DE102015002926A1

DE102015002926A1 - Druckluft-Energiespeicheranlage mit Spindelmaschine

Info

Publication number: DE102015002926A1
Application number: DE102015002926.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-03-06
Filing date: 2015-03-06
Publication date: 2016-09-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf trockenverdichtende 2-Wellen-Rotations-Verdrängermaschinen mit effizienter Kühlung sowie jederzeitiger Beherrschung und Kontrolle der Wärmehaushalte für die Arbeitsraum-Bauteile als sogen. ”Spindelmaschinen”. Um Druckluft-Energiespeicheranlagen effizienter, einfacher und umweltfreundlicher zu betreiben, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass über eine Spindelmaschine (1) mit per Control-Unit (14) intelligent geführter Wasserkühlung für alle Arbeitsraum-Bauteile im Kompressions-Betrieb angesaugte Luft (2.K) in einem Druckluft-Behälter (10) und die per Kaltwasser-Kreislauf (12) in der Spindelmaschine (1.K) sowie im Druckluft-Wärmetauscher (6) aufgenommene Wärme-Energie über eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe (18) in einem Warm-Wasser-Behälter (20) gespeichert wird. Beim Ausspeichern der beiden Energiespeicher (10 und 20) als Expansions-Betrieb wird die Wärme-Energie gezielt geführt von der Control-Unit (14) an die Druckluft im Wärmetauscher (6) und in der motorisch betriebenen Spindelmaschine (1) übergeben – je Einsatzfall begleitet von entsprechenden Ausführungen und Maßnahmen, die in der Control-Unit (14) über spezielle Algorithmen nach thermodynamischen Prozess-Simulationen zur intelligenten Führung der Prozesse hinterlegt sind.

Description

Stand der Technik:
Bei der Energiewende mit dem wachsenden Anteil an erneuerbaren Energien besteht eine wesentliche Herausforderung darin, Energie einfach und kostengünstig zu speichern und bei Bedarf effizient wieder verfügbar zu haben. Denn Windkraft und Sonne liefern unabhängig vom Bedarf ihren Strom, so dass oftmals zu wenig Strom verfügbar ist, wenn er gebraucht wird. Und andererseits wird es mit zunehmendem Anteil an erneuerbaren Energien häufig zu viel Strom geben, wenn dieser nicht benötigt wird. Anstatt nun Reservekraftwerke für den notwendigen Ausgleich zu nehmen, ist es fraglos sinnvoller, die Energie aus den Phasen mit einem Überangebot an Strom günstig zu speichern, um diese Energie dann in Phasen mit Strom-Knappheit wieder in das Stromnetz einzuspeisen.
Für diese Aufgabe sind beispielsweise Pumpspeicherwerke langjährig erprobt und technisch bewährt, sind allerdings aufwändig und nicht überall umsetzbar. Druckluft-Speicherwerke haben prinzipiell die Aufgabe, dass der Druckluft vor der Expansion Wärme zugeführt werden muss, um die Abkühlung der Luft in der Expansionsturbine zu kompensieren und Störungen durch gefrierende Luftfeuchtigkeit zu vermeiden. Dies wird gelöst beispielsweise durch Zufeuerung von Erdgas im Druckluft-Speicherwerk Huntorf nahe Bremen (seit 1978), wo Druckluft von 50 bar unterirdisch in einem Salzstock gespeichert wird. Nachteilig sind hier sicherlich die hohen Kosten für Erdgas.
Ansätze mit Wärmespeichern am Ende der Luftkompression bei etwa 600°C unter dem Entwicklungsnamen ”ADELE” für eine erste Erprobungsanlage von 90 MW Leistung sind wegen der hohen Temperaturen technisch anspruchsvoll und teuer.
Resümierend ist somit festzustellen, dass es für die eingangs genannte Herausforderung bei der Energiewende noch keine umfänglich befriedigende Lösung gibt.
