DE102014101263B3 - Apparatus and method for storing energy using supercritical carbon dioxide - Google Patents

Apparatus and method for storing energy using supercritical carbon dioxide Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von Energie mit Hilfe von überkritischem Kohlendioxid, umfassend einen Druckspeicher (12) zum Speichern des Kohlendioxids im überkritischen Zustand, eine Zuführleitung (14) zum Zuführen des Kohlendioxids zum Druckspeicher (12) eine mit der Zuführleitung (14) zusammenwirkende Verdichtungsanordnung (18) zum Verdichten des Kohlendioxids auf den überkritischen Zustand, die stromaufwärts des Druckspeichers (12) angeordnet ist, eine Abführleitung (24) zum Abführen des Kohlendioxids aus dem Druckspeicher (12), und eine mit der Abführleitung (24) zusammenwirkende Entspannungsanordnung (26) zum Entspannen des überkritischen Kohlendioxids, die stromabwärts des Druckspeichers (12) angeordnet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren und ein entsprechendes Computerprogramm.The present invention relates to an apparatus for storing energy with the aid of supercritical carbon dioxide, comprising a pressure accumulator (12) for storing the carbon dioxide in the supercritical state, a feed line (14) for supplying the carbon dioxide to the pressure accumulator (12) with the feed line (14 ) cooperating compression assembly (18) for compressing the carbon dioxide to the supercritical state located upstream of the accumulator (12), a discharge conduit (24) for discharging the carbon dioxide from the accumulator (12), and cooperating with the evacuation conduit (24) A relaxation assembly (26) for venting the supercritical carbon dioxide disposed downstream of the accumulator (12). In addition, the invention relates to a corresponding method and a corresponding computer program.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Speichern von Energie mit Hilfe von überkritischem Kohlendioxid. Aufgrund der bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen zur Bereitstellung von elektrischer Energie entstehenden CO2-Emissionen, die für die globale Klimaerwärmung verantwortlich gemacht werden, und der Endlichkeit von fossilen Brennstoffen ist man bestrebt, den Anteil an erneuerbaren Energiequellen zu erhöhen und eines Tages die elektrische Energie ausschließlich aus erneuerbaren Energiequellen zu beziehen. Die erneuerbaren Energiequellen sind unerschöpflich und produzieren kein CO2. Die bekanntesten erneuerbaren Energiequellen sind Sonnen- und Windenergie. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen ist ihre Verfügbarkeit jedoch sehr ungleichmäßig und kaum vorhersehbar. Dass während der Nachtstunden keine Sonnenenergie zur Verfügung steht, ist eine der wenigen fest vorhersehbaren Tatsachen. Ob jedoch tagsüber die Sonne von einem wolkenlosen Himmel scheint oder von Wolken verdeckt ist, lässt sich insbesondere in Mittel- und Nordeuropa äußerst schwer vorhersagen. Zwar ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Sonne von einem wolkenlosen Himmel scheint, in der Wüste am höchsten, so dass sich dort die Sonnenenergie am effektivsten nutzen lässt, jedoch sitzen die Hauptverbraucher oft sehr weit entfernt von der Wüste, so dass die elektrische Energie sehr weit transportiert werden muss, wozu eine aufwendige Infrastruktur benötigt wird, die bislang noch nicht zur Verfügung steht. Bei der momentan vorhandenen Infrastruktur entstehen beim Transport hohe Verluste, so dass es sich nicht lohnt, die elektrische Energie in der Wüste, beispielsweise in Nordafrika, zu erzeugen und nach Nordeuropa zu transportieren.The present invention relates to an apparatus and method for storing energy by means of supercritical carbon dioxide. Due to the CO 2 emissions generated by the combustion of fossil fuels for the provision of electrical energy, which are held responsible for global warming, and the finiteness of fossil fuels, the aim is to increase the share of renewable energy sources and one day the electric Obtain energy exclusively from renewable energy sources. Renewable energy sources are inexhaustible and do not produce CO 2 . The best-known renewable energy sources are solar and wind energy. However, unlike fossil fuels, their availability is very uneven and unpredictable. The fact that there is no solar energy during the night is one of the few facts that can be predicted. However, whether the sun shines from a cloudless sky during the day or is obscured by clouds is extremely difficult to predict, especially in central and northern Europe. Although the likelihood of the sun shining from a cloudless sky is highest in the desert, solar energy can be used most effectively, but the main consumers are often very far away from the desert, so the electrical energy is very high must be transported, what a complex infrastructure is needed, which is not yet available. With the current infrastructure, high losses occur during transport, so it is not worthwhile to generate the electrical energy in the desert, for example in North Africa, and to transport it to northern Europe.

Ähnlich sieht es mit der Verfügbarkeit von Windenergie aus. Windreiche Gebiete liegen in Küstennähe oder direkt auf dem Meer, allerdings gilt auch hier, dass die Hauptverbraucher häufig weit entfernt sitzen und die elektrische Energie weit transportiert werden muss, wobei dieselben Nachteile wie bei der Nutzung der Sonnenenergie auftreten.The situation is similar with the availability of wind energy. Windy areas are located near the coast or directly on the sea, but it is also true here that the main consumers often sit far away and the electrical energy has to be transported far, with the same disadvantages as in the use of solar energy occur.

Unabhängig von den Nachteilen, die mit dem Transport von elektrischer Energie verbunden sind, führt die schwankende Verfügbarkeit von regenerativen Energiequellen, exemplarisch von Wind- und Sonnenenergie, auch direkt zu einer schwankenden eingespeisten Menge der hiermit bereitgestellten elektrischen Energie. Dabei weder eine Unter- noch eine Überversorgung von Vorteil. Neben einem Spannungsabfall im Fall einer Unterversorgung stellt eine Überversorgung eine besondere Belastung der Stromnetze dar, weshalb in diesem Fall Windenergieanlagen gedrosselt und Solarkraftwerke vom Netz genommen werden. Um auf die schwankende Verfügbarkeit der erneuerbaren Energiequellen zu reagieren, werden Energiespeicher immer wichtiger. Ein bekanntes Beispiel eines Energiespeichers sind Pumpspeicherkraftwerke, bei denen in Zeiten einer geringer Nachfrage nach elektrischer Energie Wasser auf ein höher gelegenes Becken gepumpt und in Zeiten einer erhöhten Nachfrage abgelassen und die potentielle Energie des Wassers in einer Wasserturbine in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Errichtung von Pumpspeicherkraftwerken erfordert jedoch einen massiven Eingriff in die Natur, weshalb derartige Projekte kaum durchsetzbar sind. Regardless of the drawbacks associated with the transport of electrical energy, the fluctuating availability of regenerative energy sources, exemplified by wind and solar energy, also directly results in a fluctuating feed of the electrical energy provided thereby. Thereby neither a low nor an oversupply is an advantage. In addition to a voltage drop in the event of a shortage, an oversupply represents a particular burden on the power grids, which is why in this case, wind turbines are throttled and solar power plants are disconnected from the grid. In order to respond to the fluctuating availability of renewable energy sources, energy storage systems are becoming increasingly important. A well-known example of an energy storage system is pumped storage power plants where, at times of low demand for electrical energy, water is pumped to a higher pool and drained in times of increased demand and the potential energy of the water in a water turbine is converted to electrical energy. The construction of pumped storage power plants, however, requires a massive intervention in nature, which is why such projects are hardly enforceable.

Ein weiteres Beispiel eines Energiespeichers sind Druckluftspeicherkraftwerke. Hierbei wird Luft angesaugt, ca. auf 70 bar komprimiert und in unterirdische Kavernen, meist in Salzstöcke, eingeleitet und dort gespeichert. Besteht großer Energiebedarf, wird die komprimierte Luft in einer Turbine entspannt und mit einem angeschlossenen Generator elektrische Energie bereitgestellt. Bekannte Druckluftspeicherkraftwerke haben eine Leistung von ca. 100 MW. Bei 70 bar beträgt die Temperatur von Luft über 600°C. Die derzeit in Betrieb befindlichen Druckluftspeicherkraftwerke verwenden diabate Druckspeicher, in denen die Wärme, die bei der Komprimierung der Luft entsteht, teilweise abgeführt wird, da die Kavernen nicht für hohe Temperaturen ausgelegt sind. Darüber hinaus geht weitere Wärme in den Kavernen verloren. Die verlorene Wärme steht folglich für die Bereitstellung von elektrischer Energie nicht mehr zur Verfügung, weshalb diese Weise der Energiespeicherung nicht sehr effizient ist. Another example of an energy storage system is compressed air storage power plants. This air is sucked in, compressed to about 70 bar and introduced into underground caverns, usually in salt domes, and stored there. If there is a great need for energy, the compressed air is expanded in a turbine and electrical energy is provided with a connected generator. Known compressed air storage power plants have a capacity of about 100 MW. At 70 bar, the temperature of air is above 600 ° C. The compressed air storage power plants currently in operation use diabile pressure accumulators, in which the heat generated during the compression of the air is partially dissipated, since the caverns are not designed for high temperatures. In addition, more heat is lost in the caverns. The lost heat is therefore no longer available for the supply of electrical energy, which is why this way of energy storage is not very efficient.

