DE102014202275A1 - Energy storage for intermediate storage of electrical energy - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie umfassend einen Druckwasserspeicher (2) und eine Niedertemperatur-Kreisprozess-Vorrichtung (4) sowie einen Generator (6), wobei die Speisung des Druckwasserspeichers (2) durch eine Kompressionswärmepumpe (50) erfolgt, die einem Abgasstrom (52) eines thermischen Kraftwerkes (10) Wärme entzieht.The invention relates to an energy storage device for temporary storage of electrical energy comprising a pressurized water reservoir (2) and a low-temperature cyclic process device (4) and a generator (6), wherein the feed of the pressurized water reservoir (2) by a compression heat pump (50) takes place, the one Exhaust gas stream (52) of a thermal power plant (10) extracts heat.
Description
Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie nach Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers nach Patentanspruch 5. The invention relates to an energy store for intermediate storage of electrical energy according to claim 1 and to a method for operating an energy store according to claim 5.
Aufgrund des wachsenden Einspeisevolumens fluktuierender erneuerbarer Energien erfüllen thermische Kraftwerke zunehmend Regelaufgaben, um die Fluktuation auszugleichen. Damit gewinnt die Flexibilität von thermischen Kraftwerken stark an Bedeutung. Zusätzlich sinken durch den unregelmäßigen Betrieb aufgrund der notwendigen An- und Abschaltvorgänge der Wirkungsgrad sowie die Lebensdauer der Kraftwerke. Dies wirkt sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit der Anlagen aus. Durch die immer größer werdenden Schwankungen zwischen Stromangebot und Stromnachfrage entsteht ein Bedarf zur Stromspeicherung im Maßstab von mehreren Megawattstunden. Due to the growing feed-in volume of fluctuating renewable energies, thermal power plants are increasingly fulfilling regulatory tasks to offset fluctuation. Thus, the flexibility of thermal power plants is becoming increasingly important. In addition, due to the irregular operation due to the necessary start-up and shutdown processes, the efficiency and service life of the power plants are reduced. This has a negative effect on the efficiency of the systems. Due to the ever increasing fluctuations between electricity supply and electricity demand, there is a need for electricity storage on a scale of several megawatt hours.
Das Abfedern von Nachfragespitzen im Stromnetz wird beispielsweise durch den Einsatz von Pumpspeicherkraftwerken kompensiert. Diese erfordern jedoch große Baumaßnahmen und sind nicht an allen geografischen Orten sinnvoll einzurichten. Eine weitere Möglichkeit, Energie in größerem Maßstab zwischen zu speichern, besteht in der Einrichtung von Druckluftspeicherkraftwerken, die jedoch eine sehr geringe Energiedichte aufweisen. Ferner sind diese von regionalen Gegebenheiten abhängig. The cushioning of demand peaks in the power grid is compensated for example by the use of pumped storage power plants. However, these require large construction measures and are not meaningful to set up in all geographical locations. Another way to store energy on a larger scale between is the establishment of compressed air storage power plants, which, however, have a very low energy density. Furthermore, these are dependent on regional conditions.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Energiespeicher zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie in großtechnischem Maßstab bereitzustellen, der von den Investitionskosten gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft und vom geografischen Standort unabhängig ist. The object of the invention is to provide an energy storage for intermediate storage of electrical energy on an industrial scale, which is advantageous from the investment costs over the prior art and independent of the geographical location.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Energiespeicher zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie nach Anspruch 1, sowie in einem Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers nach Anspruch 5. The object is achieved in an energy storage for intermediate storage of electrical energy according to claim 1, as well as in a method for operating an energy storage device according to claim 5.