In dem Schutzrecht DE 10 2014 018 337.8 wird ein trockenverdichtender Spindelkompressor mit effizienter Kühlung sowie jederzeitiger Beherrschung und Kontrolle der Wärmehaushalte für die Arbeitsraum-Bauteile beschrieben. Dabei sind Verdichtergehäuse sowie das Spindelrotorpaar die Arbeitsraum-Bauteile, die im direkten Kontakt mit dem Fördergas (zumeist Luft) arbeiten. Diese 2-Wellen-Verdrängermaschine sei fortan als ”Spindelmaschine” bezeichnet. Überdies besteht bei der Energiewende mit wachsendem Anteil an erneuerbaren Energien die zuvor genannte Herausforderung, Energie beispielsweise über Druckluft-Energiespeicheranlagen einfach und kostengünstig zu speichern und bei Bedarf über Ausspeicherung effizient, einfach und kostengünstig wieder in das Stromnetz einzuspeisen. Damit lässt sich auch die nachfolgende Aufgabenstellung aufzeigen:
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, mit einem trockenverdichtenden Spindelkompressor mit effizienter Kühlung sowie jederzeitiger Beherrschung und Kontrolle der Wärmehaushalte für die Arbeitsraum-Bauteile als sogen. ”Spindelmaschine” für die eingangs genannte Herausforderung bei der Energiewende eine Lösung zu finden, mit der diese Aufgabe einfach und zuverlässig, sowie effizient und umweltfreundlich mit zugleich mäßigem Aufwand umfassend und überzeugend gelöst wird. Fernerhin soll die vorliegende Erfindung auch eine Lösung bieten für diejenigen Aufgaben als üblicher Kompressor, in denen jedwede Energieabgabe an die Umgebung unerwünscht ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Spindelmaschine (1) mit den Merkmalen gemäß DE 10 2014 018 337.8 genutzt wird für die Energie-Speicherung im sogen. ”Kompressions-Betrieb” und für die Energie-Ausspeicherung im sogen. ”Expansions-Betrieb”, wobei erfindungsgemäß zunächst

a) im Kompressions-Betrieb das Fördermedium (generell Luft) als über die Spindelmaschine (1) erzeugte Druckluft in einem Druckluft-Speicherbehälter (10) gespeichert wird und bei diesem Verdichtungsvorgang das von einer Umwälzpumpe (15) in einem geschlossenen Kreislauf angetriebene Kühlfluid (generell Wasser, vorzugsweise mit Zusätzen wie Frostschutzmittel, Korrosionsschutzmittel etc. = wie übliches Kühlwasser z. B. beim PKW-Motor) als Kalt-Fluidstrom (12) aufgeteilt von dem über die Control-Unit (14) geführten Regulierungsorgan (11) als
a.1) Kalt-Fluidteilstrom-SM (12.1) durch die Spindelmaschine (1) strömt und dort die während der Druckerhöhung zwischen Eintritt (2.K) und Austritt aus der Spindelmaschine (1) entstehende Verdichtungswärme vom Fördermedium (also Luft) aufnimmt wie beispielsweise in DE 10 2014 018 337.8 beschrieben,
a.2) und als Kalt-Fluidteilstrom-WT (12.2) durch den Druckluft-Wärmetauscher (6) strömt und dort dem Druckluft-Gasstrom dank entsprechend großzügiger Dimensionierung der Wärmetransfer-Oberflächen deutlich und intensiv noch mehr Wärmemenge entzieht, bevor die Druckluft auf typische Werte abgekühlt (also vorzugsweise mindestens wie bei üblicher Druckluft-Erzeugung) in dem geschlossenen Druckluft-Speicherbehälter (10) gespeichert wird,
a.3) und dass diesem Kalt-Fluidstrom (12) über einen separaten Wärmepumpen-Kreislauf (18), vorzugsweise als Wasser/Wasser-Wärmepumpe ausgeführt, die gemäß a.1) und gemäß a.2) aufgenommene Wärmemenge wesentlich wieder entzogen wird, indem diese Wärmemenge als Q_ab in (18.1) über diesen geläufigen und geschlossenen Wärmepumpen-Kreislauf (18) als Wärmemenge Q_auf in (18.2) an einen weiteren Kreislauf namens aktiver Warm-Fluidstrom-Kreislauf (17.K1) mit eigener Umwälzpumpe (19) gegeben wird,
a.4) und diese Wärmemenge Q_auf dann in einem Warm-Wasser-Behälter (20) als weiterer Energiespeicher mittels Temperatur-Erhöhung der Wassermenge in diesem Kreislauf gespeichert wird,
a.5) so dass im Kompressionsbetrieb also die folgenden drei Kreisläufe aktiviert sind:
• der Kalt-Fluidstrom (12) als Kalt-Wasser-Kreislauf
• der separate Wärmepumpen-Kreislauf (18) und
• der Warm-Fluidstrom (17.K1) als Warm-Wasser-Kreislauf
a.6) und zwei Energie-Speicher, nämlich:
• der Druckluft-Speicherbehälter (10) und
• der Warm-Wasser-Speicherbehälter (20), die beide im Kompressions-Betrieb aufgefüllt werden und die beide im Expansions-Betrieb beim Ausspeichern ihre Energie bei einem guten Gesamt-Wirkungsgrad wieder abgeben,