Der Wärmeverlust kann dadurch reduziert werden, dass die komprimierte Luft durch einen separaten Wärmespeicher geleitet werden, der einen Teil der Wärme aufnimmt, bevor die komprimierte Luft in den Kavernen gespeichert bzw. gelagert wird. Hierbei handelt es sich um adiabate Druckluftspeicherkraftwerke. Wird elektrische Energie benötigt, wird die kalte, komprimierte Luft durch den Wärmespeicher geleitet, dabei erhitzt und dann der Turbine zugefügt, so dass die Wärmeenergie bei der Speicherung nicht oder nur in geringem Umfang verloren geht. Adiabate Druckluftspeicherkraftwerke sind in der EP 2 530 283 A1 , der US 2012/0305411 und der DE 10 2012 108 222 A1 beschrieben.The heat loss can be reduced by passing the compressed air through a separate heat accumulator which absorbs some of the heat before the compressed air is stored in the caverns. These are adiabatic compressed air storage power plants. If electrical energy is required, the cold, compressed air is passed through the heat accumulator, heated and then added to the turbine, so that the heat energy is not or only slightly lost during storage. Adiabatic compressed air storage power plants are in the EP 2 530 283 A1 , of the US 2012/0305411 and the DE 10 2012 108 222 A1 described.

Die hohe Temperatur der auf ca. 70 bar oder mehr komprimierten Luft stellt hohe Anforderungen an die in den Druckluftspeicherkraftwerken verwendeten Komponenten und Apparate. Wie oben erwähnt, beträgt die Temperatur von Luft bei diesen Drücken 600°C und mehr. Üblicherweise verwendete Stahlsorten sind diesen Temperaturbelastungen nicht mehr gewachsen, so dass entweder alternative Materialien verwendet oder die Apparate und Komponenten mit einer Innenisolierung versehen werden müssen. Diese Maßnahmen machen die Konstruktion von Druckluftspeicherkraftwerken kompliziert und teuer und reduzieren den Wirkungsgrad.The high temperature of the compressed air to about 70 bar or more places high demands on the components and apparatus used in the compressed air storage power plants. As mentioned above, the temperature of air at these pressures is 600 ° C and more. Commonly used steel grades are no longer able to cope with these temperature loads, so that either alternative materials must be used or the apparatuses and components must be provided with internal insulation. These measures make the Design of compressed air storage power plants complicated and expensive and reduce the efficiency.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit welchen den oben beschriebenen Nachteilen von Druckspeicherkraftwerken begegnet werden kann. Insbesondere soll eine Möglichkeit geschaffen werden, herkömmliche Materialien zu verwenden, ohne gesonderte Wärmeschutzmaßnahmen vorsehen zu müssen.Object of the present invention is therefore to provide an apparatus and a method with which the disadvantages of pressure storage power plants described above can be met. In particular, a way should be created to use conventional materials without having to provide separate heat protection measures.

Gelöst wird die Aufgabe mit Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1 bis 7, mit Verfahren nach Anspruch 8 sowie mit einem Computerprogramm nach Anspruch 9. Vorteilhafte Ausbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved with devices according to claims 1 to 7, with the method according to claim 8 and with a computer program according to claim 9. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

In der DE 10 2006 035 272 A1 und der DE 10 2006 035 273 A1 wird eine Vorrichtung zum Speichern von Energie mit Hilfe von überkritischem Kohlendioxid vorgeschlagen, die einen Druckspeicher zum Speichern des Kohlendioxids im überkritischen Zustand, eine Zuführleitung zum Zuführen des Kohlendioxids zum Druckspeicher eine mit der Zuführleitung zusammenwirkende Verdichtungsanordnung zum Verdichten des Kohlendioxids auf den überkritischen Zustand, die stromaufwärts des Druckspeichers angeordnet ist, eine Abführleitung zum Abführen des Kohlendioxids aus dem Druckspeicher, und eine mit der Abführleitung zusammenwirkende Entspannungsanordnung zum Entspannen des überkritischen Kohlendioxids, die stromabwärts des Druckspeichers angeordnet ist. Ein wesentlicher Aspekt der dort beschriebenen Lehre ist es, anstelle von Luft Kohlendioxid (CO2) als Arbeitsmedium zu verwenden. Der kritische Punkt von CO2 liegt bei ca. 73,8 bar und 31°C. Bei höheren Drücken und Temperaturen liegt CO2 im überkritischen Zustand vor, bei dem nicht zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase unterschieden werden kann. Im überkritischen Zustand liegen die Eigenschaften von CO2 zwischen denen seines Gases und seiner Flüssigkeit. CO2 ist im überkritischen Zustand genauso dicht wie seine Flüssigkeit, hat aber die Viskosität seines Gases. Der wesentliche Aspekt ist, dass CO2 beim Komprimieren auf 85 bar lediglich eine Temperatur von ca. 400°C aufweist, die mit Stahlsorten, die üblicherweise für Apparate im Kraftwerksbau verwendet werden, ohne weitere Maßnahmen sicher beherrscht werden können. Da keine wärmeschützende Maßnahmen getroffen werden müssen, können die Kosten für die Apparate und Komponenten im Vergleich zu Druckluftspeicherkraftwerken, die mit Luft betrieben werden, deutlich gesenkt werden. Eine gewisse Ausnahme stellt die Entspannungsanordnung dar, die üblicherweise als Turbine ausgeführt wird. Wie bereits ausgeführt, ist CO2 im überkritischen Zustand genauso dicht wie seine Flüssigkeit, hat aber die Viskosität seines Gases. Hierdurch ist eine spezielle Turbinenkonstruktion notwendig, mit der CO2 im überkritischen Zustand entspannt werden kann. Derartige Turbinen sind beispielsweise in der US 2010/0024421 A1 beschrieben.In the DE 10 2006 035 272 A1 and the DE 10 2006 035 273 A1 For example, there is provided an apparatus for storing energy by means of supercritical carbon dioxide, comprising a pressure accumulator for storing the carbon dioxide in the supercritical state, a supply conduit for supplying the carbon dioxide to the accumulator, a compression arrangement cooperating with the supply conduit for compressing the carbon dioxide to the supercritical state upstream the pressure accumulator is arranged, a discharge line for discharging the carbon dioxide from the pressure accumulator, and a relaxation arrangement cooperating with the discharge line for releasing the supercritical carbon dioxide, which is arranged downstream of the pressure accumulator. An essential aspect of the teaching described therein is to use carbon dioxide (CO 2 ) as the working medium instead of air. The critical point of CO 2 is around 73.8 bar and 31 ° C. At higher pressures and temperatures, CO 2 is in the supercritical state, where no distinction can be made between the liquid and gaseous phases. In the supercritical state, the properties of CO 2 are between those of its gas and its liquid. CO 2 is as dense as its liquid in the supercritical state, but has the viscosity of its gas. The essential aspect is that CO 2 when compressed to 85 bar only has a temperature of about 400 ° C, which can be safely controlled with steel grades, which are commonly used for apparatus in power plant construction, without further action. Since no heat-protective measures have to be taken, the costs for the apparatus and components can be significantly reduced in comparison with compressed-air storage power plants that are operated with air. A certain exception is the expansion arrangement, which is usually performed as a turbine. As already stated, CO 2 is as dense as its liquid in the supercritical state, but has the viscosity of its gas. As a result, a special turbine design is necessary, with the CO 2 can be relaxed in the supercritical state. Such turbines are for example in the US 2010/0024421 A1 described.

