DE102015101214A1

DE102015101214A1 - Energiespeichervorrichtung und Verfahren zur Speicherung und/oder Bereitstellung von Energie

Info

Publication number: DE102015101214A1
Application number: DE102015101214.6A
Authority: DE
Inventors: Matthias Schmidt; Marc Linder
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2016-07-28

Abstract

Um eine Energiespeichervorrichtung zur Speicherung und/oder Bereitstellung von Energie zu schaffen, welche einfach aufgebaut ist und mittels welcher Energie effizient speicherbar und bereitstellbar ist, wird vorgeschlagen, dass die Energiespeichervorrichtung Folgendes umfasst: einen Speichermediumbehälter zur Aufnahme eines Speichermediums, welches bei Kontakt mit einem Reaktionsmedium exotherm reagiert; einen Reaktionsmediumbehälter zur Aufnahme des Reaktionsmediums; eine Fluidführung mittels welcher Reaktionsmedium von dem Reaktionsmediumbehälter zu dem Speichermediumbehälter zuführbar ist; einen Wärmeübertrager, mittels welchem Wärme von dem Speichermediumbehälter auf den Reaktionsmediumbehälter übertragbar ist, wobei die Fluidführung eine Expansionsvorrichtung umfasst, mittels welcher ein erhöhter Druck und/oder eine erhöhte Temperatur des aus dem Reaktionsmediumbehälter abgeführten und dem Speichermediumbehälter zuzuführenden Reaktionsmediums zur Erzeugung von mechanischer Energie nutzbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung zur Speicherung und/oder Bereitstellung von Energie.
Beispielsweise zur Speicherung und/oder Bereitstellung von thermischer Energie kann ein thermochemischer Speicher verwendet werden. Ein solcher Speicher dient der Aufnahme eines Speichermediums, welches bei Kontakt mit einem Reaktionsmedium exotherm reagiert. Das Speichermedium ist dabei grundsätzlich beliebig lang und mit geringem Aufwand lagerbar. Zu einem gewünschten Zeitpunkt kann dann die gespeicherte thermische Energie einfach dadurch freigesetzt werden, dass das Reaktionsmedium zu dem Speichermedium zugeführt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energiespeichervorrichtung zur Speicherung und/oder Bereitstellung von Energie bereitzustellen, welche einfach aufgebaut ist und mittels welcher Energie effizient speicherbar und bereitstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Energiespeichervorrichtung zur Speicherung und/oder Bereitstellung von Energie gelöst, wobei die Energiespeichervorrichtung Folgendes umfasst:
einen Speichermediumbehälter zur Aufnahme eines Speichermediums, welches bei Kontakt mit einem Reaktionsmedium exotherm reagiert;
einen Reaktionsmediumbehälter zur Aufnahme des Reaktionsmediums;
eine Fluidführung mittels welcher Reaktionsmedium von dem Reaktionsmediumbehälter zu dem Speichermediumbehälter zuführbar ist;
einen Wärmeübertrager, mittels welchem Wärme von dem Speichermediumbehälter auf den Reaktionsmediumbehälter übertragbar ist,
wobei die Fluidführung eine Expansionsvorrichtung umfasst, mittels welcher ein erhöhter Druck und/oder eine erhöhte Temperatur des aus dem Reaktionsmediumbehälter abgeführten und dem Speichermediumbehälter zuzuführenden Reaktionsmediums zur Erzeugung von mechanischer Energie nutzbar sind.
Dadurch, dass die Energiespeichervorrichtung eine Expansionsvorrichtung zur Nutzung eines erhöhten Drucks und/oder einer erhöhten Temperatur umfasst, kann die Energiespeichervorrichtung besonders effizient genutzt werden. Insbesondere kann die in dem Speichermedium gespeicherte chemische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad in andere Energieformen umgewandelt werden.
Günstig kann es sein, wenn die Expansionsvorrichtung eine Turbine umfasst oder als Turbine ausgebildet ist. Mittels einer solchen Expansionsvorrichtung kann insbesondere eine Druckreduktion zwischen einer dem Reaktionsmediumbehälter zugewandten Seite der Expansionsvorrichtung und einer dem Speichermediumbehälter zugewandten Seite der Expansionsvorrichtung realisiert werden.
Günstig kann es sein, wenn die Expansionsvorrichtung mechanisch mit einem Generator gekoppelt oder koppelbar ist, so dass von der Expansionsvorrichtung bereitgestellte mechanische Energie mittels des Generators in elektrische Energie umwandelbar ist.