b) und im nachfolgenden Expansions-Betrieb zur Energie-Ausspeicherung mit gegenüber 1_a umgekehrter Luftstrom-Richtung gemäß (9.E) vom Druckluft-Behälter (10) in den Wärmetauscher (6) und dann durch die Spindelmaschine (1), die nun als motorisch betriebene Verdrängermaschine den Elektro-Antrieb (21) generatorisch antreibt und somit den gewünschten Strom zur Einspeisung in das Stromnetz erzeugt, währenddessen über die Control-Unit (14) der Warm-Fluidstrom-Kreislauf (17.E1) mit seiner Umwälzpumpe (19) ebenso abgeschaltet wird wie der Wärmepumpen-Kreislauf (18), und die Umschaltorgane (16) derart eingestellt werden, dass
b.1) über die Umschaltorgan-Stellung (16.E) und das über die Control-Unit (14) geführte Regulierungsorgan (11) der Warm-Wasserstrom-Epsi (17.E) aufgeteilt wird in einen Warm-Wasserstrom-SM (17.1E) zur Spindelmaschine (1) sowie einen Warm-Wasserstrom-WT (17.2E) zum Druckluft-Wärmetauscher (6) und zwar derart, dass die sich entspannende Druckluft, die sich wegen dieser Druckminderung im Expansions-Betrieb prinzipiell erst einmal abkühlt mit der Gefahr von Störungen durch gefrierende Luftfeuchtigkeit, gezielt zunächst im Druckluft-Wärmetauscher (6) und dann bei der Expansion in der Spindelmaschine (1) über deren Arbeitsraum-Bauteile (also Spindelrotorpaar und umgebendes Gehäuse), die gemäß 2 und wie beispielsweise in DE 10 2014 018 337.8 beschrieben von den durchströmenden Warm-Wassermengen je Arbeitsraum-Bauteil abhängig von den jeweiligen Temperaturen und dem jeweiligen Betriebspunkt nun gezielt, definiert und kontrolliert durchströmt werden, nun derart erwärmt wird, dass der Gesamt-Wirkungsgrad optimal wird,
b.2) wobei diese Wirkungsgrad-Optimierung von der Control-Unit (14) geführt wird durch Regulierung der jeweiligen Wassermengen über das Regulierungsorgan (11) und innerhalb der Spindelmaschine (1) gemäß 2 und wie beispielsweise in DE 10 2014 018 337.8 beschrieben, wobei über zuvor durchgeführte thermodynamische Simulationen (beispielsweise per CFD-Simulation) für die verschiedenen Betriebszustände und jeweiligen Bedingungen und Einstellungen die entsprechenden Algorithmen und Regulierungs-Anweisungen in der Control-Unit (14) hinterlegt sind, so dass das vorliegende System sich jeweils optimal einstellt, also intelligent agieren kann,
b.3) wobei mit dem über die Control-Unit (14) geführten Regulierungsorgan (16.Eε) ein Wasser-Nebenstrom (17.N) derart eingestellt wird, dass nur eine gewisse und jeweils benötigte Warm-Wasser-Menge (17.E2) aus dem Warm-Wasser-Speicherbehälter (20) entnommen wird, wobei dieser Prozess von der Control-Unit (14) geführt wird und die noch vorhandenen Energiemengen in den beiden Energie-Speichern (10) und (20) sowie den jeweiligen Betriebspunkt entsprechend den hinterlegten CFD-Simulations-Algorithmen berücksichtigt.

Außerdem werden die Systemgrenzen (23) insbes. für den Kompressions-Betrieb erfindungsgemäß nur von der zu komprimierenden Luft (24.1) und dem energetisch zu speichernden elektrischen Strom (24.2) überschritten, indem sämtliche Energieverluste (wie insbes. bei den elektrischen Bauteilen, wie z. B. bei den Motoren sowie in der Control-Unit) über den Kaltwasserstrom (12, spez. als 12.M) abgeführt und im Warm-Wasser-Speicherbehälter (20) gespeichert werden und beim Expansions-Betrieb wieder zur Verfügung stehen, abzgl. physikalisch bedingter Besonderheiten bei Bilanzierung der Energie-Wandlung.
Zudem ist erfindungsgemäß bei der zu komprimierenden und in das System (23) eintretenden Luft (24.1) die Gas-Temperatur T_in höher als die Gas-Temperatur T_ex der beim Expansions-Betrieb aus dem System wieder austretenden Luft (2.E), so dass dieser Energie-Unterschied den Gesamt-Wirkungsgrad verbessert und den nachteiligen Energieaufwand zum Betreiben des Wärmepumpenkreislaufs (18) kompensiert, so dass stets gilt:
Ebenso wird im Kompressions-Betrieb der Wirkungsgrad der als Verdichter arbeitenden Spindelmaschine durch möglichst geringe Kaltwasser-Temperaturen beim Kalt-Wasserstrom (12.1) beim Eintritt (4) zur Spindelmaschine (1) verbessert, so dass sich der Aufwand für den Wärmepumpenkreislauf (18) lohnt.
Sollte sich bei der thermodynamischen Prozess-Simulation (z. B. per CFD) für einige Einsatzfälle zeigen, dass die Warmwasser-Temperatur im Warm-Wasser-Speicherbehälter (20) zum Aufwärmen der Druckluft im Wärmetauscher (6) für einen guten Gesamt-Wirkungsgrad bei einigen Einsatzfällen zu gering ist, wird gemäß 3 erfindungsgemäß außerdem vorgeschlagen, dass für den Warm-Wasserstrom (17.2E) im Expansions-Betrieb zusätzlich ein Wärmepumpen-Kreislauf-Expansion (18.E) installiert wird, wobei der Warm-Wasserstrom (17.1E) zur Spindelmaschine (1) diese Temperatur-Erhöhung höchstwahrscheinlich nicht benötigt, denn eine Spindelmaschine ist bekanntlich äußerst robust und unempfindlich.