Aufgrund der hohen Dichte des CO2 hat es auch eine hohe Energiespeicherdichte. Hierdurch kann die Vorrichtung auch mit kleineren Speichervolumina wirtschaftlich betrieben werden, so dass sie sich insbesondere für die dezentrale Produktion von elektrischer Energie eignet. Auch bei Leistungen von nur einem MW und für Entspeicherungszeiten von bis zu 10 Stunden sowie Komprimierungszeiten von 14 und mehr Stunden auf den Tag gerechnet ist ein wirtschaftlicher Betrieb der Vorrichtung zu erwarten. Üblicherweise ist der Bedarf an elektrischer Energie während der Nacht geringer als am Tag, so dass die Vorrichtung vorzugsweise so betrieben wird, dass nachts über verdichtet und tagsüber entspannt und elektrische Energie bereitgestellt wird. Allerdings können die Betriebsarten auch mehrmals zwischen 0 und 24h geändert werden, wenn der Strompreis ungewöhnlich stark fällt oder steigt. Da auch kleinere Kavernen als Druckspeicher ausreichen, bietet sich die Vorrichtung als ideale Ergänzung für Wind- und Sonnenenergie- oder Biogasanlagen an.Due to the high density of CO 2 , it also has a high energy storage density. As a result, the device can be operated economically even with smaller storage volumes, so that it is particularly suitable for the decentralized production of electrical energy. Calculated even with services of only one MW and for Entspeicherungszeiten of up to 10 hours and compression times of 14 and more hours to the day of an economic operation of the device. Usually, the need for electrical energy during the night is less than during the day, so that the device is preferably operated so that it is over-compacted at night and relaxed during the day and electrical energy is provided. However, the operating modes can also be changed several times between 0 and 24 hours if the price of electricity falls or rises unusually high. Since even smaller caverns suffice as pressure accumulators, the device offers itself as an ideal supplement for wind and solar energy or biogas plants.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Speichern von Energie mit Hilfe von überkritischem Kohlendioxid gelöst, die einen ersten Druckspeicher zum Speichern des Kohlendioxids im überkritischen Zustand, eine erste Zuführleitung zum Zuführen des Kohlendioxids zum ersten Druckspeicher, eine mit der ersten Zuführleitung zusammenwirkende erste Verdichtungsanordnung zum Verdichten des Kohlendioxids auf den überkritischen Zustand, einen zweiten Druckspeicher zum Speichern von Luft, eine zweite Zuführleitung zum Zuführen der Luft zum zweiten Druckspeicher, welche den ersten Druckspeicher durchläuft, eine mit der zweiten Zuführleitung zusammenwirkende zweite Verdichtungsanordnung zum Verdichten der Luft, einen mit der zweiten Zuführleitung zusammenwirkenden Wärmetauscher, der im ersten Druckspeicher angeordnet und von der verdichteten Luft durchströmbar ist, zum Übertragen von Wärme von der verdichteten Luft auf das Kohlendioxid, eine Verbindungsleitung zwischen dem ersten und dem zweiten Druckspeicher zum Zuführen von Kohlendioxid vom ersten Druckspeicher in den zweiten Druckspeicher, eine Abführleitung zum Abführen des Kohlendioxid-Luft-Gemisches aus dem zweiten Druckspeicher, und eine mit der Abführleitung zusammenwirkende Entspannungsanordnung zum Entspannen des Kohlendioxid-Luft-Gemisches umfasst. Die Vorteile, die mit diesem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt werden können, entsprechen denjenigen, die für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind. Darüber hinaus bietet dieses Ausführungsbeispiel noch folgenden weiteren Vorteil: Ein Teil der Wärme, die bei der Komprimierung der Luft entsteht, wird an das CO2 abgegeben. Mit Ausnahme des Abschnitts der zweiten Zuführleitung zwischen der zweiten Verdichtungsanordnung und dem Wärmetauscher weisen sowohl die Luft als auch das CO2 Temperaturen von deutlich unter 600°C auf. Wiederum müssen die Apparate und Komponenten nicht aus einem speziellen Material gefertigt sein oder mit einem besonderen Wärmeschutz versehen werden. Der Abschnitt der zweiten Zuführleitung zwischen der zweiten Verdichtungsanordnung und dem Wärmetauscher macht dabei einen geringen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus und kann ohne nennenswerten Aufwand mit einer Innenisolierung und/oder einer Kühlung versehen werden. Im zweiten Druckspeicher liegt ein Kohlendioxid-Luft-Gemisch vor, bei dem CO2 seinen entsprechenden Partialdruck aufweist und nicht überkritisch vorliegt. Folglich benötigt man keine spezielle Entspannungsanordnung, die CO2 im überkritischen Zustand entspannen kann. Auf Spezialturbinen kann verzichtet werden, was die Kosten für die Bereitstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung deutlich verringert.The object is achieved by a device for storing energy with the aid of supercritical carbon dioxide, which comprises a first pressure accumulator for storing the carbon dioxide in the supercritical state, a first supply line for supplying the carbon dioxide to the first accumulator, a cooperating with the first supply line first compression arrangement for compacting the carbon dioxide to the supercritical state, a second accumulator for storing air, a second supply line for supplying the air to the second accumulator which passes through the first accumulator, a second compression arrangement cooperating with the second supply line for compressing the air, one with the second supply line cooperating heat exchanger, which is arranged in the first pressure accumulator and can be flowed through by the compressed air, for transferring heat from the compressed air to the carbon dioxide, a connecting line between the first and nd the second pressure accumulator for supplying carbon dioxide from the first pressure accumulator into the second pressure accumulator, a discharge line for discharging the carbon dioxide-air mixture from the second accumulator, and a relaxation arrangement cooperating with the discharge line for expanding the carbon dioxide-air mixture. The advantages that can be achieved with this second embodiment of the device according to the invention, correspond to those which have been described for the first embodiment. In addition, this embodiment still offers the following Another advantage: some of the heat that is generated when compressing the air is released to the CO 2 . With the exception of the portion of the second supply line between the second compression arrangement and the heat exchanger, both the air and the CO 2 temperatures of well below 600 ° C. Again, the equipment and components need not be made of a special material or provided with a special heat protection. The portion of the second supply line between the second compression arrangement and the heat exchanger makes up a small part of the device according to the invention and can be provided without significant effort with an inner insulation and / or cooling. In the second pressure accumulator is a carbon dioxide-air mixture in which CO 2 has its corresponding partial pressure and is not supercritical. Consequently, no special relaxation arrangement is needed which can relax CO 2 in the supercritical state. On special turbines can be dispensed with, which significantly reduces the cost of providing the device according to the invention.

Vorzugsweise sind der erste Druckspeicher und/oder der zweite Druckspeicher als ein wärmeisolierender erster bzw. zweiter Druckspeicher ausgeführt. Wie eingangs ausgeführt, genügen auch kleinere Speichervolumina, um die erfindungsgemäße Vorrichtung wirtschaftlich betreiben zu können. Dabei kann das Speichervolumen soweit reduziert werden, dass auch Druckbehälter eingesetzt werden können. Man ist folglich nicht mehr auf das Vorhandensein geeigneter unterirdischer Kavernen angewiesen. Druckbehälter haben ein reduziertes Risiko der Leckage, so dass sie den Druck zuverlässiger halten als Kavernen. Zudem können die Druckbehälter alternativ wärmeisoliert ausgeführt werden, so dass sich Wärmeverluste minimieren lassen. Aufgrund der reduzierten Wärme- und Druckverluste kann der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Verwendung von wärmeisolierten Druckbehältern deutlich erhöht werden.Preferably, the first pressure accumulator and / or the second accumulator are designed as a thermally insulating first and second pressure accumulator. As stated at the outset, smaller storage volumes are sufficient in order to operate the device according to the invention economically. The storage volume can be reduced so far that pressure vessels can be used. It is therefore no longer dependent on the presence of suitable underground caverns. Pressure vessels have a reduced risk of leakage, making them more reliable than caverns. In addition, the pressure vessel can alternatively be designed heat-insulated, so that heat losses can be minimized. Due to the reduced heat and pressure losses, the efficiency of the device according to the invention by the use of heat-insulated pressure vessels can be significantly increased.