Mittels der Energiespeichervorrichtung ist somit vorzugsweise elektrische Energie bereitstellbar.
Die Expansionsvorrichtung und der Generator, insbesondere eine Turbine und der Generator, sind vorzugsweise auf einer gemeinsamen Welle angeordnet und/oder mittels eines Getriebes miteinander verbunden.
Günstig kann es sein, wenn die Energiespeichervorrichtung eine stationäre Energiespeichervorrichtung ist. Beispielsweise kann die Energiespeichervorrichtung in Verbindung mit Wärmekraftwerken und/oder Solarkraftwerken genutzt werden, insbesondere um überschüssige Wärme mittels des Speichermediums zu speichern und bei Bedarf in Form von Wärme, mechanischer Energie und/oder elektrischer Energie bereitzustellen.
Das Speichermedium und das Reaktionsmedium sind vorzugsweise so gewählt, dass diese bei Kontakt chemisch und/oder physikalisch miteinander reagieren. Hierunter ist insbesondere eine stoffliche Umwandlung des Speichermediums und/oder des Reaktionsmediums und/oder ein Anlagern oder Einlagern des Reaktionsmediums in das Speichermedium zu verstehen.
Das Speichermedium liegt bei Laborbedingungen vorzugsweise im festen Aggregatzustand vor. Laborbedingungen sind dabei vorzugsweise eine Temperatur von 20 °C und ein Druck von 1.013 mbar.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Speichermedium ein Metalloxid, beispielsweise Kalziumoxid (CaO), umfasst oder durch ein Metalloxid, beispielsweise Kalziumoxid (CaO), gebildet ist. Durch eine Reaktion mit dem Reaktionsmedium, beispielsweise Wasser, kann dann unter Wärmeabgabe Kalziumhydroxid (Ca(OH)₂) erhalten werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Reaktionsmedium bei Laborbedingungen im flüssigen Aggregatzustand oder im festen Aggregatzustand vorliegt.
Beispielsweise kann als Reaktionsmedium Wasser vorgesehen sein, welches insbesondere in einem regenerierten Ausgangszustand der Energiespeichervorrichtung im flüssigen Aggregatzustand vorliegt.
In einem regenerierten Ausgangszustand der Energiespeichervorrichtung liegen das Reaktionsmedium und das Speichermedium vorzugsweise bei Umgebungsbedingungen vor, das heißt, dass weder das Speichermedium noch das Reaktionsmedium eine gegenüber der Umgebung erhöhte Temperatur oder einen gegenüber der Umgebung erhöhten Druck aufweisen.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Reaktionsmedium und/oder das Speichermedium unter einem erhöhten Druck und/oder einer erhöhten Temperatur und/oder einer erniedrigten Temperatur gelagert werden.
Beispielsweise kann als Reaktionsmedium Kohlenstoffdioxid (CO₂) im festen oder gasförmigen Zustand gelagert werden. Ein solches Reaktionsmedium kann insbesondere mit Kalziumoxid (CaO) als Speichermedium verwendet werden. Durch eine Reaktion des Speichermediums mit dem Reaktionsmedium ist dann insbesondere Kalziumcarbonat (CaCO₃) erhältlich.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Energiespeichervorrichtung einen Wärmeübertrager umfasst, mittels welchem Wärme von dem Speichermediumbehälter auf eine von dem Reaktionsmediumbehälter verschiedene Wärmesenke übertragbar ist. Insbesondere ist vorzugsweise eine Überschusswärme, welche zum Erhitzen und/oder Verdampfen des Reaktionsmediums in dem Reaktionsmediumbehälter nicht erforderlich ist, anderweitig nutzbar, beispielsweise in Industrieprozessen oder zu Heizzwecken.
Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Verfahren zur Speicherung und/oder Bereitstellung von Energie.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bereitstellung von Energie zu schaffen, welches effizient durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Speicherung und/oder Bereitstellung von Energie gelöst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Zuführen von Reaktionsmedium aus einem Reaktionsmediumbehälter zu einem Speichermedium, wobei das Reaktionsmedium und das Speichermedium so gewählt sind, dass das Reaktionsmedium und das Speichermedium bei Kontakt exotherm miteinander reagieren;
Übertragen von zumindest einem Teil der Wärme, welche bei der Reaktion des Speichermediums mit dem Reaktionsmedium frei wird, auf das im Reaktionsmediumbehälter angeordnete Reaktionsmedium, wodurch sich Druck und/oder Temperatur des im Reaktionsmediumbehälter angeordneten Reaktionsmediums erhöhen;
Nutzung des erhöhten Drucks und/oder der erhöhten Temperatur des Reaktionsmediums zur Erzeugung von mechanischer Energie mittels einer Expansionsvorrichtung.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Ferner weist vorzugsweise die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung einzelne oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile auf, welche im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben werden.