Der erfindungsgemäße Energiespeicher nach Anspruch 1 umfasst einen Druckwasserspeicher und eine Niedertemperatur-Kreisprozess-Vorrichtung, beispielsweise eine Organic Rankine Cycle(ORC)-Vorrichtung sowie einen Generator. Der Energiespeicher zeichnet sich dadurch aus, dass die Speisung des Druckwasserspeichers durch eine Kompressionswärmepumpe erfolgt, die einem Abgas eines thermischen Kraftwerkes Wärme entzieht. The energy store according to the invention according to claim 1 comprises a pressurized water reservoir and a low-temperature cyclic process device, such as an Organic Rankine Cycle (ORC) device and a generator. The energy storage is characterized in that the supply of the pressurized water storage tank is effected by a compression heat pump, which extracts heat from an exhaust gas of a thermal power plant.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass einem thermischen Kraftwerk, beispielsweise ein Gas- und Dampf-Kombikraftwerk, Wärme, die ansonsten an die Umgebung abgegeben würde, einem Abgasstrom entzogen wird. Der Abgasstrom der üblicherweise Temperaturen zwischen 70 °C und 150 °C aufweist, ist unter Verwendung herkömmlicher Methoden zu kalt, um einer weiter energetischen Nutzung zugänglich zu sein. Mit Hilfe einer Wärmepumpe kann jedoch das Temperaturniveau angehoben werden. Die Wärmepumpe heizt den Druckwasserspeicher auf, so dass dessen Temperaturniveau hoch genug ist zum wirtschaftlichen Betrieb einer ORC-Anlage. Bei höherer Nachfrage aus dem Stromnetz kann über die Niedertemperatur-Kreisprozess-Vorrichtung und den angeschlossenen Generator, gespeist durch den Druckwasserspeicher, zusätzliche Energie erzeugt und diese ins Netz eingespeist werden. The advantage of the invention is that a thermal power plant, such as a combined cycle gas and steam power plant, heat, which would otherwise be discharged to the environment, an exhaust gas stream is withdrawn. The exhaust stream, which typically has temperatures between 70 ° C and 150 ° C, is too cold using conventional methods to be accessible for further energy use. With the help of a heat pump, however, the temperature level can be raised. The heat pump heats up the pressurized water tank so that its temperature level is high enough for the economical operation of an ORC plant. With higher demand from the power grid, additional energy can be generated and fed into the grid via the low-temperature cycle device and the connected generator, fed by the pressurized water tank.
Im Weiteren sollen folgende hier verwendete Begriffe näher erläutert werden. In addition, the following terms used here are explained in more detail.
Dampferzeuger: Steam generator:
Ein Dampferzeuger ist ein Dampfkessel bzw. eine Anlage zur Erzeugung von Wasserdampf. In einer solchen Anlage wird Wasser erhitzt und in Dampf umgewandelt. Der Dampf wird dann für den Antrieb des thermischen Kraftwerkes verwendet. Bei einem Dampferzeuger sind Druck, Temperatur und Menge des produzierten Dampfes so ausgelegt, dass sie auf einen Dampfverbraucher, z. B. eine Kraftwerksturbine, abgestimmt sind. A steam generator is a steam boiler or a plant for generating water vapor. In such a plant, water is heated and converted into steam. The steam is then used to drive the thermal power plant. In a steam generator pressure, temperature and amount of steam produced are designed so that they are fed to a steam consumer, z. As a power plant turbine are tuned.
Wesentliche Komponenten eines Dampferzeugers sind:
- – Der Speisewasservorwärmer (Economizer), in denen Wasser und Verbrennungsluft vorgewärmt werden.
- – Der Verdampfer zur Erzeugung des Dampfes.
- – Der Überhitzer, in dem der Dampf auf die für den Verbraucher benötigte Temperatur erhitzt wird.
- – Der Dampferzeuger kann auch einen Zwischenüberhitzer enthalten, der Wasser bzw. Nassdampf, das eine Hochdruckturbine durchlaufen hat, wieder in den überhitzten Zustand (Heißdampf) bringt, bevor er einer Mitteldruckturbine zugeführt wird.
