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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmespeicher und ein Verfahren zur Speicherung thermischer Energie.
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Wärmespeicher dienen der Speicherung thermischer Energie. Durch die zunehmende Nutzung regenerativer Energiequellen, beispielsweise in solarthermischen Kraftwerken, gewinnen solche Wärmespeicher zunehmend an Bedeutung. So spielen beispielsweise Wärmespeicher eine bedeutende Rolle bei der Steigerung der Versorgungssicherheit von Energieversorgungsnetzwerken und bei der Verbesserung der Energieeffizienz eines Kraftwerks. Bei den hierbei eingesetzten Wärmespeichern handelt es sich vorzugsweise um ein thermisch isoliertes Behältnis, das mit einem wärmespeichernden Material gefüllt ist. Dieses wärmespeichernde Material kann aufgeheizt werden und hält daraufhin über einen längeren Zeitraum seine Temperatur. Beispielsweise kann es sich bei dem wärmespeichernden Material um bestimmte Arten von Steinen, Ziegeln oder um ein keramisches Material handeln. Während des Aufheizens des Wärmespeichers wird das wärmespeichernde Material von einem Fluid durch- oder umströmt, wobei das Fluid eine höhere Temperatur als das wärmespeichernde Material hat. Auf diese Weise wird das wärmespeichernde Material aufgeheizt. Während eines nachfolgenden Entladevorgangs des Wärmespeichers kann das aufgeheizte wärmespeichernde Material von dem gleichen oder einem anderen Fluid erneut durch- bzw. umströmt werden, wobei das Fluid in diesem Fall eine Temperatur hat, die niedriger ist als die Temperatur des wärmespeichernden Materials. Dabei heizt sich das Fluid auf und entnimmt somit dem Wärmespeicher thermische Energie.
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Enthält das Fluid, beispielsweise ein Gas, dabei Feuchtigkeit in Form von Wasser, so kann sich beim Aufheizen des Wärmespeichers diese Feuchtigkeit an dem wärmespeichernden Material niederschlagen und kondensieren. Diese kondensierte Feuchtigkeit kann in das wärmespeichernde Material eindringen. Beim weiteren Aufheizen des Wärmespeichers wird diese Feuchtigkeit daraufhin verdampfen, wenn die Temperatur des wärmespeichernden Materials weiter ansteigt. Diese Absorption der Feuchtigkeit und das anschließende erneute Verdampfen führt zu einer starken mechanischen Beanspruchung des wärmespeichernden Materials. Dies kann zu einer irreversiblen Beschädigung der Oberfläche oder der gesamten Substanz des wärmespeichernden Materials führen. Dabei kann beispielsweise das wärmespeichernde Material derart beschädigt werden, dass es bricht und in zahlreiche kleinere Teile zerfällt. Hierdurch sinkt gegebenenfalls die Wärmespeicherfähigkeit des Materials und es besteht die Gefahr, dass das Fluid nach der Zerstörung des wärmespeichernden Materials nicht mehr in ausreichendem Maße durch das wärmespeichernde Material hindurchströmen kann. In einem solchen Fall muss das wärmespeichernde Material in dem Wärmespeicher ersetzt werden.
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Zur Vermeidung dieser negativen Einflüsse durch kondensierende Feuchtigkeit an dem wärmespeichernden Material ist es beispielsweise möglich, nur ein hochreines Fluid zu verwenden, das keine Feuchtigkeit enthält. Alternativ ist es darüber hinaus auch möglich, das Fluid vor dem Eintritt in den Wärmespeicher zu trocknen. Beispielsweise kann es hierzu an einer relativ kalten Oberfläche vorbeigeführt werden, wobei sich in diesem Fall die Feuchtigkeit an dieser kalten Oberfläche bereits vor Eintritt in den Wärmespeicher niederschlagen wird. Dies führt jedoch zu einer Abkühlung des Fluids und somit sinkt die Wirtschaftlichkeit des Wärmespeichers.
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Es besteht daher ein Bedarf nach einem Wärmespeicher und einem Verfahren zur Speicherung thermischer Energie, das mit einem Feuchtigkeit enthaltenden Fluid betrieben werden kann.