Günstig kann es sein, wenn das Reaktionsmedium aus dem Reaktionsmediumbehälter abgeführt, durch die Expansionsvorrichtung hindurchgeführt und, insbesondere vollständig, einem Speichermediumbehälter, in welchem das Speichermedium angeordnet ist, zugeführt wird.
Vorzugsweise wird die gesamte aus dem Reaktionsmediumbehälter entnommene Menge des Reaktionsmediums dem Speicherbehälter zugeführt.
Das Speichermedium und/oder das Reaktionsmedium sind vorzugsweise in einem geschlossenen Kreislauf oder einem geschlossenen System angeordnet oder geführt. Vorzugsweise entweichen weder Reaktionsmedium noch Speichermedium beim Betrieb der Energiespeichervorrichtung in die Umwelt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Reaktionsmedium in dem Reaktionsmediumbehälter zunächst flüssig vorliegt, dann durch Zuführung von Wärme verdampft wird und gasförmig oder dampfförmig der Expansionsvorrichtung zugeführt wird.
Vorzugsweise wird von der Expansionsvorrichtung erzeugte mechanische Energie mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt.
Bei dem Verfahren zur Speicherung und/oder Bereitstellung von Energie wird somit insbesondere elektrische Energie gespeichert und/oder bereitgestellt.
Günstig kann es sein, wenn bei der Reaktion des Speichermediums mit dem Reaktionsmedium frei werdende Wärme auf eine von dem Reaktionsmediumbehälter verschiedene Wärmesenke übertragen wird.
Insbesondere wird die bei der Reaktion des Speichermediums mit dem Reaktionsmedium frei werdende Wärme einerseits mittels eines Wärmeübertragers auf den Reaktionsmediumbehälter übertragen, insbesondere um die Bereitstellung von Energie aufrechtzuerhalten. Insbesondere eine Wärmemenge, welche die zum Erhitzen des Reaktionsmediums erforderliche Wärmemenge übersteigt, wird vorzugsweise anderweitig verwendet, insbesondere auf eine von dem Reaktionsmediumbehälter verschiedene Wärmesenke übertragen. Hierdurch kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere thermische Energie bereitgestellt werden, beispielsweise zu Heizzwecken.
Ein durch Reaktion des Speichermediums mit dem Reaktionsmedium erhältliches Medium wird vorzugsweise durch Wärmezufuhr und/oder durch Druckreduktion regeneriert. Bei der Regeneration des durch Reaktion des Speichermediums mit dem Reaktionsmedium erhältlichen Mediums wird insbesondere eine chemische Rückreaktion oder eine sonstige stoffliche Trennung durchgeführt, so dass das Speichermedium einerseits und das Reaktionsmedium andererseits erhalten werden.
Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung eignet sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ferner können die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Verwendung einzelne oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen:
In einem Prozess überschüssige elektrische oder thermische Energie wird vorzugsweise zur Bereitstellung von Speichermedium und Reaktionsmedium in getrenntem Zustand genutzt, um die Energiespeichervorrichtung in einen regenerierten, das heißt zur Bereitstellung von Energie bereiten, Zustand zu bringen.
Das Speichermedium kann beispielsweise stationär, das heißt unbewegt, in einem Speichermediumbehälter aufgenommen sein.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Speichermedium bewegt, insbesondere gefördert, wird, insbesondere innerhalb eines Speichermediumbehälters oder zwischen zwei oder mehr Speichermediumbehältern.
Vorzugsweise ist ein Reaktionsbereich der Energiespeichervorrichtung vorgesehen, in welchem das Reaktionsmedium und das Speichermedium miteinander reagieren. Ein solcher Reaktionsbereich ist ein Speichermediumbehälter, wobei dieser Speichermediumbehälter nicht zwingend der permanenten Aufnahme des Speichermediums dient, sondern auch beispielsweise nur mit Speichermedium durchströmt sein kann.