Zur Aufwands-Reduzierung wird erfindungsgemäß außerdem vorgeschlagen, dass:

a) im Kompressions-Betrieb der Erwärmungs-Kreislauf (17.K1) eingespart wird, indem der Wärmepumpen-Kreislauf-Abschnitt (18.2) des Wärmepumpen-Kreislaufs (18) direkt durch den Warm-Wasser-Speicherbehälter (20) geführt wird, sowie
b) im Expansions-Betrieb mit dem Wärmepumpen-Kreislauf-Expansion (18.E) der Erwärmungs-Kreislauf (17.2E) eingespart wird, indem der Wärmepumpen-Kreislauf-Abschnitt (18.Ep) des Wärmepumpen-Kreislaufs (18.E) direkt durch den Wärmetauscher (6) geführt wird, sowie
c) im Expansions-Betrieb mit dem Wärmepumpen-Kreislauf-Expansion (18.E) der Erwärmungs-Kreislauf (17.E1E) eingespart, indem der Wärmepumpen-Kreislauf-Abschnitt (18.Em) direkt durch den Warm-Wasser-Speicher (20) geführt wird.

Diese Vereinfachungen können einzeln oder in verschiedener Kombination durchgeführt werden.
Die ausführlichen Erläuterungen in der Bezugszeichenliste zu den einzelnen Elementen sind fraglos ausreichend hilfreich und inhaltsreich, so dass bei der Beschreibung dieser Erfindung auf eine Wiederholung an dieser Stelle verzichtet werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird über die nachfolgenden Darstellungen beispielhaft noch weiter erläutert:
1 zeigt beispielhaft für die vorliegende Erfindung eine Prinzipdarstellung zum Ablauf-Schema, wobei im oberen Teil als 1_a der Kompressions-Betrieb mit der Energie-Speicherung in (10) und (20) dargestellt ist, und im unteren Teil als 1_b der Expansions-Betrieb zur Energie-Ausspeicherung.
2 zeigt beispielhaft für die vorliegende Erfindung eine Prinzipdarstellung zum Ablauf-Schema innerhalb der Spindelmaschine (1) im Kompressions-Betrieb.
3 zeigt beispielhaft für die vorliegende Erfindung ähnlich 1 eine Prinzipdarstellung zum Ablauf-Schema, wobei im Expansions-Betrieb noch ein zusätzlicher Wärmepumpen-Kreislauf-Expansion (18.E) zur Erhöhung der Aufwärm-Temperaturen für die Druckluft (9.E) im Wärmetauscher (6) vorgesehen ist.
Bezugszeichenliste

1: Spindelmaschine mit den Merkmalen gemäß DE 10 2014 018 337.8 als trockenverdichtende 2-Wellenverdrängermaschine mit effizienter Kühlung sowie jederzeitiger Kontrolle und Beherrschung der Wärmehaushalte für die Arbeitsraum-Bauteile, gemäß Schema in 2, ausgeführt als: 1.K Spindelmaschine ausgeführt und betrieben als Spindelkompressor für den Kompressions-Betrieb 2.E Spindelmaschine ausgeführt und betrieben als Spindelmotor für den Expansions-Betrieb Diese beiden Ausführungen können, aber müssen nicht identisch sein, denn es wird durchaus Einsatzfälle geben, in denen unterschiedliche Maschinen sinnvoll sind.
2: Luft-Gasstrom auf der Einlass-Seite der Spindelmaschine (1) bei etwa atmosphärischem Druck als 2.K im Kompressions-Betrieb in die Spindelmaschine (1) eintretend, 2.E im Expansions-Betrieb aus der Spindelmaschine (1) austretend
3: Luft-Gasstrom auf der Auslass-Seite der Spindelmaschine (1) als Druckluft mit 3.K im Kompressions-Betrieb in den Wärmetauscher (6) eintretend 3.E im Expansions-Betrieb aus dem Wärmetauscher (6) austretend
4: Kühlfluid-Eintritt zur Spindelmaschine, wobei das Fluid generell vorzugsweise Wasser ist.