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Hierzu schafft die vorliegende Erfindung einen Wärmespeicher, der von einem Fluid durchströmbar ist, mit einem Speichermedium, das dazu ausgelegt ist, Wärmeenergie aus dem Fluid aufzunehmen und/oder Wärmeenergie an das Fluid abzugeben; und einem Absorbermedium, das dazu ausgelegt ist, in dem Fluid enthaltene Feuchtigkeit aufzunehmen, wenn die Temperatur des Fluids eine Grenztemperatur unterschreitet.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Speicherung thermischer Energie mit den Schritten des Bereitstellens eines Wärmespeichers mit einem Speichermedium und einem Absorbermedium; des Durchströmens des Wärmespeichers mit einem Fluid; und des Trocknens des Fluids wenn die Temperatur des Fluids eine Grenztemperatur unterschreitet, wobei das Absorbermedium mindestens einen Teil der in dem Fluid enthaltenen Feuchtigkeit aufnimmt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Feuchtigkeit in einem Fluid, beispielsweise in einem Gas, beim Auftreffen des Fluids auf eine relativ kalte Oberfläche niederschlägt. Die Feuchtigkeit in dem Fluid geht dabei von einer gasförmigen Phase in eine flüssige Phase über. Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die Feuchtigkeit in dieser flüssigen Phase durch geeignete Materialien besonders effizient absorbiert und festgehalten werden können.
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Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Idee zugrunde, in einem Wärmespeicher ein Absorbermaterial vorzusehen, an dem die Feuchtigkeit des durchströmenden Fluids kondensieren kann und daraufhin diese kondensierte Feuchtigkeit durch das Absorbermaterial zunächst aufgenommen werden kann. Hierdurch wird dem Fluid die Feuchtigkeit entzogen. Daraufhin kann das verbleibende Fluid ohne Feuchtigkeit seine thermische Energie an das Speichermedium in Form von wärmespeicherndem Material abgeben, ohne dass hierbei weiterhin Feuchtigkeit in das Speichermedium eindringt. Die Feuchtigkeit bleibt in diesem Falle zunächst solange in dem Absorbermedium gebunden, bis die Temperatur des Wärmespeichers so weit angestiegen ist, dass keine weitere Kondensation von Feuchtigkeit an dem Speichermedium zu befürchten ist.
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Auf diese Weise kann erreicht werden, dass an dem Speichermedium keine Feuchtigkeit kondensiert und auch keine Feuchtigkeit in das Speichermedium eindringt. Somit kann das Speichermedium während des gesamten Betriebs des Wärmespeichers vor übermäßiger Beanspruchung aufgrund von Feuchtigkeit geschützt werden. Die Gefahr von Beschädigungen des Speichermediums aufgrund von kondensierender und/oder eindringender Feuchtigkeit kann somit weitestgehend ausgeschlossen werden.
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Dabei wird das Fluid, das den Wärmespeicher durchströmt, solange durch das Absorbermedium getrocknet, also von Feuchtigkeit befreit, solange die Temperatur des Absorbermediums unterhalb einer Grenztemperatur liegt. Diese Grenztemperatur entspricht in der Regel der Taupunkttemperatur des Fluids. Die Taupunkttemperatur ist dabei abhängig von der relativen Feuchtigkeit des Fluids. Bei einem weiteren Anstieg der Temperatur besteht darüber hinaus keine Gefahr, dass die Feuchtigkeit des Fluids kondensiert und sich die Feuchtigkeit an dem Speichermedium niederschlägt. Daher ist das Speichermedium des Wärmespeichers während des gesamten Aufheizvorgangs vor Beschädigungen aufgrund von eindringender Feuchtigkeit geschützt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Absorbermedium ferner dazu ausgelegt, die durch das Absorbermedium aufgenommene Feuchtigkeit an das Fluid abzugeben. Vorzugsweise gibt das Absorbermedium die aufgenommene Feuchtigkeit dann an das Fluid ab, wenn die Temperatur des Absorbermediums eine weitere Grenztemperatur überschreitet.
