmespeicher, insbesondere atmosphärischer Wasserspeicher für Fernwärmenetze zur Bevorratung mit Wasservolumina, bestehend aus einem Speicherbehälter, der einen unteren Speicherraum (1) und einen oberen Speicherraum (2) aufweist, wobei im unteren Speicherraum (1) mindestens zwei separate Anordnungen (4; 5) für eine Beladung und Entladung mit kaltem oder erhitztem Wasser vorgesehen sind, wobei im oberen Speicherraum (2) ein Wasservolumen (6) als Druckauflastung für das Wasser im unteren Speicherraum (1) vorgesehen ist und wobei sich oberhalb des Wasservolumens (6) ein Dampfpolster (7) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem unteren Speicherraum (1) und dem oberen Speicherraum (2) ein starrer Zwischenboden (3) als lagefixierte und mediendichte Abgrenzung angeordnet ist und dass der untere Speicherraum (1) und der obere Speicherraum (2) über eine als Ausgleichsrohr oder als Ausgleichsschacht ausgestaltete Kanalstruktur (8) miteinander in Wirkverbindung stehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher, insbesondere atmosphärischen Wasserspeicher für Fernwärmenetze zur Bevorratung mit Wasservolumina, bestehend aus einem Speicherbehälter mit zwei Speicherräumen, wobei zumindest ein Speicherraum mit kaltem bzw. erhitztem Wasser beladen und entladen werden kann.
Schichtenspeicher sind bereits in verschiedenartigen Varianten bekannt. Unabhängig von der jeweils konkreten Ausgestaltung erfolgt die Speicherung üblicherweise derart, dass im unteren Teil des Speichers kaltes Wasser und im oberen Teil warmes bzw. heißes Wasser schichtenweise getrennt aufgespeichert wird. Bei einer Beladung wird dem Speicher oben heißes Wasser zugeführt und unten kaltes Wasser entnommen, bei einer Entladung verläuft dieser Vorgang umgekehrt. Sowohl beim Ladevorgang als auch beim Entladevorgang ändert sich zwangsläufig der Rauminhalt des Speichers, da das spezifische Volumen von heißem Wasser größer ist als das spezifische Volumen von kaltem Wasser. Somit ändert sich die Dichte des Wassers und damit wird die Wassersäule (Volumen) bei gleicher Speichermasse und gleichem Fußpunktdruck höher. Gemäß DE 565 235 A kann oberhalb der Heißwasserschicht im Speicher auch ein Dampfraum ausgestaltet werden. Mit der Dampfauflastung bei geringem Druck wird lediglich das entstehende Differenzvolumen im Speicher ausgeglichen, ohne das es zu einem Luft- bzw. Sauerstoff- Kontakt kommt.
Während der benannte Speicher nach DE 565 235 A für relativ kleine Wasservolumina und schnell abwechselnde Lade- und Entladevorgänge konzipiert ist, werden zunehmend auch technische Lösungen angestrebt, mit denen die in Teillastperioden nicht vollständig genutzte Wärme von Kraftwerken und ähnlichen Objekten über einen längeren Zeitraum gespeichert werden kann.
So wird in GB 1 227 386 A vorgeschlagen, das mittels Abwärme oder das im eigentlichen Kraftwerksbetrieb überschüssig erhitzte Wasser in Felskammern oder in Behältern im tiefen Erdreich zu speichern.
In DE 25 41 910 C2 wird ein Langzeitwärmespeicher beschrieben, der als Speichermedium ein erstes Wasservolumen aufweist, das in einem wärmeisolierten Raum eingeschlossen ist. Oberhalb dieses ersten Wasservolumens ist ein durch eine vorzugsweise membranartige Wandung abgetrenntes zweites Wasservolumen angeordnet. Das zweite Wasservolumen bewirkt eine Druckauflastung auf das unter der Wandung befindliche erste Wasservolumen.
Eine Beaufschlagung mit einem noch größeren Druck wird erreicht, indem die Wandung zum Beispiel durch zusätzliche Bauteile beschwert oder einer Zugkraft ausgesetzt wird.
Die benannten Konstruktionen gemäß GB 1 227 386 A und DE 25 41 910 C2 sind für eine Speicherung von großen erhitzten Wasservolumina über längere Zeiträume grundsätzlich geeignet. Allerdings erfordern derartige Lösungen sehr hohe Investitionen für die jeweiligen Speicherbehälter. Dies hat dazu geführt, dass Langzeitspeicher bisher kaum Anwendung finden.
Die DE 37 28 551 A1 betrifft eine Anordnung zum Sammeln und Speichern von Sonnenenergie, wobei ein entsprechender Speicherbehälter zur Aufnahme von Wasservolumina vorgesehen ist.