Zum Fördern von Speichermedium kann beispielsweise eine Förderschnecke und/oder eine Rieselvorrichtung und/oder eine sonstige Transport- und Fördervorrichtung vorgesehen sein.
Das Speichermedium kann beispielsweise ein Metalloxid, ein Salz, Kalziumoxid, Magnesiumoxid, Silikagel, Zeolith und/oder ein sonstiges Material sein oder umfassen, welches mit anderen Materialien exotherm reagieren kann.
Ein Reaktionsmedium kann beispielsweise ein Alkohol, Ammoniak, Wasser, Kohlenstoffdioxid oder ähnliches sein, welches mit einem weiteren Stoff exotherm reagieren kann.
Vorzugsweise erfolgt durch die Zuführung von Wärme, welche bei der Reaktion des Reaktionsmediums mit dem Speichermedium frei wird, zu dem Reaktionsmediumbehälter eine derartige Temperaturerhöhung, dass das Reaktionsmedium in dem Reaktionsmediumbehälter zumindest teilweise einen Phasenwechsel durchläuft, beispielsweise verdampft wird.
Mittels der Energiespeichervorrichtung ist vorzugsweise Hochtemperaturwärme bereitstellbar, welche vorzugsweise über bekannte Wärme-Kraft-Prozesse vertstromt werden kann.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass bei der Verwendung von Kalziumoxid und Wasser als Speichermedium bzw. Reaktionsmedium Wärme auf einem Temperaturniveau von ungefähr 410 °C abgegeben wird.
Das Speichermedium und das Reaktionsmedium sind vorzugsweise so gewählt, dass bei der Reaktion derselben ein Temperaturniveau von mindestens ungefähr 300 °C, vorzugsweise mindestens ungefähr 400 °C, erreicht wird.
Insbesondere dann, wenn als Reaktionsmedium Wasser verwendet wird, kann vorgesehen sein, dass das Wasser in dem Reaktionsmediumbehälter verdampft und mit einem Druck von ungefähr 165 bar und/oder einer Temperatur von ungefähr 350 °C aus dem Reaktionsmediumbehälter abgeführt und der Expansionsvorrichtung zugeführt wird.
Nach Durchströmen der Expansionsvorrichtung weist der Wasserdampf vorzugsweise einen Druck von ungefähr 0,1 bar bei einer Temperatur von ungefähr 45 °C auf. Die bei dieser Expansion genutzte Energie ist mittels der Turbine der Expansionsvorrichtung und dem Generator in elektrische Energie umwandelbar.
Die bei der Reaktion des Speichermediums mit dem Reaktionsmedium frei werdende Wärme wird beispielsweise zu ungefähr 40 % zum Erhitzen des Reaktionsmediums genutzt, während die übrigen 60 % vorzugsweise zur Bereitstellung von Wärme für andere Prozesse zur Verfügung gestellt werden.
Die überschüssige Wärme kann beispielsweise in einem beliebigen Wärmekraftprozess, beispielsweise einem Clausius-Rankine-Kreisprozess oder einem Organic-Rankine-Cycle-Prozess genutzt werden.
Mittels der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung ist ein so genanntes saisonales "Peak-Shifting" realisierbar, um beispielsweise im Sommer erzeugte und nicht benötigte Energie, insbesondere Wärme und/oder elektrische Energie, zu speichern und im Winter bei Bedarf bereitzustellen.
Insbesondere in der kommunalen Energieversorgung, in der chemischen Industrie, in der metallverarbeitenden Industrie und/oder als Bestandteil einer dezentralen Energieversorgungsanlage kann die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung Anwendung finden.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer ersten Ausführungsform einer Energiespeichervorrichtung während der Bereitstellung von Energie;
2 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung der Energiespeichervorrichtung aus 1, wobei die Energiespeichervorrichtung regeneriert wird; und
3 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Energiespeichervorrichtung, bei welcher eine Fördervorrichtung zum Fördern von Speichermedium vorgesehen ist.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in den 1 und 2 dargestellte erste Ausführungsform einer als Ganzes mit 100 bezeichneten Energiespeichervorrichtung dient der Speicherung und Bereitstellung von Energie.
Insbesondere ist mittels der Energiespeichervorrichtung 100 Wärme (thermische Energie) und/oder elektrische Energie speicherbar und bereitstellbar.
Die Energiespeichervorrichtung 100 umfasst einen Speichermediumbehälter 102 zur Aufnahme eines Speichermediums 104 und einen Reaktionsmediumbehälter 106 zur Aufnahme eines Reaktionsmediums 108.