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Die weitere Grenztemperatur kann beispielsweise durch die Materialeigenschaften des Absorbermediums festgelegt sein. Insbesondere ist die weitere Grenztemperatur dabei höher als die Grenztemperatur bis zu der das Absorbermedium die in dem Fluid enthaltene Feuchtigkeit aufnimmt. Durch das Abgeben der Feuchtigkeit bei Temperatur des Absorbermediums oberhalb der weiteren Grenztemperatur kann die in dem Absorbermedium gespeicherte Feuchtigkeit wieder entfernt werden. Hierdurch wird das Absorbermedium regeneriert, das heißt es steht anschließend für die Aufnahme weiterer Feuchtigkeit wieder zur Verfügung. Auf diese Weise kann das Absorbermedium für weitere Trockenvorgänge wieder zur Verfügung genutzt werden, ohne dass das Absorbermedium während des Betriebs ausgetauscht werden müsste.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die weitere Grenztemperatur, ab der das Absorbermedium die Feuchtigkeit an das Fluid abgibt höher, als die Grenztemperatur, bis zu der das Absorbermedium die in dem Fluid enthaltene Feuchtigkeit aufnimmt.
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Durch die geeignete Wahl eines Absorbermediums mit entsprechenden Grenztemperaturen kann sichergestellt werden, dass die Regeneration des Absorbermediums, während die Feuchtigkeit aus dem Absorbermedium wieder entfernt wird, in einem Arbeitsbereich liegt, bei dem keine weitere Kondensation der Feuchtigkeit an dem Speichermedium zu befürchten ist.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Absorbermedium Aluminiumsilikat. Vorzugsweise umfasst das Absorbermedium ein Zeolith.
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Aluminiumsilikate, insbesondere Zeolithe (kristalline Aluminiumsilikate) eignen sich sehr gut zur Aufnahme von Feuchtigkeit. Sie sind in der Lage, Feuchtigkeitsmoleküle einzulagern und zu binden. Die so gebundene Feuchtigkeit wird dabei bis zu einer vorbestimmten Temperatur zuverlässig gebunden. Steigt die Temperatur eines solchen Absorbermaterials weiter an, so werden die gebundenen Feuchtigkeitsmoleküle abgegeben, ohne dass sich dabei die Struktur des Zeoliths ändert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Speichermedium Steine, Ziegel und/oder Keramik.
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Steine, Ziegel und Keramik eignen sich besonders gut als Speichermedium für einen Wärmespeicher zur temporären Speicherung thermischer Energie.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Absorbermedium in Strömungsrichtung des Fluids vor dem Speichermedium angeordnet.
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Durch eine derartige Anordnung von Absorbermedium und Speichermedium kann gewährleistet werden, dass die mögliche Feuchtigkeit des Fluids zunächst an dem Absorbermedium kondensiert und somit nicht bis zu dem Speichermedium vordringen kann. Somit wird das Speichermedium nur von einem Fluid um- bzw. durchströmt, dass keine oder nur sehr geringe Feuchtigkeit enthält.
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Gemäß einer Ausführungsform sind das Speichermedium und das Absorbermedium mit einem gemeinsamen Speichermodul angeordnet.
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Auf diese Weise kann eine besonders kompakte und effiziente Anordnung von Speichermedium und Absorbermedium erreicht werden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist das Speichermedium in einem Speichenmodul angeordnet. Das Absorbermedium ist darüber hinaus in einem separaten Absorbermodul angeordnet.
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Auf diese Weise ist eine Entfernung der Feuchtigkeit aus dem Fluid möglich, bevor das Fluid in das Speichermodul mit dem Speichermedium strömt. Eine derartige getrennte Anordnung von Speichermedium und Absorbermedium ermöglicht darüber hinaus eine besonders flexible Verschaltung der einzelnen Komponenten des Wärmespeichers.
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Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Betriebstemperatur des Wärmespeichers mindestens 200°C. Vorzugsweise überschreitet die Betriebstemperatur des Wärmespeichers 280°C.