Es ist bevorzugt, dass in der ersten Zuführleitung eine erste Absperreinrichtung vorgesehen ist, mit welcher die Zufuhr von Kohlendioxid in den ersten Druckspeicher wahlweise unterbrochen oder freigegeben werden kann. Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn in der zweiten Zuführleitung eine zweite Absperreinrichtung vorgesehen ist, mit welcher die Zufuhr der Luft in den zweiten Druckspeicher wahlweise unterbrochen oder freigegeben werden kann. Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, wenn in der Verbindungsleitung eine dritte Absperreinrichtung vorgesehen ist, mit welcher die Zufuhr von Kohlendioxid vom ersten Druckspeicher in den zweiten Druckspeicher wahlweise unterbrochen oder freigegeben werden kann. Besonders bevorzugt ist es, wenn in der Abführleitung eine vierte Absperreinrichtung vorgesehen ist, mit welcher die Abfuhr des Kohlendioxid-Luft-Gemisches aus dem zweiten Druckspeicher wahlweise unterbrochen oder freigegeben werden kann. Die Absperreinrichtungen ermöglichen es, je nach Energiebedarf das CO2 zu komprimieren oder zu entspannen. Die Absperreinrichtungen können in ein Steuer- oder Regelungssystem eingebunden werden, so dass der Komprimierungs- oder Entspannungsprozess jeweils zu einem optimalen Zeitpunkt ausgeführt werden kann. Darüber hinaus können die Absperreinrichtungen so angesteuert werden, dass im zweiten Druckspeicher immer dasselbe Verhältnis von Kohlendioxid zu Luft vorliegt, wodurch die Entspannungsanordnung gleichmäßig betrieben und belastet wird, so dass Wechselbeanspruchungen verringert oder weitgehend vermieden werden, was zu einer Erhöhung der Lebensdauer führt.It is preferred that in the first supply line, a first shut-off device is provided, with which the supply of carbon dioxide in the first pressure accumulator can optionally be interrupted or released. Accordingly, it is advantageous if in the second supply line, a second shut-off device is provided, with which the supply of air into the second pressure accumulator can optionally be interrupted or released. Moreover, it is particularly advantageous if a third shut-off device is provided in the connecting line, with which the supply of carbon dioxide from the first pressure accumulator in the second pressure accumulator can optionally be interrupted or released. It is particularly preferred if a fourth shut-off device is provided in the discharge line, with which the removal of the carbon dioxide-air mixture from the second pressure accumulator can optionally be interrupted or released. The shut-off devices make it possible to compress or to relax the CO 2 depending on the energy requirement. The shut-off devices may be incorporated into a control system such that the compression or expansion process may be performed at an optimum time. In addition, the shut-off devices can be controlled so that there is always the same ratio of carbon dioxide to air in the second pressure accumulator, whereby the relaxation arrangement is operated and loaded uniformly, so that alternating stresses are reduced or largely avoided, which leads to an increase in the life.

Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Speichern von Energie mit Hilfe von überkritischem Kohlendioxid mit einer Vorrichtung nach dem dritten Ausführungsbeispiel gelöst, welches folgende Schritte umfasst:

  • – Verdichten des Kohlendioxids auf den überkritischen Zustand mittels der ersten Verdichtungsanordnung und Zuführen des verdichteten Kohlendioxids in den ersten Druckspeicher mittels der ersten Zuführleitung,
  • – Verdichten der Luft mittels der zweiten Verdichtungsanordnung und Zuführen der verdichteten Luft in den zweiten Druckspeicher mittels der zweiten Zuführleitung,
  • – Übertragen von Wärme von der verdichteten Luft auf das Kohlendioxid mittels des Wärmetauschers im ersten Druckspeicher,
  • – Zuführen von Kohlendioxid vom ersten Druckspeicher in den zweiten Druckspeicher,
  • – Abführen des Kohlendioxid-Luft-Gemisches aus dem zweiten Druckspeicher mittels der Abführleitung, und
  • – Entspannen des Kohlendioxid-Luft-Gemisches mittels der Entspannungsanordnung.
The object is further achieved by a method for storing energy with the aid of supercritical carbon dioxide with a device according to the third embodiment, which comprises the following steps:
  • Compressing the carbon dioxide to the supercritical state by means of the first compression arrangement and feeding the compressed carbon dioxide into the first pressure accumulator by means of the first supply line,
  • - Compressing the air by means of the second compression arrangement and supplying the compressed air in the second pressure accumulator by means of the second supply line,
  • Transferring heat from the compressed air to the carbon dioxide by means of the heat exchanger in the first pressure accumulator,
  • Supplying carbon dioxide from the first pressure reservoir into the second pressure reservoir,
  • - Discharge of the carbon dioxide-air mixture from the second pressure accumulator by means of the discharge line, and
  • - Relaxing of the carbon dioxide-air mixture by means of the relaxation arrangement.

Die Vorteile, die sich mit dem Verfahren erzielen lassen, entsprechen wiederum denjenigen, die für die Vorrichtung gemäß dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel diskutiert worden sind. Da ein Kohlendioxid-Luft-Gemisch entspannt wird, wird keine Entspannungsanordnung benötigt, welche auf die Entspannung von überkritischem CO2 ausgelegt ist. Ferner genügen geringere Speichervolumina, um die Vorrichtung wirtschaftlich betreiben zu können. Der dezentrale Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist wirtschaftlich möglich.The advantages that can be achieved with the method again correspond to those that have been discussed for the device according to the embodiment described above. Since a carbon dioxide-air mixture is expanded, no relaxation arrangement is required, which is designed for the relaxation of supercritical CO 2 . Furthermore, lower storage volumes are sufficient to operate the device economically. The decentralized operation of the device according to the invention is economically possible.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zum Ausführen eines Verfahrens zum Speichern von Energie mit Hilfe von überkritischem Kohlendioxid mit einer Vorrichtung nach einem der zuvor genannten Ausführungsbeispiele mit Programmmitteln zum Veranlassen eines Computers, die folgenden Schritte auszuführen, wenn das Computerprogramm auf dem Computer ausgeführt wird:

  • – Verdichten des Kohlendioxids auf den überkritischen Zustand mittels der ersten Verdichtungsanordnung und Zuführen des verdichteten Kohlendioxids in den ersten Druckspeicher mittels der ersten Zuführleitung,
  • – Verdichten der Luft mittels der zweiten Verdichtungsanordnung und Zuführen der verdichteten Luft in den zweiten Druckspeicher mittels der zweiten Zuführleitung,
  • – Übertragen von Wärme von der verdichteten Luft auf das Kohlendioxid mittels des Wärmetauschers im ersten Druckspeicher,
  • – Zuführen von Kohlendioxid vom ersten Druckspeicher in den zweiten Druckspeicher,
  • – Abführen des Kohlendioxid-Luft-Gemisches aus dem zweiten Druckspeicher mittels der Abführleitung, und
  • – Entspannen des Kohlendioxid-Luft-Gemisches mittels der Entspannungsanordnung.
The invention further relates to a computer program for carrying out a method for storing energy with the aid of supercritical carbon dioxide with a device according to one of the aforementioned embodiments with program means for causing a computer to perform the following steps when the computer program is executed on the computer:
  • Compressing the carbon dioxide to the supercritical state by means of the first compression arrangement and feeding the compressed carbon dioxide into the first pressure accumulator by means of the first supply line,
  • - Compressing the air by means of the second compression arrangement and supplying the compressed air in the second pressure accumulator by means of the second supply line,
  • Transferring heat from the compressed air to the carbon dioxide by means of the heat exchanger in the first pressure accumulator,
  • Supplying carbon dioxide from the first pressure reservoir into the second pressure reservoir,
  • - Discharge of the carbon dioxide-air mixture from the second pressure accumulator by means of the discharge line, and
  • - Relaxing of the carbon dioxide-air mixture by means of the relaxation arrangement.

Die Vorteile und technischen Effekte, die mit dem Computerprogramm erzielt werden können, entsprechen denjenigen, die für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung dargelegt worden sind.The advantages and technical effects which can be achieved with the computer program correspond to those which have been set forth for the method according to the invention and the device according to the invention.