5: Kühlfluid-Austritt aus der Spindelmaschine
6: Wärmetauscher für den Druckluft-Gasstrom mit großzügiger Dimensionierung seiner Wärmetransfer-Oberflächen und mit Kondensat-Abscheidung (22) für den Kompressions-Betrieb
7: Kühlfluid-Eintritt in den Druckluft-Wärmetauscher (6)
8: Kühlfluid-Austritt aus dem Druckluft-Wärmetauscher (6)
9: Druckluft-Gasstrom zwischen Wärmetauscher (6) und Druckluft-Speicherbehälter (10) 9.K im Kompressions-Betrieb in den Druckluft-Speicherbehälter (10) eintretend 9.E im Expansions-Betrieb aus dem Druckluft-Speicherbehälter (10) austretend
10: Druckluft-Speicherbehälter als Energiespeicher
11: Regulierungsorgan ε_s sorgt für die Aufteilung des Fluidstroms (12) zwischen dem Wärmetauscher (6) und der Spindelmaschine (1) entsprechend den Signalwerten aus der Control-Unit (14)
12: Fluidstrom mit generell niedriger Temperatur als sogen. ”Kalt-Fluidstrom” bzw. ”Kalt-Wasserstrom” im geschlossenen Kreislauf angetrieben von der Umwälzpumpe (15) und zur Wärmeaufnahme über das von der Control-Unit (14) geführte Regulierungsorgan (11) aufgeteilt in: 12.1 ”Kalt-Fluidteilstrom-SM” durch die Spindelmaschine (1) beim Kompressions-Betrieb 12.2 ”Kalt-Fluidteilstrom-WT” durch den Wärmetauscher (6) beim Kompressions-Betrieb sowie optional als sinnvolle Ergänzung zur vollständigen Wärmebeherrschung noch hinzu: 12.M ”Kalt-Fluidteilstrom-M” zur Wärmeabführung restlicher Verlustleistungen, insbes. bei den elektr. Geräten wie E-Motor (21), alle Antriebe für die Umwälzpumpen (15, 19 und für 18) sowie auch für die Wärmeabführung aus der Control-Unit (14)
13: Vorratsraum für das Kühlfluid, generell vorzugsweise Wasser mit Frostschutz, Korrosionsschutz.
14: Control-Unit als Steuer- und Regulierungs-Einheit
15: Umwälzpumpe im jeweils geschlossenen Wasser-Kreislauf sowohl für den ”Kalt-Wasserstrom” (12) als auch für den ”Warm-Wasserstrom” (17.E) vorzugsweise mit von der Control-Unit (14) geführter Volumenstrom-Mengenregulierung, und üblicherweise per Drehzahlregulierung wie die bekannten und gebräuchlichen Heizungsumwälzpumpen
16: Umschaltorgan (vorzugsweise 2 Stück) für die Fluidströme in den Schaltstellungen: 16.K gemäß 1_a im Kompressions-Betrieb zur Energie-Speicherung: Dann ist der ”Kalt-Fluidstrom” (12) aktiviert und der ”Warm-Fluidstrom” (17.K2) ist passiv. 16.E gemäß 1_b im Expansions-Betrieb zur Energie-Rückgabe: Dann wird der ”Warm-Fluidstrom” (17.E2) aktiviert und der ”Warm-Fluidstrom” (17.E1) ist passiv. 16.Eε gemäß 1_b im Expansions-Betrieb zur gezielten Regulierung der Entnahme-Menge des ”Warm-Fluidstroms” (17.E2) aus dem Warm-Wasser-Speicher-Behälter (20) über die Control-Unit (14).
17: Fluidstrom mit allgemein höherer Temperatur als sogenannter ”Warm-Fluidstrom” bzw. auch ”Warm-Wasserstrom” im Kreislauf ebenso angetrieben von der Umwälzpumpe (15) mit: 17.E Warm-Wasserstrom-Epsi vor dem Regulierungsorgan (11), wobei dieser über das von der Control-Unit (14) geführte Regulierungsorgan (11) aufgeteilt wird in: 17.1E zur gezielten Erwärmung der Spindelmaschine (1) beim Druckluft-Expansions-Betrieb 17.2E zur gezielten Erwärmung der ausströmenden Druckluft (9.E) im Wärmetauscher (6) [gezielte Erwärmung = gemäß Expansions-Simulation zuzuführende Wärmemenge je Bauteil zur thermodynamischen Prozess-Optimierung, insbes. hinsichtlich gefrierender Luftfeuchtigkeit bei der Druckluft-Expansion als Algorithmus nach vorheriger thermodynamischen Prozess-Simulationen in der Control-Unit hinterlegt.] und über die Umschaltorgane (16) vorzugsweise per Control-Unit (14) geschaltete Festlegung zum jeweiligen Fluidstrom-Status gemäß 1_a 17.K1 beim Kompressions-Betrieb im Erwärmungs-Kreislauf aktiver ”Warm-Fluidstrom” 17.K2 beim Kompressions-Betrieb passiver ”Warm-Fluidstrom” (passiv = prakt. keine Strömung) sowie gemäß 1_b 17.E1 beim Expansions-Betrieb passiver ”Warm-Fluidstrom”, wenn (18) abgeschaltet ist 17.E2 beim Expansions-Betrieb aktiver ”Warm-Fluidstrom” 17.N als Wasser-Nebenstrom im Expansions-Betrieb über Organ 16.Eε zur Regulierung der Warm-Wasser-Entnahmemenge 17.E1E als Warm-Wasser-Entnahmestrom aus dem Warm-Wasser-Speicherbehälter (20) zur Energieabgabe im Wärmepumpen-Kreislauf-Expansion (18.E).