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Derartige Wärmespeicher sind auch als Hochtemperatur-Wärmespeicher bekannt. Bei Wärmespeichern mit einer derart hohen Betriebstemperatur besteht während des Betriebs mit dieser Temperatur keine Gefahr, dass sich Feuchtigkeit des Fluids an dem Speichermedium niederschlägt. Darüber hinaus kann durch das erfindungsgemäße Absorbermedium auch während des Aufheizens des Wärmespeichers unterhalb der Betriebstemperatur eine Kondensation der Feuchtigkeit und eine damit verbundene Beschädigung des Speichermediums ausgeschlossen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Fluid ein Gas. Vorzugsweise umfasst das Fluid Umgebungsluft.
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Gasförmige Fluids, insbesondere Umgebungsluft eignen sich besonders gut zum durch- bzw. umströmen des Speichermediums während des Aufheizens des Wärmespeichers bzw. während der Entnahme von Wärme aus dem Wärmespeicher. Darüber hinaus steht insbesondere Umgebungsluft in großem Maß als kostengünstiges Fluid zur Verfügung.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Speicherung thermischer Energie ferner einen Schritt zum Regenerieren des Absorbermediums. Dabei wird die durch das Absorbermedium aufgenommene Feuchtigkeit an das Fluid abgegeben, wenn die Temperatur des Fluids eine weitere Grenztemperatur überschreitet.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner einen Schritt zum Erwärmen des Speichermediums durch das Fluid, wobei das Fluid vor dem Erwärmen des Speichermediums getrocknet wird.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner einen Schritt zum Erwärmen des Fluids durch die in dem Speichermedium gespeicherte Wärmeenergie, wobei der Schritt zum Regenerieren des Absorbermediums das Absorbermedium durch das erwärmte Fluid regeneriert.
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1: eine schematische Zeichnung eines Wärmespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2: eine schematische Darstellung eines Wärmespeichers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
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3: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für ein Verfahren zur Speicherung thermischer Energie, wie es einem weiteren Ausführungsbeispiel zugrunde liegt.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Wärmespeichers 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Wärmespeicher 1 umfasst ein Speichermodul 10 mit einem Einlass 13 und einem Auslass 14. Innerhalb des Speichermoduls 10 ist ein Speichermedium 11 angeordnet. Bei dem Speichermedium 11 kann es sich um ein Material handeln, das eine besonders hohe Wärmekapazität aufweist. Ein derartiges Speichermedium kann durch Erwärmen eine besonders große Menge an thermischer Energie speichern. Beispielsweise kann es sich bei dem Speichermedium um künstliche oder natürliche Steine handeln. Weiterhin sind auch Ziegelsteine oder Speichermedien aus Keramik möglich. Alternative Speichermedien 11, die dazu geeignet sind, Wärmeenergie aufzunehmen und zu speichern, sind darüber hinaus ebenso möglich.
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Das Speichermodul 10 kann darüber hinaus an der Außenseite eine thermische Isolation (nicht dargestellt) umfassen. Hierdurch könnten thermische Verluste durch Abgabe von Wärmeenergie an die Umgebung reduziert werden. Dies verbessert zusätzlich den Wirkungsgrad des Wärmespeichers 1.
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Zum Einbringen thermischer Energie in den Wärmespeicher 1 wird der Wärmespeicher 1 von einem aufgeheizten Fluid durchströmt. Hierbei strömt das Fluid durch den Einlass 13 in das Speichermodul 10. Innerhalb des Speichermoduls 10 durchströmt das Fluid das Speichermedium 11. Dabei hat das Speichermedium 11 zunächst eine Temperatur, die kleiner ist als die Temperatur des Fluids. Solange die Temperatur des Speichermediums 11 geringer ist als die Temperatur des Fluids, wird das Speichermedium 11 durch das Fluid erwärmt. Dabei kühlt sich das Fluid ab. Anschließend tritt das abgekühlte Fluid am Auslass 14 des Speichermoduls 10 wieder aus. Auf diese Weise kann solange ein Aufheizen des Speichermediums 11 erfolgen, solange die Temperatur des einströmenden Fluids höher ist als die Temperatur des Speichermediums 11 innerhalb des Speichermoduls 10.