Die Erfindung wird anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigenThe invention will be explained in detail by means of preferred embodiments with reference to the attached drawings. Show it

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, 1 a first embodiment of a device according to the invention,

2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und 2 a second embodiment of the device according to the invention, and

3 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, jeweils anhand einer Prinzipskizze. 3 a third embodiment of the device according to the invention, each with reference to a schematic diagram.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 1 zum Speichern von Energie mit Hilfe von überkritischem Kohlendioxid. Die Vorrichtung 10 1 umfasst einen Druckspeicher 12, der im dargestellten Ausführungsbeispiel als isolierter Druckbehälter 13 ausgeführt ist. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 10 1 eine Zuführleitung 14, mit welcher Kohlendioxid dem Druckspeicher 12 zugeführt werden kann, das in einem Reservoir 16 bei Atmosphärendruck vorgehalten wird. In der Zuführleitung 14 ist eine Verdichtungsanordnung 18 zwischen dem Reservoir 16 und dem Druckspeicher 12 angeordnet, welche im gezeigten Beispiel zwei in Reihe geschaltete Kompressoren 20 umfasst. Die Verdichtungsanordnung 18 dient dazu, das aus dem Reservoir 16 entnommene CO2 vom Atmosphärendruck soweit zu verdichten, dass es überkritisch vorliegt. Die Kompressoren 20 werden über einen nicht dargestellten Motor angetrieben. Zwischen der Verdichtungsanordnung 18 und dem Druckspeicher 12 ist eine erste Absperreinrichtung 22 vorgesehen, mit welcher die Zuführleitung 14 wahlweise gesperrt oder freigegeben werden kann. 1 shows a first embodiment of a device 10 1 for storing energy with the help of supercritical carbon dioxide. The device 10 1 includes a pressure accumulator 12 in the illustrated embodiment as an isolated pressure vessel 13 is executed. Furthermore, the device comprises 10 1 a supply line 14 , with which carbon dioxide the pressure accumulator 12 can be supplied in a reservoir 16 kept at atmospheric pressure. In the supply line 14 is a compacting arrangement 18 between the reservoir 16 and the accumulator 12 arranged, which in the example shown two compressors in series 20 includes. The compacting arrangement 18 serves to get that from the reservoir 16 taken CO 2 from the atmospheric pressure to compress that it is supercritical. The compressors 20 are driven by a motor, not shown. Between the compaction arrangement 18 and the accumulator 12 is a first shut-off device 22 provided, with which the supply line 14 optionally can be locked or released.

Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 10 1 eine Abführleitung 24, über welche das Kohlendioxid aus dem Druckspeicher 12 abgeführt und einer Entspannungsanordnung 26 zugeführt werden kann. Die Entspannungsanordnung 26 umfasst zwei Turbinen 28, die mit einem nicht dargestellten Generator verbunden sind, mit welchem die bei der Entspannung in der Turbine 28 erzeugte kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Zwischen der Entspannungsanordnung 26 und dem Druckspeicher 12 befindet sich eine zweite Absperreinrichtung 30, mit welcher die Abführleitung 24 wahlweise gesperrt oder freigegeben werden kann. Im dargestellten Beispiel sind die Zuführleitung 14 und die Abführleitung 24 zu einer Kreislaufleitung 32 zusammengefasst.In addition, the device includes 10 1 a discharge line 24 , about which the carbon dioxide from the accumulator 12 dissipated and a relaxation arrangement 26 can be supplied. The relaxation arrangement 26 includes two turbines 28 , which are connected to a generator, not shown, with which in the relaxation in the turbine 28 generated kinetic energy is converted into electrical energy. Between the relaxation arrangement 26 and the accumulator 12 there is a second shut-off device 30 with which the discharge line 24 optionally can be locked or released. In the example shown, the supply line 14 and the discharge line 24 to a circulation line 32 summarized.

Im Betrieb der Vorrichtung 10 1 wird das CO2 aus dem Reservoir 16 in die Kreislaufleitung 32 eingeleitet, wozu ein Dreiwegeventil 34 entsprechend geschaltet wird. Das CO2 wird in der Verdichtungsanordnung 18 in etwa auf einen Druck von 85 bar verdichtet, bei dem es eine Temperatur von ca. 400°C aufweist und im überkritischen Zustand vorliegt. Über die geöffnete erste Absperreinrichtung 22 wird das verdichtete und überkritische CO2 in den isolierten Druckbehälter 13 eingeleitet, wobei die zweite Absperreinrichtung 30 geschlossen ist. Dieser Vorgang wird solange fortgesetzt, bis dass der Druckbehälter 13 gefüllt ist. Anschließend wird das Dreiwegeventil 34 so geschaltet, dass die Kreislaufleitung 32 geschlossen ist. Durch Öffnen der zweiten Absperreinrichtung 30 kann nun das CO2 einem Kreisprozess unterzogen werden. Das verdichtete überkritische CO2 wird in der Entspannungsanordnung 26 entspannt, wobei die hierbei entstehende kinetische Energie im nicht dargestellten Generator in elektrische Energie umgewandelt. Das entspannte CO2 wird dann zurück zum Reservoir 16 und zu einem vorgebbaren Zeitpunkt in die Verdichtungsanordnung 18 geleitet, wo es erneut verdichtet wird. In operation of the device 10 1 becomes the CO 2 from the reservoir 16 in the circulation line 32 initiated, including a three-way valve 34 is switched accordingly. The CO 2 is in the compression arrangement 18 compressed in about to a pressure of 85 bar, in which it has a temperature of about 400 ° C and is in the supercritical state. Over the open first shut-off device 22 is the compressed and supercritical CO 2 in the isolated pressure vessel 13 initiated, wherein the second shut-off device 30 closed is. This process is continued until the pressure vessel 13 is filled. Subsequently, the three-way valve 34 switched so that the circulation line 32 closed is. By opening the second shut-off device 30 Now CO 2 can be cycled. The compressed supercritical CO 2 is in the expansion arrangement 26 relaxed, wherein the resulting kinetic energy in the generator, not shown, converted into electrical energy. The relaxed CO 2 is then returned to the reservoir 16 and at a predetermined time in the compression arrangement 18 where it is compressed again.

Turbinen sind üblicherweise so ausgelegt, dass sie in einem bestimmten Druckbereich optimal betrieben werden können. Da der Druck des aus dem Druckbehälter 13 ausströmenden CO2 mit der Zeit sinkt, können mehrere Turbinen vorgesehen sein, um auf den sich ändernden Druck zu reagieren. Im dargestellten Beispiel sind eine Hoch- und eine Niederdruckturbine vorgesehen, die in Reihe geschaltet sind, die aber auch parallel geschaltet werden können.Turbines are usually designed so that they can be operated optimally in a certain pressure range. As the pressure of the pressure vessel 13 As CO 2 effluent decreases over time, multiple turbines may be provided to respond to the changing pressure. In the example shown, a high and a low pressure turbine are provided, which are connected in series are, but which can also be connected in parallel.

Da die Vorrichtung 10 1 nur dann wirtschaftlich betrieben werden kann, wenn der Verdichtungsprozess in Zeiträumen ausgeführt wird, wenn die elektrische Energie kostengünstig zur Verfügung steht, und der Entspannungsprozess dann ausgeführt wird, wenn die elektrische Energie teuer ist, werden die beiden Prozesse zeitlich nie gleichzeitig ausgeführt, auch wenn dies technisch möglich wäre. Folglich kann der Entspannungsvorgang abgebrochen und der Verdichtungsvorgang angestoßen werden, wenn die Nachfrage nach elektrischer Energie sinkt und die elektrische Energie zum Antreiben der Verdichtungsanordnung 18 kostengünstig zur Verfügung steht. Umgekehrt kann der Verdichtungsvorgang eingestellt und der Entspannungsvorgang begonnen werden, wenn die Nachfrage nach elektrischer Energie steigt. Um die beiden Prozesse trotz der Kreislaufführung des Kohlendioxids zeitlich getrennt durchführen zu können, muss das CO2-Reservoir 16 ausreichend groß sein. Alternativ kann auch ein weiterer Speicherbehälter in der Kreislaufleitung 32 vorgesehen sein, der hier nicht dargestellt ist.Because the device 10 1 can only be operated economically if the compression process is carried out in periods, if the electrical energy is available at low cost, and the relaxation process is carried out when the electrical energy is expensive, the two processes will never be carried out simultaneously, even if this would be technically possible. Consequently, the expansion process can be stopped and the compression process can be initiated when the demand for electrical energy decreases and the electrical energy for driving the compression arrangement 18 is available inexpensively. Conversely, if the demand for electrical energy increases, the compression process can be stopped and the expansion process started. In order to be able to carry out the two processes at different times despite the recycling of the carbon dioxide, the CO 2 reservoir must be 16 be big enough. Alternatively, another storage tank in the circulation line 32 be provided, which is not shown here.