18: Wärmepumpen-Kreislauf vorzugsweise als Wasser/Wasser-Wärmepumpe für den nur im Kompressions-Betrieb aktiven Wärmetransfer vom ”Kalt-Fluidstrom” (12) zum ”Warm-Fluidstrom” (17.K1) gemäß 18.1 dem ”Kalt-Fluidstrom” (12) wird über die Wärmepumpe (18) die Wärmemenge Qab entzogen, 18.2 dem ”Warm-Fluidstrom” (17.K1) wird per Wärmepumpe (18) die Wärmemenge Q_auf zugeführt, wobei im Expansions-Betrieb der Wärmepumpen-Kreislauf (18) vorzugsweise abgeschaltet wird, 18.E im Expansions-Betrieb als ”Wärmepumpen-Kreislauf-Expansion” zur Temperatur-Erhöhung im Warm-Wasserstrom (17.2E) insbes. zur Erwärmung der Druckluft im Wärmetauscher (6).
19: Umwälzpumpe, die den ”Warm-Fluidstrom”-Kreislauf (17.K1) vorzugsweise nur im Kompressions-Betrieb antreibt mit vorzugsweise per Control-Unit (14) geführter Volumenstrom-Mengenregulierung
20: Warm-Wasser-Speicherbehälter als weiterer Energiespeicher neben dem Druckluft-Speicher (10), wobei der Warm-Wasser-Speicherbehälter vorzugsweise unter dem Druck steht, wie die Luft am Kompressor-Eintritt (2.K bzw. 2.E) der Spindelmaschine (1), also vorwiegend atmosphärisch, mit Warm-Wasser-Temperaturen von unter 100°C, wobei der Warm-Wasser-Speicherbehälter gemäß 1_a im Kompressions-Betrieb über den Wasser/Wasser-Wärmepumpen-Kreislauf (18) mit dem ”Warm-Fluidstrom”-Kreislauf (17.K1) aufgeheizt wird, 1_b im Expansions-Betrieb über Wärmetauscher (6) und über die Spindelmaschine (1) mit dem ”Warm-Fluidstrom” (17.E2) seine Wärme wieder an die Druckluft abgibt, wobei über die Control-Unit (14) das Regulierungsorgan (11) für die Aufteilung des ”Warm-Fluidstrom” (17.E2) in einen ”Warm-Fluidstrom-SM” (17.1E) durch die Spindelmaschine (1) und einen ”Warm-Fluidstrom-WT” (17.2E) durch den Wärmetauscher (6) derart sorgt, dass gemäß Prozess-Simulation der Wirkungsgrad optimiert wird.
21: Elektrischer Motor und Generator, vorzugsweise als Drehstrom-Asynchronmotor gemäß 21.K im Kompressions-Betrieb als Motor die Spindelmaschine antreibend 21.E im Expansions-Betrieb von der Spindelmaschine angetrieben als Generator wirkend und somit elektrische Energie abgebend.
22: Kondensat-Abscheidung (Luftfeuchtigkeit) für den Kompressions-Betrieb aus dem Druckluft-Wärmetauscher (6)
23: Systemgrenzen, insbes. für den Kompressions-Betrieb
24: Überschreitung der Systemgrenze (23): 24.1 angesaugte Luft, die zur Druckluft-Energiespeicherung genutzt wird 24.2 energetisch zu speichernder elektr. Strom als Antrieb für sämtliche elektr. Verbraucher wie: • die Spindelmaschine (1) als Kompressor sowie für • sämtliche Strom-Verbraucher wie Control-Unit (14) und Stell-/Regelglieder sowie für • die Antriebe der Umwälzpumpen (15 und 19 sowie für 18 und 18.E) in dem geschlossenen System (23)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014018337 [0005, 0007, 0007, 0007, 0007]

Claims

Spindelmaschine (1) mit den Merkmalen gemäß DE 10 2014 018 337.8 als im Arbeitsraum ohne Betriebsfluid arbeitende 2-Wellen-Rotations-Verdrängermaschine zur Förderung und Verdichtung gasförmiger Fördermedien mit einem gegensinnig von einer äußeren, also außerhalb vom Arbeitsraum gelegenen Synchro.-Verzahnung drehwinkeltreu geführten Spindelrotorpaar mit einem Rotorpaar-Achsabstand, der Einlass-seitig mindestens 10% größer ist als Auslass-seitig, in einem umgebenden Verdichtergehäuse für Anwendungen als Druckluft-Energiespeicheranlage und für Anwendungen zur üblichen Druckluft-Erzeugung, wenn jedwede Energieabgabe an die Umgebung unerwünscht ist, dadurch gekennzeichnet, dass dass eine Spindelmaschine (1) genutzt wird für die Energie-Speicherung als Spindelkompressor im sogenannten ”Kompressions-Betrieb” und bei Druckluft-Energiespeicheranlagen für die Energie-Ausspeicherung als Spindelmotor im sogenannten ”Expansions-Betrieb”, wobei zunächst a) im Kompressions-Betrieb das Fördermedium (generell Luft) als über die Spindelmaschine (1) erzeugte Druckluft in einem Druckluft-Speicherbehälter (10) gespeichert wird und bei diesem Verdichtungsvorgang das von einer Umwälzpumpe (15) in einem geschlossenen Kreislauf angetriebene Kühlfluid (generell Wasser, vorzugsweise mit Zusätzen wie Frostschutzmittel, Korrosionsschutzmittel etc. = wie übliches Kühlwasser z. B. beim PKW-Motor) als Kalt-Fluidstrom (12) aufgeteilt von dem über die Control-Unit (14) geführten Regulierungsorgan (11) als a.1) Kalt-Fluidteilstrom-SM (12.1) durch die Spindelmaschine (1) strömt und dort die während der Druckerhöhung zwischen Eintritt (2.K) und Austritt aus der Spindelmaschine (1) entstehende Verdichtungswärme vom Fördermedium (also Luft) aufnimmt