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Das Speichermedium 11 weist dabei eine Struktur auf, die es dem Fluid ermöglicht, durch das Speichermedium 11 hindurch bzw. an dem Speichermedium 11 vorbei zu strömen. Beispielsweise kann das Speichermedium 11 dabei Strömungskanäle aufweisen, durch die das Fluid hindurchströmen kann. Ebenso ist es auch möglich, dass das Speichermedium 11 eine angepasste, beispielsweise raue Oberfläche aufweist, an der das Fluid vorbeiströmen kann und dabei an der vorzugsweise großen Oberfläche des Speichermediums 11 thermische Energie von dem Fluid in das Speichermedium 11 übergeht. Darüber hinaus sind auch weitere Strukturierungen des Speichermediums 11 möglich, die es dem Fluid ermöglichen, an dem Speichermedium 11 vorbei bzw. durch das Speichermedium 11 hindurch zu strömen und dabei das Speichermedium 11 zu erwärmen.
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Nachdem das Speichermedium 11 in dem Speichermodul 10 des Wärmespeichers 1 erwärmt worden ist, kann daraufhin die so von dem Fluid in das Speichermedium 11 übergegangene Wärmeenergie für einen Zeitraum gespeichert werden. Beispielsweise kann es sich bei diesem Zeitraum um einen Zeitraum von Minuten oder Stunden handeln. Darüber hinaus ist auch eine Speicherung von Wärmeenergie für einen oder mehrere Tage möglich.
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Insbesondere ist so zum Beispiel das Einbringen von solarthermisch gewonnener Wärmeenergie in den Wärmespeicher möglich. Hierbei kann am Tage, während die Sonne scheint, durch die Sonneneinstrahlung thermische Energie gewonnen werden, die durch die zuvor beschriebene Weise in den Wärmespeicher 1 eingebracht werden kann. Anschließend kann in der Nacht oder während starker Bewölkung, also zu Zeiten wenn keine ausreichende Sonneneinstrahlung zur Verfügung steht, die in dem Wärmespeicher 1 gespeicherte thermische Energie wieder aus dem Wärmespeicher 1 entnommen werden.
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Zur Entnahme der in dem Wärmespeicher 1 gespeicherten thermischen Energie strömt dabei das Fluid in das Speichermodul 10. Dabei durchströmt das Fluid das Speichermedium 11. Solange die Temperatur des Fluids dabei geringer ist als die Temperatur des Speichermediums 11 in dem Speichermodul 10, kann das Fluid durch das Speichermedium 11 erwärmt werden. Dabei kühlt sich das Speichermedium 11 in dem Speichermodul 10 ab. Dieser Vorgang kann dabei solange erfolgen, solange die Temperatur des eintretenden Fluids geringer ist, als die Temperatur des Speichermediums 11 in dem Speichermodul 10.
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Während bei konventionellen Wärmespeichern das Speichermodul 10 nahezu vollständig mit dem Speichermedium 11 ausgefüllt ist, ist in dem erfindungsgemäßen Wärmespeicher 1 gemäß 1 ein Teil des Speichermediums 11 durch ein hygroskopisches Absorbermedium 12 ersetzt. Bei diesem Absorbermedium kann es sich beispielsweise um ein Absorbermedium aus Aluminiumsilikat handeln. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Aluminiumsilikat in kristalliner Form, beispielsweise ein Zeolith. Dabei kann es sich entweder um ein künstlich synthetisiertes Zeolith oder aber auch um ein natürlich vorkommendes Zeolith handeln.
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Bei dem Absorbermedium 12 handelt es sich dabei um ein Absorbermedium aus einem Material, das hygroskopische Eigenschaften aufweist. Ein solches Absorbermedium 12 ist in der Lage, Feuchtigkeit, insbesondere Wasser, aufzunehmen und zu binden. Die so durch das Absorbermedium 12 gebundene Feuchtigkeit wird dabei durch das Absorbermedium 12 zunächst in der Struktur des Absorbermediums festgehalten. Überschreitet die Temperatur des Absorbermediums 12 eine weitere Temperaturschwelle, so kann das Absorbermedium 12 oberhalb dieser weiteren Temperaturschwelle die gebundene Feuchtigkeit wieder an die Umgebung abgeben. Auf diese Weise ist ein reversibles Einbinden bzw. Abgeben von Flüssigkeitsmolekülen durch das Absorbermedium 12 möglich.