Die erste und die zweite Absperreinrichtung 22, 30 verfügen über je eine Verstelleinheit 36, mit welcher die Absperreinrichtungen 22, 30 auf Veranlassung eines nicht dargestellten Steuer- oder Regelungssystems ferngesteuert geöffnet oder geschlossen werden können. Selbiges gilt analog für das Dreiwegeventil 34.The first and the second shut-off device 22 . 30 each have an adjustment unit 36 with which the shut-off devices 22 . 30 can be opened or closed remotely on the initiative of a control or regulation system, not shown. The same applies analogously for the three-way valve 34 ,

In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel 10 2 der Vorrichtung dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird das CO2 nicht im Kreis geführt, sondern aus dem Reservoir 16 entnommen, dem oben beschriebenen Prozess unterzogen und anschließend an die Umgebung abgegeben. Das CO2 kann aber auf eine nicht näher dargestellte Weise aufgefangen und wiederverwendet werden. Im Übrigen gleicht die Vorrichtung 10 2 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel.In 2 is a second embodiment 10 2 of the device shown. In this embodiment, the CO 2 is not circulated, but from the reservoir 16 removed, subjected to the process described above and then released to the environment. The CO 2 can be collected and reused in a manner not shown. Incidentally, the device is the same 10 2 according to the second embodiment of the first embodiment.

In 3 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 3 zum Speichern von Energie mit Hilfe von überkritischem Kohlendioxid anhand einer Prinzipskizze dargestellt. Die Vorrichtung 10 3 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst einen ersten Druckspeicher 40 zum Speichern des überkritischen Kohlendioxids und einen zweiten Druckspeicher 42 zum Speichern von komprimierter Luft. Wie im ersten Ausführungsbeispiel wird das CO2 im Reservoir 16 vorgehalten und über eine erste Zuführleitung 46 zum ersten Druckspeicher 40 geführt, der als ein wärmeisolierter erster Druckbehälter 48 ausgeführt ist. In der ersten Zuführleitung 46 ist eine erste Verdichtungsanordnung 50 vorgesehen, die im dargestellten Beispiel einen Kompressor 52 umfasst. Es können aber auch mehrere Kompressoren 52 vorgesehen sein, die über einen nicht dargestellten Motor angetrieben werden. In der ersten Verdichtungsanordnung 50 wird das CO2 soweit verdichtet, dass es im überkritischen Zustand vorliegt. Der Druck liegt bei etwa 85 bar. Zwischen der ersten Verdichtungsanordnung 50 und dem ersten Druckbehälter 48 ist eine erste Absperreinrichtung 54 angeordnet, mit welcher kann die erste Zuführleitung 46 und damit der Zugang zum ersten Druckspeicher 40 wahlweise geöffnet und gesperrt werden.In 3 is an embodiment of the device according to the invention 10 3 for storing energy by means of supercritical carbon dioxide illustrated by a schematic diagram. The device 10 3 according to the second embodiment comprises a first pressure accumulator 40 for storing the supercritical carbon dioxide and a second pressure accumulator 42 for storing compressed air. As in the first embodiment, the CO 2 is in the reservoir 16 held and via a first supply line 46 to the first accumulator 40 performed as a thermally insulated first pressure vessel 48 is executed. In the first supply line 46 is a first compacting arrangement 50 provided, which in the example shown a compressor 52 includes. But there can also be several compressors 52 be provided, which are driven by a motor, not shown. In the first compression arrangement 50 the CO 2 is compressed to such an extent that it is in the supercritical state. The pressure is about 85 bar. Between the first compaction arrangement 50 and the first pressure vessel 48 is a first shut-off device 54 arranged, with which the first supply line 46 and thus the access to the first accumulator 40 optionally opened and locked.

Weiterhin ist eine zweite Verdichtungsanordnung 56 vorgesehen, mit welcher die aus der Umgebung angesaugte Luft ebenfalls auf etwa 85 bar verdichtet und über eine zweite Zuführleitung 58 dem zweiten Druckspeicher 42, der als isolierter zweiter Druckbehälter 57 ausgeführt ist, zugeführt wird. Zwischen der zweiten Verdichtungsanordnung 56 und dem zweiten Druckspeicher 42 ist eine zweite Absperreinrichtung 59 vorgesehen, mit welcher die zweite Zuführleitung 58 wahlweise geöffnet und geschlossen werden kann. Wie eingangs erwähnt, erwärmt sich die Luft bei einer derartigen Verdichtung sehr stark. Die zweite Zuführleitung 58 wirkt mit einem Wärmetauscher 60 zusammen, der im ersten Druckspeicher 12 angeordnet ist. Die Wärme der Luft, die den Wärmetauscher 60 durchströmt, wird auf das im ersten Druckspeicher 40 befindliche CO2 übertragen, so dass sowohl im ersten als auch im zweiten Druckbehälter 48, 57 eine Temperatur von deutlich unter 600°C vorliegt. Im Abschnitt der zweiten Zuführleitung 58, der zwischen der zweiten Verdichtungsanordnung 56 und dem Wärmetauscher 60 liegt, weist eine sehr hohe Temperatur auf. Dieser Abschnitt kann ganz oder teilweise mit einer Innenisolierung oder einer Kühlung versehen werden, um das Material dieses Abschnitts der zweiten Zuführleitung 58 vor den thermischen Belastungen zu schützen.Furthermore, a second compression arrangement 56 provided, with which the air sucked from the environment also compressed to about 85 bar and a second supply line 58 the second pressure accumulator 42 as an isolated second pressure vessel 57 executed, is supplied. Between the second compression arrangement 56 and the second pressure accumulator 42 is a second shut-off device 59 provided with which the second supply line 58 can optionally be opened and closed. As mentioned above, the air heats up very strongly in such a compression. The second supply line 58 acts with a heat exchanger 60 together, in the first accumulator 12 is arranged. The heat of the air, which is the heat exchanger 60 flows through, is on the first pressure accumulator 40 transferred CO 2 , so that both in the first and in the second pressure vessel 48 . 57 a temperature of well below 600 ° C is present. In the section of the second supply line 58 that is between the second compacting arrangement 56 and the heat exchanger 60 is located, has a very high temperature. This section may be wholly or partially provided with internal insulation or cooling to the material of this section of the second supply line 58 to protect against thermal stress.

Der erste und der zweite Druckspeicher 40, 42 sind mittels einer Verbindungsleitung 62 miteinander verbunden. Die Verbindungsleitung 62 kann mit einer dritten Absperreinrichtung 64 wahlweise geöffnet und geschlossen werden.The first and the second accumulator 40 . 42 are by means of a connecting line 62 connected with each other. The connection line 62 can with a third shut-off device 64 optionally open and closed.

Vom zweiten Druckbehälter 57 führt eine Abführleitung 65 zu einer Entspannungsanordnung 66, mit welcher die Luft bzw. das Kohlendioxid-Luft-Gemisch entspannt und somit über einen nicht gezeigten Generator elektrische Energie bereitgestellt werden kann. Im dargestellten Beispiel umfasst die Entspannungsanordnung 66 eine Turbinen 68, wobei auch mehrere in Reihe oder parallel geschaltete Turbinen 68 vorgesehen sein können. Zwischen dem zweiten Druckbehälter 57 und der Entspannungsanordnung 66 ist eine vierte Absperreinrichtung 70 angeordnet.From the second pressure vessel 57 leads a discharge line 65 to a relaxation arrangement 66 , which relaxes the air or the carbon dioxide-air mixture and thus electrical energy can be provided via a generator, not shown. In the example shown, the relaxation arrangement comprises 66 a turbine 68 , where also several series or parallel connected turbines 68 can be provided. Between the second pressure vessel 57 and the relaxation arrangement 66 is a fourth shut-off device 70 arranged.