wie beispielsweise in DE 10 2014 018 337.8 beschrieben, a.2) und als Kalt-Fluidteilstrom-WT (12.2) durch den Druckluft-Wärmetauscher (6) strömt und dort dem Druckluft-Gasstrom dank entsprechend großzügiger Dimensionierung der Wärmetransfer-Oberflächen deutlich und intensiv noch mehr Wärmemenge entzieht und dabei Kondensat (22) abscheidet, bevor die Druckluft auf typische Werte abgekühlt (also vorzugsweise mind. wie bei üblicher Druckluft-Erzeugung) in dem geschlossenen Druckluft-Speicherbehälter (10) gespeichert wird, a.3) und dass diesem Kalt-Fluidstrom (12) über einen separaten Wärmepumpen-Kreislauf (18), vorzugsweise als Wasser/Wasser-Wärmepumpe ausgeführt, die gemäß a.1) und gemäß a.2) aufgenommene Wärmemenge wesentlich wieder entzogen wird, indem diese Wärmemenge als Q_ab in (18.1) über diesen geläufigen und geschlossenen Wärmepumpen-Kreislauf (18) als Wärmemenge Q_auf in (18.2) an einen weiteren Kreislauf namens aktiver Warm-Fluidstrom-Kreislauf (17.K1) mit eigener Umwälzpumpe (19) gegeben wird, a.4) und diese Wärmemenge Q_auf dann in einem Warm-Wasser-Behälter (20) als weiterer Energiespeicher mittels Temperatur-Erhöhung der Wassermenge in diesem Kreislauf gespeichert wird, a.5) so dass im Kompressionsbetrieb also die folgenden drei Kreisläufe aktiviert sind: • der Kalt-Fluidstrom (12) als Kalt-Wasser-Kreislauf • der separate Wärmepumpen-Kreislauf (18) und • der Warm-Fluidstrom (17.K1) als Warm-Wasser-Kreislauf a.6) und zwei Energie-Speicher, nämlich: • der Druckluft-Speicherbehälter (10) und • der Warm-Wasser-Speicherbehälter (20), die beide im Kompressions-Betrieb aufgefüllt werden und die beide im Expansions-Betrieb beim Ausspeichern ihre Energie bei einem guten Gesamt-Wirkungsgrad wieder abgeben, b) und im nachfolgenden Expansions-Betrieb zur Energie-Ausspeicherung mit gegenüber 1_a umgekehrter Luftstrom-Richtung gemäß (9.E) vom Druckluft-Behälter (10) in den Wärmetauscher (6) und dann durch die Spindelmaschine (1), die nun als motorisch betriebene Verdrängermaschine den Elektro-Antrieb (21) generatorisch antreibt und somit den gewünschten Strom zur Einspeisung in das Stromnetz erzeugt, währenddessen über die Control-Unit (14) der Warm-Fluidstrom-Kreislauf (17.E1) mit seiner Umwälzpumpe (19) ebenso abgeschaltet wird wie der Wärmepumpen-Kreislauf (18), und die Umschaltorgane (16) derart eingestellt werden, dass b.4) über die Umschaltorgan-Stellung (16.E) und das über die Control-Unit (14) geführte Regulierungsorgan (11) der Warm-Wasserstrom-Epsi (17.E) aufgeteilt wird in einen Warm-Wasserstrom-SM (17.1E) zur Spindelmaschine (1) sowie einen Warm-Wasserstrom-WT (17.2E) zum Druckluft-Wärmetauscher (6) und zwar derart, dass die sich entspannende Druckluft, die sich wegen dieser Druckminderung im Expansions-Betrieb prinzipiell erst einmal abkühlt mit der Gefahr von Störungen durch gefrierende Luftfeuchtigkeit, gezielt zunächst im Druckluft-Wärmetauscher (6) und dann bei der Expansion in der Spindelmaschine (1) über deren Arbeitsraum-Bauteile (also Spindelrotorpaar und umgebendes Gehäuse), die gemäß 2 und wie beispielsweise in DE 10 2014 018 337.8 beschrieben von den durchströmenden Warm-Wassermengen je Arbeitsraum-Bauteil abhängig von den jeweiligen Temperaturen und dem jeweiligen Betriebspunkt nun gezielt, definiert und kontrolliert durchströmt werden, nun derart erwärmt wird, dass der Gesamt-Wirkungsgrad optimal wird, b.5) wobei diese Wirkungsgrad-Optimierung von der Control-Unit (14) geführt wird durch Regulierung der jeweiligen Wassermengen über das Regulierungsorgan (11) und innerhalb der Spindelmaschine (1) gemäß 2 und wie beispielsweise in DE 10 2014 018 337.8 beschrieben, wobei über zuvor durchgeführte thermodynamische Simulationen (beispielsweise per CFD-Simulation) für die verschiedenen Betriebszustände und jeweiligen Bedingungen und Einstellungen die entsprechenden Algorithmen und Regulierungs-Anweisungen in der Control-Unit (14) hinterlegt sind, so dass das vorliegende System sich jeweils optimal einstellt, also intelligent agieren kann, b.6) wobei mit dem über die Control-Unit (14) geführten Regulierungsorgan (16.Eε) ein Wasser-Nebenstrom (17.N) derart eingestellt wird, dass nur eine gewisse und jeweils benötigte Warm-Wasser-Menge (17.E2) aus dem Warm-Wasser-Speicherbehälter (20) entnommen wird, wobei dieser Prozess von der Control-Unit (14) geführt wird und die noch vorhandenen Energiemengen in den beiden Energie-Speichern (10) und (20) sowie den jeweiligen Betriebspunkt entsprechend den hinterlegten CFD-Simulations-Algorithmen berücksichtigt.
Spindelmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemgrenzen (23) insbesondere beim Kompressions-Betrieb nur von der zu komprimierenden Luft (24.1) und vom elektrischen Strom (24.2) überschritten werden, indem sämtliche Energieverluste (wie insbes. bei den elektrischen Bauteilen, wie z. B. bei den Motoren sowie in der Control-Unit) über den Kaltwasserstrom (12, spez. als 12.M) abgeführt und im Warm-Wasser-Speicherbehälter (20) gespeichert werden und beim Expansions-Betrieb wieder zur Verfügung stehen, abzgl. physikalisch bedingter Besonderheiten bei Bilanzierung der Energie-Wandlung.
Spindelmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Temperatur T_in der zu komprimierenden und in das System (23) eintretenden Luft (24.1) höher als die Gas-Temperatur T_ex der beim Expansions-Betrieb aus dem System wieder austretenden Luft (2.E).
Spindelmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Expansionsbetrieb für einige Einsatzfälle zur Temperatur-Erhöhung im Warm-Wasserstrom (17.2E) zum Wärmetauscher (6) zusätzlich ein Wärmepumpen-Kreislauf-Expansion (18.E) installiert wird.
Spindelmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft-Energiespeicheranlagen statt großer Zentral-Sammelanlagen vorzugsweise dezentral und möglichst nahe an der erneuerbaren Energiequelle (wie z. B. Solaranlage, Windkraftanlage etc.) ausgeführt werden.
Spindelmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Temperatur T_in der zu komprimierenden und in das System (23) eintretenden Luft (24.1) stets höher als die Gas-Temperatur T_ex der beim Expansions-Betrieb aus dem System (23) wieder austretenden Luft (2.E), wobei dieser Temperatur-Unterschied vorzugsweise mindestens 30 Kelvin oder besser mehr als 50 Kelvin beträgt.
Spindelmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einige Einsatzfälle die Spindelmaschinen auch mehrfach, beispielsweise 2-fach, hintereinandergeschaltet zur Erhöhung der Energiedichte durch höheren Druck im Druckluft-Speicher (10) ausgeführt werden können.
Spindelmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufwands-Reduzierung außerdem vorgeschlagen wird, dass: a) im Kompressions-Betrieb der Erwärmungs-Kreislauf (17.K1) eingespart wird, indem der Wärmepumpen-Kreislauf-Abschnitt (18.2) des Wärmepumpen-Kreislaufs (18) direkt durch den Warm-Wasser-Speicherbehälter (20) geführt wird, sowie b) im Expansions-Betrieb mit dem Wärmepumpen-Kreislauf-Expansion (18.E) der Erwärmungs-Kreislauf (17.2E) eingespart wird, indem der Wärmepumpen-Kreislauf-Abschnitt (18.Ep) des Wärmepumpen-Kreislaufs (18.E) direkt durch den Wärmetauscher (6) geführt wird, sowie c) im Expansions-Betrieb mit dem Wärmepumpen-Kreislauf-Expansion (18.E) der Erwärmungs-Kreislauf (17.E1E) eingespart, indem der Wärmepumpen-Kreislauf-Abschnitt (18.Em) direkt durch den Warm-Wasser-Speicher (20) geführt wird, wobei diese Vereinfachungen einzeln oder in verschiedener Kombination durchgeführt werden können.
Spindelmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Control-Unit (14) nach thermodynamischer Vorab-Simulation der Prozesse und laufendem Lernen während der jeweiligen Prozess-Abläufe die entsprechenden Algorithmen zur intelligenten Prozess-Führung sowohl für den Kompressions-Betrieb als auch für den Expansions-Betrieb hinterlegt sind und ständig weiterentwickelt werden.