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Während des Erwärmens des Wärmespeichers 1 und insbesondere des in dem Speichermodul 10 vorhandenen Speichermediums 11 strömt dabei das Fluid zunächst in den Innenraum des Speichermoduls 10 und durchströmt dabei sowohl Speichermedium 11 als auch Absorbermedium 12. Bei einem abgekühlten Wärmespeicher 1 kann dabei das Speichermedium 11 und das Absorbermedium 12 zunächst eine relativ niedrige Temperatur aufweisen. Bei derart niedrigen Temperaturen wird die Feuchtigkeit des Fluids, beispielsweise das in dem Fluid enthaltene Wasser an dem Absorbermedium 12 und gegebenenfalls auch an dem Speichermedium 11 kondensieren. Eine solche Kondensation von Feuchtigkeit kann auftreten, wenn die Temperatur des Speichermediums 11 bzw. des Absorbermediums 12 unterhalb der Taupunkttemperatur des Fluids liegt. Aufgrund der hygroskopischen Eigenschaften des Absorbermediums 12 wird dabei diese kondensierende Feuchtigkeit von dem Absorbermedium 12 aufgenommen und innerhalb des Absorbermediums 12 gebunden. Daher wird dabei keine oder nur sehr wenig Feuchtigkeit in das Speichermedium 11 eindringen. Das Speichermedium 11 bleibt dabei selbst bei kondensierender Feuchtigkeit trocken.
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Im Weiteren Verlauf des Aufheizens des Wärmespeichers 1 steigt die Temperatur des Speichermediums 11 und auch das Absorbermediums 12 auf eine Temperatur über der Taupunkttemperatur des Fluids an. Wird dabei eine weitere Grenztemperatur überschritten, so kann das Absorbermedium 12 die aufgenommene Feuchtigkeit wieder abgeben. Dabei wird die von dem Absorbermedium 12 abgegebene Feuchtigkeit von dem heißen Fluid aufgenommen und abtransportiert. Aufgrund der zwischenzeitlich angestiegenen Temperatur von dem Speichermedium 12 kommt es dabei jedoch zu keiner Kondensation dieser Feuchtigkeit an dem Speichermedium 12. Eine Beschädigung des Speichermediums 12 durch eindringende Feuchtigkeit kann daher ausgeschlossen werden.
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Für eine effiziente Trocknung des Fluids sind dabei verschiedene Anordnungen von Speichermedium 11 und Absorbermedium 12 möglich. Beispielsweise kann das Absorbermedium 12 zunächst in Strömungsrichtung vor dem Speichermedium 11 angeordnet werden. Auf diese Weise wird die Feuchtigkeit des Fluids zunächst an dem Absorbermedium 12 kondensieren. Anschließend kann das von der Feuchtigkeit befreite Fluid das Speichermedium 11 erwärmen. Darüber hinaus sind auch Anordnungen möglich, bei denen das Speichermedium 11 mit einem Absorbermedium 12 an der Oberfläche beschichtet worden ist. Auf diese Weise kann die kondensierende Feuchtigkeit des Fluids durch das Absorbermedium 12 gebunden werden und ein weiteres Eindringen der Feuchtigkeit in das Speichermedium 12 wird dabei verhindert. Ferner ist auch eine benachbarte Anordnung von Absorbermedium 12 und Speichermedium 11 möglich, bei denen jeweils ausreichend Absorbermedium 12 in der Nachbarschaft des Speichermediums 11 angeordnet ist, um auch die an der Oberfläche des Speichermediums 11 kondensierende Feuchtigkeit durch das Absorbermedium 12 aufzunehmen und zu speichern. Weitere Anordnungen von Absorbermedium 12 und Speichermedium 11 sind darüber hinaus ebenso möglich. Dabei wird in der Regel nur ein relativ geringer Anteil des Speichermediums durch das Absorbermedium 12 ersetzt. Beispielsweise können bis zu 10 % des Speichermediums 11 eines konventionellen Wärmespeichers durch Absorbermedium 12 ersetzt werden, um die Feuchtigkeit des Fluids zu binden. Je nach Feuchtigkeit des verwendeten Fluids und weiteren Eigenschaften des Wärmespeichers 1 ist es jedoch auch möglich, mehr oder weniger Anteile des Speichermediums 11 durch Absorbermedium 12 zu ersetzen. So können beispielsweise auch nur bis zu 5 % oder gegebenenfalls auch nur bis zu 2 % des Speichermediums 11 durch Absorbermedium 12 ersetzt werden.