In der DE 3115 988 A1 , der DE 100 40 892 C1 und der US 2004 / 0134 647 A1 sind weitere Beispiele von Warmwasser-Speichern gemäß dem Stand der Technik angegeben.
Eine interessante Alternative zu einem Langzeitspeicher stellen als Schichtenspeicher ausgeführte Speicherbehälter dar, die eine Bevorratung mit erhitztem Wasser zumindest für mehrere Tage ermöglichen. Somit können Kraftwerke und ähnliche Objekte über längere Zeiträume mit einem weitgehend gleichartigen Ablauf betrieben werden, weil die während der täglichen oder wöchentlichen Teillastzeiten nicht vollständig abgerufene Wärmemenge in Form von erhitztem Wasser einige Tage mit einem wirtschaftlich akzeptablem Aufwand bevorratet werden kann. Für eine zeitlich veränderliche Lastsituation bei einer Versorgung mit Fernwärme sind solche externen Speicher vorteilhaft.
Allerdings können unter üblichen Einsatzbedingungen in wassergefüllten Schichtenspeichem unter atmosphärischem Druck nur maximale Ladetemperaturen zwischen 95°C und 98 °C realisiert werden, wobei die tatsächliche Maximaltemperatur vom Luftdruck abhängig ist. Infolge einer Ausdehnung des Wassers als Funktion der Temperatur verändert sich das Speichervolumen in Abhängigkeit des Ladezustandes des Speichers. Dies führt dazu, dass der Füllstand im Speicher schwankt. Um einen Kontakt der Wasseroberfläche im Speicher mit Luft (Sauerstoff, Stickstoff) zu vermeiden, wird bevorzugt eine Dampfauflastung bis zu 500 Pa eingesetzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine technische Lösung zu schaffen, mit der ein wassergefüllter Schichtenspeicher unter atmosphärischem Druck mit Ladetemperaturen von mehr als 100°C betrieben werden kann, vorzugsweise mit Temperaturen von bis zu 110°C und maximal bis 115 °C.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem zwischen dem unteren Speicherraum und dem oberen Speicherraum ein starrer Zwischenboden als lagefixierte und mediendichte Abgrenzung angeordnet ist und indem der untere Speicherraum und der obere Speicherraum über eine als Ausgleichsrohr oder als Ausgleichsschacht ausgestaltete Kanalstruktur miteinander in Wirkverbindung stehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, die in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Mit der vorgeschlagenen Lösung wird erreicht, dass über dem genutzten Speichervolumen eine zweite kältere Schicht angeordnet werden kann, die folgende Funktionen realisiert:

- Erhöhung des Auflastdruckes auf das genutzte Volumen, um immer über dem Siededruck zu liegen und somit Verdampfung bzw. Kavitation sicher auszuschließen
- Aufnahme der Volumendifferenz infolge Wasserausdehnung im Speicher bzw. gesamten Verteilungssystem
- Aufbau eines Dampfpolsters über der Wasseroberfläche im vorgegebenen Druckbereich bis zu 500 Pa

Die Trennschicht dient zur Befestigung des oberen Be- und Entladesystems und weist wärmedämmende oder wärmeisolierende Eigenschaften auf, um eine Erwärmung des Auftastwassers durch Wärmeleitung durch das Nutzvolumen sicher zu vermeiden. Die Aufrechterhaltung des Dampfpolsters kann in vorteilhafter Weise durch Entspannung des Speicherwassers erfolgen, es sind jedoch auch die bekannten klassischen Methoden wie Dampferzeugung bzw. Nutzung von vorhandenem Dampf möglich.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
Der Speicherbehälter umfasst demzufolge einen unteren Speicherraum 1 und einen oberen Speicherraum 2, die durch einen starren Zwischenboden 3 getrennt sind. Im unteren Speicherraum 1 sind die Be- und Entladeeinrichtungen 4 und 5 vorgesehen, die eine radiale boden- bzw. deckennahe impulsarme Ein- und Ausströmung des Wassers ermöglichen.
Über die untere Einrichtung 4 erfolgt eine Beladung und Entladung mit kaltem Wasser, das beispielsweise eine Temperatur von 65 °C (Netzrücklauf) aufweist. Durch die zentrale kreisförmige bodennahe Anordnung des Austrittsquerschnitts wird eine gleichmäßige Verteilung ohne Wirbelbildung erreicht.
Über die analog ausgeführte obere Einrichtung 5 erfolgt eine Beladung und Entladung mit erhitztem Wasser, das beispielweise eine Temperatur von 110 °C aufweist. Die Befestigung erfolgt starr am Zwischenboden 3.