- – Ein Dampferzeuger kann aus mehreren dieser Komponenten aufgebaut sein und dadurch Dampf auf verschiedenen Druck- und Temperaturstufen erzeugen.
- – Weiterhin gehören Armaturen wie Ventile, Pumpen zu einem Dampferzeuger
- - The economizer, in which water and combustion air are preheated.
- - The evaporator to generate the steam.
- - The superheater, in which the steam is heated to the temperature required for the consumer.
- - The steam generator can also contain a reheater, the water or wet steam, which has passed through a high-pressure turbine, returns to the superheated state (superheated steam) before it is fed to a medium-pressure turbine.
- - A steam generator can be made up of several of these components and thereby generate steam at various pressure and temperature levels.
- - Furthermore, valves such as valves, pumps belong to a steam generator
Sattdampf und Sattwasser: Saturated steam and saturated water:
Unter Sattdampf versteht man den Grenzbereich zwischen Nass- und Heißdampf. Hierbei ist Nassdampf übersättigtes gasförmiges Wasser, in dem kondensierte Wassertröpfchen enthalten sind. Heißdampf oder überhitzter Dampf ist Dampf mit einer Temperatur oberhalb der Siedetemperatur. Der Dampf ist „trocken“ und enthält keine Tröpfchen. In Dampfkesseln wird der erzeugte Dampf mittels des Überhitzers in diesen Zustand gebracht.
Sattwasser ist Wasser, das mit Sattdampf im thermodynamischen Gleichgewicht steht, d.h. Wasser bei Siedetemperatur. Saturated steam is the boundary between wet and superheated steam. Here, wet steam is supersaturated gaseous water containing condensed water droplets. Superheated steam or superheated steam is steam at a temperature above the boiling point. Of the Steam is "dry" and contains no droplets. In steam boilers, the generated steam is brought into this state by means of the superheater.
Saturated water is water that is in thermodynamic equilibrium with saturated steam, ie water at boiling temperature.
Niedertemperatur-Kreisprozess: Low-temperature cycle:
Hierunter wird insbesondere der Organic Rankine Cycle oder der Kalina-Cycle verstanden. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren des Betriebes von Dampfturbinen mit einem anderen Arbeitsmittel als Wasserdampf. Als Arbeitsmittel werden in der Regel organische Flüssigkeiten oder Ammoniak verwendet, die eine niedrigere Siedetemperatur als Wasser aufweisen. This is especially understood to mean the Organic Rankine Cycle or the Kalina Cycle. This is a method of operating steam turbines with a working fluid other than water vapor. As a working medium organic liquids or ammonia are usually used, which have a lower boiling point than water.
Thermisches Kraftwerk: Thermal power plant:
Unter thermisches Kraftwerk wird insbesondere ein fossiles Kraftwerk, wie ein Gas- und Dampf-Kombikraftwerk (GuD) sowie ein Biomassekraftwerk, ein Müllheizkraftwerk, ein Kernkraftwerk oder ein Solarkraftwerk verstanden. Insbesondere ist die Erfindung dort einzusetzen, wo durch Erzeugung von Wasserdampf eine Turbine angetrieben und in der Regel über einen Generator elektrische Energie gewonnen wird. Under thermal power plant, in particular, a fossil power plant, such as a gas and steam combined cycle power plant (CCGT) and a biomass power plant, a waste heat and power plant, a nuclear power plant or a solar power plant understood. In particular, the invention is to be used where, by generating steam, a turbine is driven and, as a rule, electrical energy is obtained via a generator.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung besteht darin, dass zwischen Druckwasserspeicher und Verdampfer der Niedertemperatur-Kreisprozess-Vorrichtung eine Drossel vorgesehen ist, durch die eine Absenkung eines Drucks im Wasserspeicher auf ein für den Betrieb der Niedertemperatur-Kreisprozess-Vorrichtung konstantes Druckniveau erfolgt. Auf diese Weise kann der Niedertemperatur-Kreisprozess, also bevorzugt die ORC- oder Kalina-Kreisprozess-Anlage auf der für sie optimalen Temperatur und Druckniveau betrieben werden, bis die Kapazität des Speichers erschöpft ist, beziehungsweise dessen Temperaturniveau das Temperaturniveau für den Niedrigtemperaturkreisprozess erreicht. A further advantageous embodiment of the invention consists in that a throttle is provided between the pressurized water reservoir and the evaporator of the low-temperature cyclic process device, by means of which a reduction of a pressure in the water reservoir to a constant pressure level for the operation of the low-temperature cyclic process device. In this way, the low-temperature cycle, so preferably the ORC or Kalina cycle plant can be operated at the optimum temperature and pressure level for them until the capacity of the memory is exhausted, or its temperature level reaches the temperature level for the low-temperature cycle.