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Durch den Einsatz von hydroskopischem Absorbermedium 12 zur Bindung der Feuchtigkeit in dem Fluid während des Aufheizens des Wärmespeichers 1 ist es somit auch möglich, als Fluid ein besonders kostengünstiges Fluid zu verwenden. Beispielsweise können auf diese Weise als Fluid Gase verwendet werden, die eine nahezu beliebige Restfeuchtigkeit aufweisen. Ein spezielles Aufbereiten der Gase, wie zum Beispiel ein Entfeuchten des Fluids, ist dabei nicht erforderlich. Somit kann als besonders kostengünstiges und weit verfügbares Fluid beispielsweise Umgebungsluft verwendet werden. Auch in diesem Fall ist keine besonders aufwändige Aufbereitung und Trocknung der Umgebungsluft zur Verwendung als Fluid für den Wärmespeicher erforderlich.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Wärmespeichers 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der Wärmespeicher 1 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein Speichermodul 10, das mit einem Speichermedium 11 ausgefüllt ist. Darüber hinaus umfasst der Wärmespeicher 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ferner ein Absorbermodul 20 mit einem Absorbermedium 12. Bei dem Absorbermedium 12 handelt es sich dabei um ein Absorbermedium mit den gleichen hygroskopischen Eigenschaften wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel. Während des Einbringens von thermischer Energie in den Wärmespeicher 1 strömt dabei das Fluid entlang der durchgezogenen Linie zunächst in das Absorbermodul 20 mit dem Speichermedium 12. Dabei kann die in dem Fluid enthaltene Feuchtigkeit an dem Absorbermedium 12 kondensieren und durch das Absorbermedium 12 aufgenommen werden. Für eine effiziente Trocknung des Fluids kann dabei gegebenenfalls die Temperatur innerhalb des Absorbermoduls 20 abgesenkt werden. Auf diese Weise wird eine stärkere Kondensierung der in dem Fluid enthaltenen Feuchtigkeit erreicht, so dass die Feuchtigkeit aus dem Fluid besonders effizient entzogen werden kann. Anschließend tritt das Fluid aus dem Absorbermodul 20 aus und wird durch eine Wärmequelle 30 geleitet. Dabei erwärmt sich das Fluid. Das so erwärmte Fluid wird daraufhin in das Speichermodul 10 mit dem Speichermedium 11 geleitet. Da dem Fluid jedoch bereits zuvor in dem Absorbermodul 20 Feuchtigkeit entzogen wurde, kann auch bereits während des Aufheizens des Speichermediums 11 in dem Speichermodul 10 keine Feuchtigkeit an dem Speichermedium 11 kondensieren. Somit wird das Speichermedium 11 erwärmt, wobei sich gleichzeitig das Fluid abkühlt. Anschließend tritt das abgekühlte Fluid aus dem Speichermodul 10 aus.
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Zur Entnahme der thermischen Energie aus dem Wärmespeicher 1 fließt dabei das Fluid entlang des gestrichelten Verlaufs. Dabei strömt das Fluid zunächst in das Speichermodul 10 mit dem erwärmten Speichermedium 11. Während das Fluid durch das Speichermodul 10 mit dem erwärmten Speichermedium 11 strömt, erwärmt sich das Fluid und kühlt dabei das Speichermedium 11 ab. Anschließend wird das so erwärmte Fluid in das Absorbermodul 20 mit dem Absorbermedium 12 geleitet. Dabei wird das Absorbermedium 12 in dem Absorbermodul 20 erwärmt. Überschreitet dabei die Temperatur in dem Absorbermodul 20 mit dem Absorbermedium 12 eine vorgegebene Temperatur, so wird die in dem Absorbermedium 12 gebundene Feuchtigkeit an das Fluid abgeben. Somit wird das Absorbermedium 12 in dem Absorbermodul 20 regeneriert und steht anschließend für eine erneute Trocknung von Fluid zur Verfügung. Nachdem das Fluid durch das Absorbermodul 20 mit dem Absorbermedium 12 geströmt ist und dabei gegebenenfalls die in dem Absorbermedium 12 gebundene Feuchtigkeit aufgenommen hat, kann das Fluid weiter durch einen Verbraucher 30 geleitet werden. In diesem Verbraucher 30 kann die zuvor in dem Wärmespeicher 1 gespeicherte Wärme genutzt werden.