Der Speichermediumbehälter 102 und der Reaktionsmediumbehälter 106 sind mittels einer Fluidführung 110 fluidwirksam miteinander verbunden, insbesondere derart, dass Reaktionsmedium 108 aus dem Reaktionsmediumbehälter 106 über die Fluidführung 110 dem Speichermedium 104 in dem Speichermediumbehälter 102 zuführbar ist.
Das Speichermedium 104 und das Reaktionsmedium 108 sind so gewählt, dass diese bei einem direkten stofflichen Kontakt miteinander exotherm reagieren.
Das Speichermedium 104 ist beispielsweise Kalziumoxid (CaO). Das Reaktionsmedium 108 ist beispielsweise Wasser (H₂O).
Die Energiespeichervorrichtung 100 umfasst ferner einen Wärmeübertrager 112, mittels welchem der Speichermediumbehälter 102 und der Reaktionsmediumbehälter 106 thermisch miteinander gekoppelt sind.
Insbesondere ist Wärme, welche in dem Speichermediumbehälter 102 frei wird, wenn das Speichermedium 104 und das Reaktionsmedium 108 miteinander reagieren, mittels des Wärmeübertragers 112 auf den Reaktionsmediumbehälter 106 und das darin enthaltene Reaktionsmedium 108 übertragbar.
Das Reaktionsmedium 108 liegt in dem Reaktionsmediumbehälter 106 insbesondere in einem Ausgangszustand als Flüssigkeit 114 vor.
Unter Nutzung der bei der Reaktion des Speichermediums 104 mit dem Reaktionsmedium 108 frei werdenden Wärme kann das Reaktionsmedium 108 vorzugsweise verdampft werden, so dass zumindest ein Teil des in dem Reaktionsmediumbehälter 106 angeordneten Reaktionsmediums 108 als Gas 116 oder Dampf 118 vorliegt.
Insbesondere kann hierdurch eine Temperatur von ungefähr 350 °C und ein Druck von ungefähr 165 bar realisiert werden, mit welchem das Reaktionsmedium 108 über die Fluidführung 110 aus dem Reaktionsmediumbehälter 106 abführbar ist.
Zur gezielten Abführung von Reaktionsmedium 108 aus dem Reaktionsmediumbehälter 106 ist beispielsweise ein Ventil 120 der Energiespeichervorrichtung 100 vorgesehen.
Die Fluidführung 110 kann eine direkte Zuführung des Reaktionsmediums 108 zu dem Speichermediumbehälter 102 ermöglichen.
Bei der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung 100 ist hingegen vorgesehen, dass die Energiespeichervorrichtung 100 eine Expansionsvorrichtung 122 umfasst, welche in der Fluidführung 110 angeordnet ist.
Die Expansionsvorrichtung 122 dient insbesondere der Druckreduktion des durch die Fluidführung 110 geführten Reaktionsmediums 108.
Die Expansionsvorrichtung 122 ist hierzu beispielsweise als Turbine 124 ausgebildet.
Die Fluidführung 110 kann somit einerseits in eine Hochdruckleitung 126 und andererseits in eine Niederdruckleitung 128 unterteilt werden.
Die Hochdruckleitung 126 ist zwischen dem Reaktionsmediumbehälter 106 und der Expansionsvorrichtung 122 angeordnet.
Die Niederdruckleitung 128 ist zwischen der Expansionsvorrichtung 122 und dem Speichermediumbehälter 102 angeordnet.
Durch geeignete Wahl des Speichermediums 104 und des Reaktionsmediums 108 kann es möglich sein, dass die gewünschte exotherme Reaktion der beiden Medien keine erhöhte Temperatur und keinen erhöhten Druck benötigt. Vielmehr findet die exotherme Reaktion vorzugsweise auch dann statt, wenn das Reaktionsmedium 108 mit geringem Druck und geringer Temperatur zu dem Speichermedium 104 zugeführt wird.
Der hohe Druck und die hohe Temperatur des Reaktionsmediums 108, welche durch Erhitzen des im Reaktionsmediumbehälter 106 angeordneten Reaktionsmediums 108 erhältlich sind, sind für die Reaktion mit dem Speichermedium 108 vorzugsweise unerheblich und können daher bevorzugt zur anderweitigen Energiebereitstellung genutzt werden.