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Phasenwechselmaterial in den Druckwasserspeicher eingebracht. Dies ermöglicht durch einen Schmelz-/Erstarrungsvorgang die Speicherung einer größeren Wärmemenge bei nahezu konstanter Temperatur. Dadurch wird die Speicherdichte des Druckwasserspeichers erhöht und der Speicher kann bei konstanter Temperatur mehr Wärme abgeben. In an advantageous embodiment of the invention, a phase change material is introduced into the pressurized water storage. This allows the storage of a larger amount of heat at a nearly constant temperature by a melting / solidification process. As a result, the storage density of the pressurized water reservoir is increased and the memory can emit more heat at a constant temperature.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung besteht in einem Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers nach Anspruch 5. Hierbei wird über einen Druckwasserspeicher eine Niedertemperatur-Kreisprozess-Vorrichtung betrieben, die wiederum einen Generator antreibt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Druckwasserspeicher durch eine Wärmepumpe gespeist wird, die einem Abgasstrom des thermischen Kraftwerks Wärme entzieht. Für das Verfahren ergeben sich die analogen Vorteile, die bereits bezüglich des analogen Vorrichtungsanspruchs des Energiespeichers genannt sind. A further advantageous embodiment of the invention consists in a method for operating an energy storage device according to claim 5. Here, a low-temperature cycle process device is operated via a pressurized water storage, which in turn drives a generator. The invention is characterized in that the pressurized water reservoir is fed by a heat pump, which extracts heat from an exhaust stream of the thermal power plant. For the method, there are the analog advantages that are already mentioned with respect to the analog device requirement of the energy storage.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform des Verfahrens wird während des Betriebs des thermischen Kraftwerks der Druckwasserspeicher gefüllt und bei einem Stand-by-Betrieb des thermischen Kraftwerkes dieses mit elektrischer Energie versorgt. Diese elektrische Energie wird durch den Generator bereitgestellt, der durch den Betrieb des Niedertemperatur-Kreisprozesses angetrieben wird. Auf diese Weise kann das Kraftwerk, insbesondere ein Reservekraftwerk, in einen Stand-by-Betrieb seinen Eigenverbrauch an Energie selbst erzeugen und ist nicht vom Netz abhängig. Insbesondere bei einem Stromausfall beziehungsweise eines sogenannten Black-Outs ist dies vorteilhaft, da das Kraftwerk aus eigener Kraft wieder hochgefahren werden und ans Netz gehen kann. In an advantageous embodiment of the method, the pressurized water reservoir is filled during operation of the thermal power plant and supplied with a standby operation of the thermal power plant this with electrical energy. This electrical energy is provided by the generator, which is driven by the operation of the low-temperature cycle process. In this way, the power plant, in particular a reserve power plant, in a standby mode generate its own consumption of energy itself and is not dependent on the network. In particular, in the event of a power outage or a so-called black-out, this is advantageous because the power plant can be restarted by its own power and can go online.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen sowie weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Merkmale mit denselben Bezeichnungen, jedoch in unterschiedlichen Ausgestaltungsformen, werden dabei mit denselben Bezugszeichen versehen. Further advantageous embodiments and further features of the invention will be explained in more detail with reference to the following figures. Features with the same designations, but in different embodiments, are given the same reference numerals.