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Der Betrieb eines Wärmespeichers 1 gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt dabei in der Regel bei Temperaturen oberhalb 200°C. Vorzugsweise liegt die Betriebstemperatur eines derartigen Wärmespeichers 1 oberhalb 280°C. In bevorzugten Anwendungsfällen kann die Betriebstemperatur des Wärmespeichers 1 auch oberhalb z.B. 320°C liegen. Die Betriebstemperatur bezeichnet dabei die Temperatur des Speichermediums 11 in dem Wärmespeicher 1, wenn thermische Energie in dem Wärmespeicher gespeichert werden soll. Dabei können jedoch zu Beginn der Speicherung von thermischer Energie in dem Wärmespeicher 1 innerhalb des Speichermoduls 10 mit dem Speichermedium 11 auch geringere Temperaturen auftreten. Gerade in solchen Fällen kann innerhalb des Speichermoduls 10 die Temperatur des Speichermediums 11 unterhalb einer Grenztemperatur liegen, bei der eine Kondensation von gegebenenfalls vorhandener Feuchtigkeit in dem Fluid auftreten würde. Durch das erfindungsgemäße Absorbieren dieser Feuchtigkeit durch ein hygroskopisches Absorbermedium kann jedoch verhindert werden, dass diese Feuchtigkeit zu einer Belastung für das Speichermedium 11 wird und gegebenenfalls eine Beschädigung des Speichermediums 11 hervorrufen könnte.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Speicherung thermischer Energie, wie es einem weiteren Ausführungsbeispiel zugrunde liegt. In einem Schritt S1 wird zunächst ein Wärmespeicher 1 mit einem Speichermedium 11 und einem Absorbermedium 12 bereitgestellt. Dieser bereitgestellte Wärmespeicher 1 wird in Schritt S2 mit einem Fluid durchströmt. In Schritt S3 wird dabei das Fluid getrocknet, wenn die Temperatur des Fluids eine Grenztemperatur unterschreitet. Dabei nimmt das Absorbermedium 12 mindestens einen Teil der in dem Fluid enthaltenen Feuchtigkeit auf.
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In Schritt S4 erwärmt das so getrocknet Fluid daraufhin das Speichermedium 11.
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Zur Entnahme der thermischen Energie aus dem Wärmespeicher 1 wird in Schritt S5 das Fluid durch die in dem Speichermedium 11 gespeicherte Wärmeenergie erwärmt. Das so erwärmte Fluid kann daraufhin direkt einem Verbraucher zugeführt werden. Alternativ kann das so erwärmte Fluid jedoch auch zunächst im Schritt S6 zum Regenerieren des Absorbermediums 12 verwendet werden. Dabei wird durch das Erwärmen des Fluids das Absorbermedium 12 über eine weitere Grenztemperatur erwärmt. Durch diese Erwärmung wird das in dem Absorbermedium 12 gespeicherte Wasser freigegeben und kann durch das Fluid aufgenommen werden. Anschließend steht das regenerierte Absorbermedium für ein erneutes Trocknen des Fluids wieder zur Verfügung.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Wärmespeicher und ein Verfahren zur Speicherung thermischer Energie. Ein Fluid durchströmt den Wärmespeicher und erwärmt dabei ein Speichermedium. Dabei wird durch ein hygroskopisches Absorbermedium die in dem Fluid enthaltene Feuchtigkeit aufgenommen und gebunden. Auf diese Weise kann eine Beschädigung des Speichermediums durch die in dem Fluid enthaltene Feuchtigkeit vermieden werden. Daher kann für den Betrieb eines derartigen Wärmespeichers auch ein nicht zuvor aufbereitetes Fluid, wie beispielsweise konventionelle Umgebungsluft verwendet werden.