Im Betrieb wird zunächst das CO2 aus dem Reservoir 16 der ersten Verdichtungsanordnung 50 zugeführt und dort soweit verdichtet, dass es überkritisch vorliegt (ca. auf 85 bar). Über die geöffnete erste Absperreinrichtung 54 wird das überkritische CO2 in den ersten Druckbehälter 48 eingeleitet, bis dieser gefüllt ist. Sobald der erste Druckbehälter 48 gefüllt ist, wird Luft aus der Umgebung angesaugt und mittels der zweiten Verdichtungsanordnung 56 auf ca. 85 bar verdichtet. Die verdichtete Luft wird über die zweite Zuführleitung 58 in den zweiten Druckbehälter 57 geleitet, wobei die in der zweiten Zuführleitung 58 angeordnete zweite Absperreinrichtung 59 geöffnet ist. Da die Luft beim Zuführen in den zweiten Druckbehälter 57 den Wärmetauscher 60, der sich im ersten Druckbehälter 48 befindet, passieren muss, wird dort Wärme von der Luft auf das CO2 übertragen. Um zu verhindern, dass das CO2 über die Verbindungsleitung 62 vom ersten Druckbehälter 48 in den zweiten Druckbehälter 57 strömt, ist die in der Verbindungsleitung 62 angeordnete dritte Absperreinrichtung 64 solange geschlossen, bis dass der zweite Druckbehälter 57 vollständig gefüllt ist. Die vierte Absperreinrichtung 70 ist dabei geschlossen. In operation, first the CO 2 from the reservoir 16 the first compaction arrangement 50 fed and compressed there so far that it is supercritical (about 85 bar). Over the open first shut-off device 54 is the supercritical CO 2 in the first pressure vessel 48 initiated until it is filled. As soon as the first pressure vessel 48 is filled, air is sucked from the environment and by means of the second compression arrangement 56 compressed to about 85 bar. The compressed air is via the second supply line 58 in the second pressure vessel 57 passed, wherein in the second supply line 58 arranged second shut-off device 59 is open. Because the air when feeding into the second pressure vessel 57 the heat exchanger 60 that is in the first pressure vessel 48 heat is transferred from the air to the CO 2 . To prevent the CO 2 over the connecting line 62 from the first pressure vessel 48 in the second pressure vessel 57 is flowing, that is in the connecting line 62 arranged third shut-off device 64 closed as long as that the second pressure vessel 57 completely filled. The fourth shut-off device 70 is closed.

Sind beide Druckbehälter 48, 57 vollständig gefüllt, werden die erste und die zweite Absperreinrichtung 54, 59 geschlossen und die dritte und vierte Absperreinrichtung 64, 70 geöffnet. Die komprimierte Luft strömt aus dem zweiten Druckbehälter 57 und wird in der Entspannungsanordnung 66 entspannt, so dass dort mittels eines nicht dargestellten Generators elektrische Energie bereitgestellt wird. Mit ausströmender Luft sinkt der Druck im zweiten Druckbehälter 57, so dass das überkritische CO2 aus dem ersten Druckbehälter 48 in den zweiten Druckbehälter 57 über die Verbindungsleitung 62 nachströmt. Im zweiten Druckspeicher 57 liegt ein Kohlendioxid-Luft-Gemisch vor, bei dem CO2 seinen entsprechenden Partialdruck aufweist und nicht überkritisch vorliegt. Das Kohlendioxid-Luft-Gemisch wird in der Entspannungsanordnung 66 entspannt und anschließend an die Umgebung abgegeben. Die Turbine 68 braucht nicht auf überkritische Fluidzustände ausgelegt zu werden. Das Kohlendioxid-Luft-Gemisch kann aber auch aufgefangen und wieder in Kohlendioxid und Luft fraktioniert werden.Are both pressure vessels 48 . 57 completely filled, become the first and the second shut-off device 54 . 59 closed and the third and fourth shut-off device 64 . 70 open. The compressed air flows out of the second pressure vessel 57 and will be in the relaxation arrangement 66 relaxed, so that there is provided by means of a generator, not shown electrical energy. As the air escapes, the pressure in the second pressure vessel drops 57 so that the supercritical CO 2 from the first pressure vessel 48 in the second pressure vessel 57 over the connecting line 62 nachströmt. In the second pressure accumulator 57 is a carbon dioxide-air mixture in which CO 2 has its corresponding partial pressure and is not supercritical. The carbon dioxide-air mixture is in the relaxation arrangement 66 relaxed and then released to the environment. The turbine 68 does not need to be designed for supercritical fluid conditions. The carbon dioxide-air mixture can also be collected and fractionated again into carbon dioxide and air.

Wie bereits bezüglich der Vorrichtung 10 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt, sind die Absperreinrichtungen 54, 59, 64, 70 mit jeweils einer Verstelleinheit 36 versehen, so dass die Absperreinrichtungen 54, 59, 64, 70 in ein nicht dargestellten Steuer- oder Regelungskreis eingebunden und von einem ebenfalls nicht näher dargestellten Steuer- oder Regelungssystem geöffnet oder geschlossen werden können, welches mit einem erfindungsgemäßen Computerprogramm betrieben wird. Dieses Steuer- oder Regelungssystem kann auf Schwankungen im Stromnetz reagieren und zielgerichtet bei einer Überversorgung Luft und/oder Kohlendioxid komprimieren und bei einer Unterversorgung die komprimierte Luft und/oder das Kohlendioxid-Luft-Gemisch entspannen. Somit kann auf die schwankende Verfügbarkeit der regenerativen Energiequellen schnell reagiert und ein Beitrag zur Versorgungssicherheit mit elektrischer Energie und zur Stabilität der Stromnetze geleistet werden.As already with respect to the device 10 1 executed according to the first embodiment, the shut-off devices 54 . 59 . 64 . 70 each with an adjustment 36 provided so that the shut-off devices 54 . 59 . 64 . 70 can be integrated into a control or regulating circuit, not shown, and opened or closed by a control or regulation system, also not shown, which is operated with a computer program according to the invention. This control system can respond to fluctuations in the power grid and compressed in an over supply of air and / or carbon dioxide targeted and relax in a deficiency the compressed air and / or the carbon dioxide-air mixture. Thus, it is possible to react quickly to the fluctuating availability of the regenerative energy sources and to contribute to the security of supply with electrical energy and to the stability of the power grids.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10, 101, 102, 103 10, 10 1 , 10 2 , 10 3
Vorrichtung contraption
1212
Druckspeicher accumulator
1313
Druckbehälter pressure vessel
1414
Zuführleitung feed
1616
Reservoir reservoir
1818
Verdichtungsanordnung A compression device
2020
Kompressor compressor
2222
erste Absperreinrichtung first shut-off device
2424
Abführleitung discharge
2626
Entspannungsanordnung relaxation arrangement
2828
Turbine turbine
3030
zweite Absperreinrichtung second shut-off device
3232
Kreislaufleitung Circuit line
3434
Dreiwegeventil Three-way valve
3636
Verstelleinheit adjustment
4040
erster Druckspeicher first accumulator
4242
zweiter Druckspeicher second pressure accumulator
4646
erste Zuführleitung first supply line
4848
erster Druckbehälter first pressure vessel
5050
erste Verdichtungsanordnung first compacting arrangement
5252
Kompressor compressor
5454
erste Absperreinrichtung first shut-off device
5656
zweite Verdichtungsanordnung second compression arrangement
5757
zweiter Druckbehälter second pressure vessel
5858
zweite Zuführleitung second supply line
5959
zweite Absperreinrichtung second shut-off device
6060
Wärmetauscher heat exchangers
6262
Verbindungsleitung connecting line
6464
dritte Absperreinrichtung third shut-off device
6565
Abführleitung discharge
6666
Entspannungsanordnung relaxation arrangement
6868
Turbine turbine
7070
vierte Absperreinrichtung fourth shut-off device

Claims (9)