Dabei zeigen: Showing:
In
Der hier erzeugte Heißdampf wird über ein Rohrleitungssystem zu einer Hochdruckturbine
Im Weiteren umfasst der Energiespeicher einen Druckwasserspeicher
Die Wärmezufuhr aus dem Druckwasserspeicher
Um den spezifischen Energieinhalt des Speichers zu maximieren, sollte der Unterschied zwischen oberem Druck des Druckwasserspeichers
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Phasenwechselmaterial in den Druckwasserspeicher eingebracht. Dies ermöglicht durch einen Schmelz-/Erstarrungsvorgang oder einen vergleichbaren nahezu isothermen Phasenwechsel die Speicherung einer größeren Wärmemenge bei nahezu konstanter Temperatur. Dadurch wird die Speicherdichte des Druckwasserspeichers erhöht und der Speicher kann bei konstanter Temperatur mehr Wärme abgeben. Bei einer Speicherung auf dem Temperaturniveau der Mitteldruckdampfturbine (180 °C bis 250 °C) und einer Wärmeübergabe auf die Niederdruckkreisprozessanlage bei ca. 200 °C bieten sich folgende Materialien als Phasenwechselmaterialien an: LiOH-NaOH (20%/80% als bevorzugtes Mischungsverhältnis), KNO3-NaNO3 (54/46%) oder LiNO3. Bei einer Speicherung auf dem Temperaturniveau der Niederdruckdampfturbine (110 °C bis 160 °C) und einer Wärmeübergabe auf die Niederdruckkreisprozessanlage bei ca. 120 °C bieten sich hingegen folgende Materialien als Phasenwechselmaterialien an: Wachs; MgCl2 × 6 H2O als Beispiel für ein Salzhydrat; Erythritol als Beispiel für einen organischen Stoff; Polyethylen als Beispiel für ein Polymer; KNO3/LiNO3 (67/33% Mischung) als Beispiel für eine Salzmischung. Das Phasenwechselmaterial kann dabei in direktem Stoffkontakt mit dem Wasser im Druckwasserspeicher eingesetzt werden. Weiterhin ist auch die Verkapselung oder der sonstige Einschluss des Phasenwechselmaterials in ein inertes Containermaterial möglich. In an advantageous embodiment of the invention, a phase change material is introduced into the pressurized water storage. This allows the storage of a larger amount of heat at a nearly constant temperature by a melting / solidification process or a comparable near-isothermal phase change. As a result, the storage density of the pressurized water reservoir is increased and the memory can emit more heat at a constant temperature. When stored at the temperature level of the medium pressure steam turbine (180 ° C to 250 ° C) and a heat transfer to the Niederdruckkreisprozessanlage at about 200 ° C, the following materials offer as phase change materials: LiOH-NaOH (20% / 80% as the preferred mixing ratio) , KNO3-NaNO3 (54/46%) or LiNO3. When stored at the temperature level of the low-pressure steam turbine (110 ° C to 160 ° C) and a heat transfer to the Niederdruckkreisprozessanlage at about 120 ° C, however, offer the following materials as phase change materials: wax; MgCl2 × 6 H2O as an example of a salt hydrate; Erythritol as an example of an organic substance; Polyethylene as an example of a polymer; KNO3 / LiNO3 (67/33% mixture) as an example of a salt mixture. The phase change material can be used in direct material contact with the water in the pressurized water storage. Furthermore, the encapsulation or other inclusion of the phase change material in an inert container material is possible.
Zur Beurteilung der Speicherkapazität unter möglicher Stromerzeugungsleistung durch eine ORC-Anlage
Der Druck im Druckwasserspeicher
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Legal Events
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