Im oberen Speicherraum 2 befindet sich oberhalb des starren Zwischenbodens 3 ein Wasservolumen 6, das über den starren Zwischenboden 3 eine Druckauflastung für das im unteren Speicherraum 1 vorhandene Wasser bewirkt. Die Druckauflastung ist wesentlich, um auch Temperaturen von mehr als 100 °C beherrschen zu können. Die Größe des Wasservolumens 6 ist abhängig vom Ladezustand des Speichers und eventuell des aufzunehmenden Differenzvolumens aus dem Fernwärmenetz, es wird jedoch immer die erforderliche Wassersäule für die Druckauflastung vom Speicherraum 1 sichergestellt. Das verbleibende Speichervolumen oberhalb des Wasservolumens 6 wird zur Vermeidung eines Sauerstoffeintrags mit einem Dampfpolster 7 beaufschlagt.
Obwohl der starre Zwischenboden 3 eine lagefixierte, mediendichte und wärmeisolierte Abgrenzung zwischen dem unteren Speicherraum 1 und dem oberen Speicherraum 2 gewährleistet, stehen die beiden Speicherräume 1 und 2 miteinander in Wirkverbindung. Dies wird mit einer als Ausgleichsrohr bzw. Ausgleichsschacht ausgestalteten Kanalstruktur 8 zur Strömungsverbindung erreicht.
Für die Entlüftung des Speicherraums 1 bei der Erstbefüllung, der Abführung von entstehenden Inertgasen im Betrieb sowie als Einspeisung der möglichen Dampferzeugung durch Entspannung eines Teilvolumens dient mindestens ein Rohrsystem 9, das ausgehend von der oberen Be- und Entladeeinrichtung 5 durch das Wasservolumen 6 führt und in Wirkverbindung mit einer Entlüftung 10, einer Entspannungseinrichtung 11 und dem Dampfpolster 7 steht.
Das entstehende Kondensat wird dem Speicher an geeigneter Stelle wieder zugeführt. Weiterhin wird der Speicher mit einer Schutzeinrichtung 12 gegen unzulässigen Unter- bzw. Überdruck ausgestattet.
Der erfindungsgemäße Wärmespeicher ist als ein atmosphärischer Wasserspeicher für eine bauliche Integration in Fernwärmenetze und zur Bevorratung für einen Zeitraum von maximal einigen Tagen konzipiert. Eine Bevorratung über mehrere Wochen oder Monate ohne Lade- oder Entladevorgänge ist hingegen nicht vorgesehen. Der Speicherbehälter ist auch für sehr große Wasservolumina geeignet und kann mit erheblichen Bauhöhen - nach gegenwärtigem Stand bis zu etwa 70 Meter - ausgeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: unterer Speicherraum
2: oberer Speicherraum
3: starrer Zwischenboden
4: untere Be- und Entladeeinrichtung
5: obere Be- und Entladeeinrichtung
6: Wasservolumen als Druckauflastung
7: Dampfpolster
8: Kanalstruktur / Ausgleichsrohr, Ausgleichsschacht
9: Rohrsystem
10: Entlüftung
11: Entspannungseinrichtung
12: Schutzeinrichtung Unter- bzw. Überdruck

Claims

Wärmespeicher, insbesondere atmosphärischer Wasserspeicher für Fernwärmenetze zur Bevorratung mit Wasservolumina, bestehend aus einem Speicherbehälter, der einen unteren Speicherraum (1) und einen oberen Speicherraum (2) aufweist, wobei im unteren Speicherraum (1) mindestens zwei separate Anordnungen (4; 5) für eine Beladung und Entladung mit kaltem oder erhitztem Wasser vorgesehen sind, wobei im oberen Speicherraum (2) ein Wasservolumen (6) als Druckauflastung für das Wasser im unteren Speicherraum (1) vorgesehen ist und wobei sich oberhalb des Wasservolumens (6) ein Dampfpolster (7) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem unteren Speicherraum (1) und dem oberen Speicherraum (2) ein starrer Zwischenboden (3) als lagefixierte und mediendichte Abgrenzung angeordnet ist und dass der untere Speicherraum (1) und der obere Speicherraum (2) über eine als Ausgleichsrohr oder als Ausgleichsschacht ausgestaltete Kanalstruktur (8) miteinander in Wirkverbindung stehen.
Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das als Druckauflastung wirksame Wasservolumen (6) den starren Zwischenboden (3) direkt beaufschlagt.
Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Speicher ein Rohrsystem (9) zugeordnet ist, das ausgehend von der oberen Be- und Entladeeinrichtung (5) durch das Wasservolumen (6) führt und in Wirkverbindung mit einer Entlüftung (10), einer Entspannungseinrichtung (11) und dem Dampfpolster (7) steht.
Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Speicher eine Schutzeinrichtung (12) gegen unzulässigen Unter- oder Überdruck zugeordnet ist.
Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsquerschnitt der unteren Be- und Entladevorrichtung (4) ganz unten im Innenraum des unteren Speicherraums (1) angeordnet ist.
Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Be- und Entladevorrichtung (5) starr am Zwischenboden (3) befestigt ist.