Dies erfolgt mittels der Expansionsvorrichtung 122.
Mittels der Expansionsvorrichtung 122 ist vorzugsweise die erhöhte Temperatur und/oder der erhöhte Druck des Reaktionsmediums 108 in mechanische Energie umwandelbar.
Diese mechanische Energie ist insbesondere mittels einer Welle 130 auf einen Generator 132 der Energiespeichervorrichtung 100 übertragbar.
Der Generator 132 dient schließlich der Erzeugung von elektrischer Energie unter Nutzung der bereitgestellten mechanischen Energie.
Mittels der Expansionsvorrichtung 122 und des Generators 132 kann somit die erhöhte Temperatur und/oder der erhöhte Druck des Reaktionsmediums 108 zur Bereitstellung von elektrischer Energie genutzt werden.
Die Energiespeichervorrichtung 100 umfasst vorzugsweise ferner einen Wärmeübertrager 134, mittels welchem Wärme, welche bei der Reaktion des Speichermediums 104 mit dem Reaktionsmedium 108 frei wird, anderweitig nutzbar, beispielsweise einer separaten Wärmesenke 136 zuführbar, ist.
Die vorliegend beschriebene Energiespeichervorrichtung 100 funktioniert wie folgt:
In dem in 1 dargestellten Ausgangszustand der Energiespeichervorrichtung 100 liegen das Speichermedium 104 und das Reaktionsmedium 108 in einem getrennten oder regenerierten Zustand vor. In diesem Zustand ist insbesondere das Speichermedium 104 in dem Speichermediumbehälter 102 angeordnet und somit getrennt von dem im Reaktionsmediumbehälter 106 angeordneten Reaktionsmedium 108.
Die Energiespeichervorrichtung 100 ist somit zur Bereitstellung von Energie vorbereitet.
Die Energiebereitstellung wird initiiert durch Zuführung von Reaktionsmedium 108 zu dem Speichermedium 104. Dabei reagieren das Speichermedium 104 und das Reaktionsmedium 108 miteinander, wobei Wärme frei wird. Diese Wärme wird mittels des Wärmeübertragers 112 von dem Speichermediumbehälter 102 auf den Reaktionsmediumbehälter 106 übertragen, so dass letztlich das in dem Reaktionsmediumbehälter 106 angeordnete Reaktionsmedium 108 erhitzt wird.
Insbesondere wird das Reaktionsmedium 108 in dem Reaktionsmediumbehälter 106 so stark erhitzt, dass zumindest ein Teil des Reaktionsmediums 108 verdampft und somit als Gas 116 oder Dampf 118 vorliegt.
Über das Ventil 120 wird das Reaktionsmedium 108 aus dem Reaktionsmediumbehälter 106 abgeführt. Das Reaktionsmedium 108 weist dabei beispielsweise einen Druck von 165 bar und eine Temperatur von 350 °C auf. Mittels der Expansionsvorrichtung 122 werden der erhöhte Druck und die erhöhte Temperatur des Reaktionsmediums 108 genutzt, um mechanische Energie zu erzeugen und damit letztlich den Generator 132 anzutreiben.
Das mittels der Expansionsvorrichtung 122 entspannte Reaktionsmedium 108 wird beispielsweise mit einem Druck von 0,1 bar und einer Temperatur von ungefähr 45 °C dem Speichermedium 104 im Speichermediumbehälter 102 zugeführt.
Das Speichermedium 104 und das Reaktionsmedium 108 sind beispielsweise so gewählt, dass die bei der Reaktion der beiden Medien frei werdende Wärme teilweise zum Erhitzen des Reaktionsmediums 108 im Reaktionsmediumbehälter 106 genutzt wird und teilweise zur anderweitigen Nutzung einer anderen Wärmesenke 136 zur Verfügung gestellt wird.
Mittels der Energiespeichervorrichtung 100 ist somit einerseits elektrische Energie und andererseits Wärme bereitstellbar, insbesondere unabhängig von einem Zeitpunkt, zu welchem die bereitgestellte Energie zuvor in der Energiespeichervorrichtung 100 gespeichert wurde.
Eine solche Energiespeicherung ist beispielsweise in 2 angedeutet.
Hierbei ist eine Wärmequelle 138 der Energiespeichervorrichtung 100 vorgesehen.
Mittels einer solchen Wärmequelle 138 kann insbesondere ein im Speichermediumbehälter 102 angeordnetes Medium erhitzt werden, welches erhältlich ist, wenn das Speichermedium 104 mit dem Reaktionsmedium 108 reagiert hat.