Vorrichtung zum Speichern von Energie mit Hilfe von überkritischem Kohlendioxid, umfassend – einen ersten Druckspeicher (40) zum Speichern des Kohlendioxids im überkritischen Zustand, – eine erste Zuführleitung (46) zum Zuführen des Kohlendioxids zum ersten Druckspeicher (12), – eine mit der ersten Zuführleitung (46) zusammenwirkende erste Verdichtungsanordnung (50) zum Verdichten des Kohlendioxids auf den überkritischen Zustand, – einen zweiten Druckspeicher (42) zum Speichern von Luft, – eine zweite Zuführleitung (58) zum Zuführen der Luft zum zweiten Druckspeicher (43), welche den ersten Druckspeicher (40) durchläuft, – eine mit der zweiten Zuführleitung (58) zusammenwirkende zweite Verdichtungsanordnung (56) zum Verdichten der Luft, – einen mit der zweiten Zuführleitung (58) zusammenwirkenden Wärmetauscher (60), der im ersten Druckspeicher (40) angeordnet und von der verdichteten Luft durchströmbar ist, zum Übertragen von Wärme von der verdichteten Luft auf das Kohlendioxid, – eine Verbindungsleitung (62) zwischen dem ersten und dem zweiten Druckspeicher (40, 42) zum Zuführen von Kohlendioxid vom ersten Druckspeicher (40) in den zweiten Druckspeicher (42), – eine Abführleitung (65) zum Abführen des Kohlendioxid-Luft-Gemisches aus dem zweiten Druckspeicher (42), und – eine mit der Abführleitung (65) zusammenwirkende Entspannungsanordnung (66) zum Entspannen des Kohlendioxid-Luft-Gemisches.Device for storing energy with the aid of supercritical carbon dioxide, comprising - a first accumulator ( 40 ) for storing the carbon dioxide in the supercritical state, - a first supply line ( 46 ) for supplying the carbon dioxide to the first pressure accumulator ( 12 ), - one with the first supply line ( 46 ) cooperating first compaction arrangement ( 50 ) for compressing the carbon dioxide to the supercritical state, - a second pressure accumulator ( 42 ) for storing air, - a second supply line ( 58 ) for supplying the air to the second accumulator ( 43 ), which the first pressure accumulator ( 40 ), - one with the second supply line ( 58 ) cooperating second compression arrangement ( 56 ) for compressing the air, - one with the second supply line ( 58 ) cooperating heat exchanger ( 60 ), in the first pressure accumulator ( 40 ) and can be flowed through by the compressed air, for transferring heat from the compressed air to the carbon dioxide, - a connecting line ( 62 ) between the first and the second pressure accumulator ( 40 . 42 ) for supplying carbon dioxide from the first pressure accumulator ( 40 ) in the second pressure accumulator ( 42 ), - a discharge line ( 65 ) for discharging the carbon dioxide-air mixture from the second pressure accumulator ( 42 ), and - one with the discharge line ( 65 ) cooperating relaxation arrangement ( 66 ) to relax the carbon dioxide-air mixture. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckspeicher (40) als ein wärmeisolierter erster Druckbehälter (48) ausgeführt ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the first pressure accumulator ( 40 ) as a thermally insulated first pressure vessel ( 48 ) is executed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Druckspeicher (42) als ein wärmeisolierter zweiter Druckbehälter (57) ausgeführt ist.Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the second pressure accumulator ( 42 ) as a thermally insulated second pressure vessel ( 57 ) is executed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Zuführleitung (46) eine erste Absperreinrichtung (54) vorgesehen ist, mit welcher die Zufuhr von Kohlendioxid in den ersten Druckspeicher (40) wahlweise unterbrochen oder freigegeben werden kann.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the first supply line ( 46 ) a first shut-off device ( 54 ) is provided, with which the supply of carbon dioxide in the first pressure accumulator ( 40 ) can optionally be interrupted or released. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Zuführleitung (58) eine zweite Absperreinrichtung (59) vorgesehen ist, mit welcher die Zufuhr der Luft in den zweiten Druckspeicher (42) wahlweise unterbrochen oder freigegeben werden kann.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the second supply line ( 58 ) a second shut-off device ( 59 ) is provided, with which the supply of air into the second pressure accumulator ( 42 ) can optionally be interrupted or released. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (62) eine dritte Absperreinrichtung (64) vorgesehen ist, mit welcher die Zufuhr von Kohlendioxid vom ersten Druckspeicher (40) in den zweiten Druckspeicher (42) wahlweise unterbrochen oder freigegeben werden kann.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the connecting line ( 62 ) a third shut-off device ( 64 ) is provided, with which the supply of carbon dioxide from the first pressure accumulator ( 40 ) in the second pressure accumulator ( 42 ) can optionally be interrupted or released. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abführleitung (65) eine vierte Absperreinrichtung (70) vorgesehen ist, mit welcher die Abfuhr des Kohlendioxid-Luft-Gemisches aus dem zweiten Druckspeicher (42) wahlweise unterbrochen oder freigegeben werden kann. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the discharge line ( 65 ) a fourth shut-off device ( 70 ) is provided, with which the removal of the carbon dioxide-air mixture from the second pressure accumulator ( 42 ) can optionally be interrupted or released. Verfahren zum Speichern von Energie mit Hilfe von überkritischem Kohlendioxid mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend folgende Schritte: – Verdichten des Kohlendioxids auf den überkritischen Zustand mittels einer ersten Verdichtungsanordnung (50) und Zuführen des verdichteten Kohlendioxids in den ersten Druckspeicher (40) mittels der ersten Zuführleitung (46), – Verdichten der Luft mittels einer zweiten Verdichtungsanordnung (56) und Zuführen der verdichteten Luft in den zweiten Druckspeicher (42) mittels der zweiten Zuführleitung (58), – Übertragen von Wärme von der verdichteten Luft auf das Kohlendioxid mittels des Wärmetauschers im ersten Druckspeicher (40), – Zuführen von Kohlendioxid vom ersten Druckspeicher (40) in den zweiten Druckspeicher (42), – Abführen des Kohlendioxid-Luft-Gemisches aus dem zweiten Druckspeicher (42) mittels der Abführleitung (65), und – Entspannen des Kohlendioxid-Luft-Gemisches mittels der Entspannungsanordnung (66).A method of storing supercritical carbon dioxide energy with an apparatus according to any one of claims 1 to 7, comprising the steps of: - compressing the carbon dioxide to the supercritical state by means of a first compacting arrangement ( 50 ) and feeding the compressed carbon dioxide into the first pressure accumulator ( 40 ) by means of the first supply line ( 46 ), - compressing the air by means of a second compression arrangement ( 56 ) and feeding the compressed air into the second pressure accumulator ( 42 ) by means of the second supply line ( 58 ), - transfer of heat from the compressed air to the carbon dioxide by means of the heat exchanger in the first pressure accumulator ( 40 ), - supplying carbon dioxide from the first accumulator ( 40 ) in the second pressure accumulator ( 42 ), - discharging the carbon dioxide-air mixture from the second pressure accumulator ( 42 ) by means of the discharge line ( 65 ), and - Relaxing of the carbon dioxide-air mixture by means of the expansion arrangement ( 66 ). Computerprogramm zum Ausführen eines Verfahrens zum Speichern von Energie mit Hilfe von überkritischem Kohlendioxid mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit Programmmitteln zum Veranlassen eines Computers, die folgenden Schritte auszuführen, wenn das Computerprogramm auf dem Computer ausgeführt wird: – Verdichten des Kohlendioxids auf den überkritischen Zustand mittels einer ersten Verdichtungsanordnung (50) und Zuführen des verdichteten Kohlendioxids in den ersten Druckspeicher (40) mittels der ersten Zuführleitung (46), – Verdichten der Luft mittels einer zweiten Verdichtungsanordnung (56) und Zuführen der verdichteten Luft in den zweiten Druckspeicher (42) mittels der zweiten Zuführleitung (58), – Übertragen von Wärme von der verdichteten Luft auf das Kohlendioxid mittels des Wärmetauschers im ersten Druckspeicher (40), – Zuführen von Kohlendioxid vom ersten Druckspeicher (40) in den zweiten Druckspeicher (42), – Abführen des Kohlendioxid-Luft-Gemisches aus dem zweiten Druckspeicher (42) mittels der Abführleitung (65), und – Entspannen des Kohlendioxid-Luft-Gemisches mittels der Entspannungsanordnung (66).A computer program for carrying out a method of storing supercritical carbon dioxide energy with an apparatus according to any one of claims 1 to 7, comprising program means for causing a computer to perform the following steps when the computer program is executed on the computer: - compressing the carbon dioxide the supercritical state by means of a first compaction arrangement ( 50 ) and feeding the compressed carbon dioxide into the first pressure accumulator ( 40 ) by means of the first supply line ( 46 ), - compressing the air by means of a second compression arrangement ( 56 ) and feeding the compressed air into the second pressure accumulator ( 42 ) by means of the second supply line ( 58 ), - transfer of heat from the compressed air to the carbon dioxide by means of the heat exchanger in the first pressure accumulator ( 40 ), - supplying carbon dioxide from the first accumulator ( 40 ) in the second pressure accumulator ( 42 ), - discharging the carbon dioxide-air mixture from the second pressure accumulator ( 42 ) by means of the discharge line ( 65 ), and - relaxing the carbon dioxide-air mixture by means of the expansion arrangement ( 66 ).
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