Beispielsweise kann dieses Medium Kalziumhydroxid (Ca(OH)₂) sein, welches durch Zuführung von Wärme mittels der Wärmequelle 138 erhitzbar ist, um letztlich Wasser abzuspalten und aus dem Speichermediumbehälter 102 abzuführen.
Dieses Wasser ist insbesondere in dem Reaktionsmediumbehälter 106 kondensierbar, so dass nach erfolgter Regeneration in dem Speichermediumbehälter 102 lediglich noch Speichermedium 104, beispielsweise Kalziumoxid (CaO), und in dem Reaktionsmediumbehälter 106 nur noch Reaktionsmedium 108, beispielsweise Wasser, vorliegen.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Medium, welches durch Reaktion des Speichermediums 104 mit dem Reaktionsmedium 108 erhältlich ist, lediglich zur Bereitstellung von Speichermedium 104 erhitzt wird und dass das dabei frei werdende Reaktionsmedium 108 ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird.
Der Reaktionsmediumbehälter 106 wird dann beispielsweise mit frischem Reaktionsmedium 108, insbesondere Wasser, gefüllt, um die Energiespeichervorrichtung 100 erneut in den in 1 dargestellten Ausgangszustand zu bringen.
Bei der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung 100 bildet der Speichermediumbehälter 102 einen Reaktionsbereich 140, in welchem das Speichermedium 104 und das Reaktionsmedium 108 miteinander reagieren. Das Speichermedium 104 ist dabei vorzugsweise vollständig in dem Speichermediumbehälter 102 angeordnet.
Eine in 3 dargestellte zweite Ausführungsform einer Energiespeichervorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Energiespeichervorrichtung 100 mehrere Speichermediumbehälter 102 umfasst, welche insbesondere mittels einer Fördervorrichtung 142 miteinander verbunden sind.
Mittels dieser Fördervorrichtung 142 kann das Speichermedium 104 von dem einen Speichermediumbehälter 102 zu dem weiteren Speichermediumbehälter 102 und umgekehrt gefördert werden.
Insbesondere ist mittels der Fördervorrichtung 142 ein Kreislauf 144 für das Speichermedium 104 gebildet.
Ein Speichermediumbehälter 102 kann dabei beispielsweise den Reaktionsbereich 140 bilden, während ein weiterer Speichermediumbehälter 102 beispielsweise einen Regenerationsbereich 146 bildet.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Fördervorrichtung 142 lediglich der Trennung eines eigentlichen Speicherbereichs oder Lagerbereichs für das Speichermedium 104 von dem Reaktionsbereich 140 dient.
Ferner kann jedoch auch vorgesehen sein, dass mittels der Fördervorrichtung 142 ein kontinuierlicher Reaktions- und Regenerationsbetrieb der Energiespeichervorrichtung 100 realisierbar ist. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass das Speichermedium 104 in dem Reaktionsbereich 140 mit dem Reaktionsmedium 108 reagiert, das dabei erhältliche Medium dann mittels der Fördervorrichtung 142 dem Regenerationsbereich 146 zugeführt und dort regeneriert wird, insbesondere durch Zufuhr von Wärme aus der Wärmequelle 138.
Das in dem Regenerationsbereich 146 erhaltene Speichermedium 104 wird dann mittels der Fördervorrichtung 142 erneut dem Reaktionsbereich 140 zugeführt.
Insbesondere dann, wenn die Reaktion des Speichermediums 104 einerseits und die Regeneration zur Herstellung des Speichermediums 104 andererseits auf unterschiedlichen Temperaturniveaus stattfinden, können hierdurch eine effiziente Energienutzung und eine effiziente Energiebereitstellung realisiert werden.
Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte zweite Ausführungsform einer Energiespeichervorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Bezugszeichenliste

100: Energiespeichervorrichtung
102: Speichermediumbehälter
104: Speichermedium
106: Reaktionsmediumbehälter
108: Reaktionsmedium
110: Fluidführung
112: Wärmeübertrager
114: Flüssigkeit
116: Gas
118: Dampf
120: Ventil
122: Expansionsvorrichtung
124: Turbine
126: Hochdruckleitung
128: Niederdruckleitung
130: Welle
132: Generator
134: Wärmeübertrager
136: Wärmesenke
138: Wärmequelle
140: Reaktionsbereich
142: Fördervorrichtung
144: Kreislauf
146: Regenerationsbereich

Claims

Energiespeichervorrichtung (100) zur Speicherung und/oder Bereitstellung von Energie, umfassend: – einen Speichermediumbehälter (102) zur Aufnahme eines Speichermediums (104), welches bei Kontakt mit einem Reaktionsmedium (108) exotherm reagiert; – einen Reaktionsmediumbehälter (106) zur Aufnahme des Reaktionsmediums (108); – eine Fluidführung (110), mittels welcher Reaktionsmedium (108) von dem Reaktionsmediumbehälter (106) zu dem Speichermediumbehälter (102) zuführbar ist; – einen Wärmeübertrager (134), mittels welchem Wärme von dem Speichermediumbehälter (102) auf den Reaktionsmediumbehälter (106) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidführung (110) eine Expansionsvorrichtung (122) umfasst, mittels welcher ein erhöhter Druck und/oder eine erhöhte Temperatur des aus dem Reaktionsmediumbehälter (106) abgeführten und dem Speichermediumbehälter (102) zuzuführenden Reaktionsmediums (108) zur Erzeugung von mechanischer Energie nutzbar sind.
Energiespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsvorrichtung (122) eine Turbine (124) umfasst oder als Turbine (124) ausgebildet ist.
Energiespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsvorrichtung (122) mechanisch mit einem Generator (132) gekoppelt oder koppelbar ist, so dass von der Expansionsvorrichtung (122) bereitgestellte mechanische Energie mittels des Generators (132) in elektrische Energie umwandelbar ist.
Energiespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichervorrichtung (100) eine stationäre Energiespeichervorrichtung (100) ist.
Energiespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (104) und das Reaktionsmedium (108) so gewählt sind, dass diese bei Kontakt chemisch und/oder physikalisch miteinander reagieren.
Energiespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (104) bei Laborbedingungen im festen Aggregatzustand vorliegt.
Energiespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsmedium (108) bei Laborbedingungen im flüssigen Aggregatzustand oder im festen Aggregatzustand vorliegt.
Energiespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichervorrichtung (100) einen Wärmeübertrager (134) umfasst, mittels welchem Wärme von dem Speichermediumbehälter (102) auf eine von dem Reaktionsmediumbehälter (106) verschiedene Wärmesenke (136) übertragbar ist.
Verfahren zur Speicherung und/oder Bereitstellung von Energie, umfassend: – Zuführen von Reaktionsmedium (108) aus einem Reaktionsmediumbehälter (106) zu einem Speichermedium (104), wobei das Reaktionsmedium (108) und das Speichermedium (104) so gewählt sind, dass das Reaktionsmedium (108) und das Speichermedium (104) bei Kontakt exotherm miteinander reagieren; – Übertragen von zumindest einem Teil der Wärme, welche bei der Reaktion des Speichermediums (104) mit dem Reaktionsmedium (108) frei wird, auf das im Reaktionsmediumbehälter (106) angeordnete Reaktionsmedium (108), wodurch sich Druck und/oder Temperatur des im Reaktionsmediumbehälter (106) angeordneten Reaktionsmediums (108) erhöhen; – Nutzung des erhöhten Drucks und/oder der erhöhten Temperatur des Reaktionsmediums (108) zur Erzeugung von mechanischer Energie mittels einer Expansionsvorrichtung (122).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsmedium (108) aus dem Reaktionsmediumbehälter (106) abgeführt, durch die Expansionsvorrichtung (122) hindurchgeführt und, insbesondere vollständig, einem Speichermediumbehälter (102), in welchem das Speichermedium (104) angeordnet ist, zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsmedium (108) in dem Reaktionsmediumbehälter (106) zunächst flüssig vorliegt, dann durch Zuführung von Wärme verdampft wird und gasförmig oder dampfförmig der Expansionsvorrichtung (122) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass von der Expansionsvorrichtung (122) erzeugte mechanische Energie mittels eines Generators (132) in elektrische Energie umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Reaktion des Speichermediums (104) mit dem Reaktionsmedium (108) frei werdende Wärme auf eine von dem Reaktionsmediumbehälter (106) verschiedene Wärmesenke (136) übertragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch Reaktion des Speichermediums (104) mit dem Reaktionsmedium (108) erhältliches Medium durch Wärmezufuhr und/oder Druckreduktion regeneriert wird.
Verwendung einer Energiespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 14.