DE102015120384B4

DE102015120384B4 - Speichereinrichtung und Verfahren zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids

Info

Publication number: DE102015120384B4
Application number: DE102015120384.7A
Authority: DE
Inventors: Marcus Budt; Lucian-George Hanu; Tobias Kappels
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Ruhr Universitaet Bochum
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Ruhr Universitaet Bochum
Priority date: 2015-11-25
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2022-08-04
Anticipated expiration: 2035-11-26
Also published as: WO2017089089A1; WO2017089089A9; DE102015120384A1; EP3380773A1

Abstract

Kissen (1) zur isobaren Speicherung eines das Kissen (1) umgebenden Speicherfluids (2) in einem Speicherbehälter (12,16), mit einer geschlossenen und wenigstens teilweise flexibel ausgebildeten Hülle (3), wobei in der Hülle (3) wenigstens ein zwischen -200°C und 200°C sowie zwischen 0 bar und 300 bar kondensierendes Kissengas (4) vorgesehen ist und wobei in der Hülle (3) wenigstens ein wenigstens teilweise in fester Phase vorliegendes, zwischen -200°C und 200°C sowie zwischen 0 bar und 300 bar schmelzendes Phasenwechselmaterial (PCM - Phase Change Material) (5) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Speichereinrichtung mit wenigstens einem Speicherbehälter zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids mit einem Kissen und/oder einem Kissenelement. Ferner betrifft die Erfindung ein solches Kissen sowie ein solches Kissenelement. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der genannten Speichereinrichtung.
Die bekannten Speichereinrichtungen finden beispielsweise Anwendung als Druckluftspeicher in einem industriellen Druckluftnetz oder als Energiespeicher zur Speicherung von Energie in Form von unter hohem Druck stehender Luft. Bei einfach ausgebildeten Speichereinrichtungen sinkt der Druck, mit dem das Speicherfluid in der Speichereinrichtung gespeichert ist in dem Maße, wie das Speicherfluid aus der Speichereinrichtung entnommen wird. Entsprechende Speichereinrichtungen weisen dabei Speicherbehälter auf, die lediglich das Speichervolumen zur Speicherung des Speicherfluids bereitstellen. Sofern die Nutzung des gespeicherten Speicherfluids auf einem bestimmten Druckniveau erfolgen soll, kann entweder nur ein geringer Teil des gespeicherten Speicherfluids genutzt werden oder es muss das Speicherfluid auf einem sehr viel höheren Druckniveau im Speicherbehälter bereitgehalten werden, um die gewünschte Menge an Speicherfluid mit dem gewünschten Druck der Speichereinrichtung entnehmen zu können.
Diese Umstände sind insbesondere deshalb von technischer Bedeutung, weil die Speicherbehälter zur Speicherung von Speichermedien unter sehr hohem Druck aus technischen, genehmigungsrechtlichen oder Platzgründen nicht ohne Weiteres in beliebiger Größe bereitgestellt werden können. Um diesen Nachteil zu beheben, sind bereits verschiedene Speichereinrichtungen vorgeschlagen worden, die zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids eingesetzt werden können. Diese Speichereinrichtungen weisen Speicherbehälter auf, deren Volumen in wenigstens zwei Teilvolumen unterteilt ist, wobei in einem Teilvolumen das Speicherfluid gespeichert wird, während in einem anderen Teilvolumen ein teilweise kondensiertes Gas vorgesehen ist. Die Teilvolumen kommunizieren derart, dass sich das Verhältnis beider Volumen während des Befüllens des Speicherbehälters und des Entnehmens von Speicherfluid verändert. Die jeweilige Volumenabnahme des einen Teilvolumens wird durch eine Volumenzunahme des jeweils anderen Teilvolumens ausgeglichen. Mit zunehmender Menge an gespeichertem Speicherfluid im einen Teilvolumen kondensiert im anderen Teilvolumen immer mehr des kondensierbaren Gases, wobei sich das Volumen des entsprechenden Teilvolumens zugunsten des Teilvolumens für das Speicherfluid verringert. Wird Speicherfluid entnommen, kehrt sich dieser Prozess um und es verdampft zunehmend Kondensat, so dass das entsprechende Teilvolumen in dem Maße ansteigt, in dem das Teilvolumen des Speicherfluids sinkt.
Bei konstanter Temperatur erfolgen das Kondensieren und das Verdampfen ohne eine Druckänderung, weshalb das Speicherfluid bei konstantem Druck gespeichert und wieder aus dem Speicherbehälter entnommen werden kann, und zwar bedarfsweise vollständig. Das Druckniveau ist dabei festgelegt durch den Dampfdruck des kondensierbaren Gases, der abhängig ist von der jeweiligen Temperatur. Dementsprechend kommt der Wahl eines geeigneten kondensierbaren Gases für die isobare Speicherung eines Speicherfluids eine besondere Bedeutung zu. Um die Speichereinrichtung in einem größeren Temperaturbereich betreiben zu können, ist zudem bereits die Verwendung eines Gasgemisches vorgeschlagen worden, wobei die Gase des Gasgemisches auf dem Druckniveau der beabsichtigten Speicherung des Speicherfluids ähnliche Siedetemperaturen aufweisen.
Nachteilig an den Speichereinrichtungen zur isobaren Speicherung von Speicherfluiden ist der Einfluss der Temperatur auf das Druckniveau des Speicherbehälters und der konstruktive Aufwand des Speicherbehälters. Im Speicherbehälter müssen nämlich das Speicherfluid und das kondensierbare Gas getrennt voneinander aufgenommen werden können, und zwar so, dass ein Medium die Volumenänderung des jeweils anderen Mediums ausgleichen kann. Es muss also in dem Speicherbehälter eine Art Kolben oder eine flexible Trennwand vorgesehen sein, die sehr große Volumenverschiebungen zwischen den Medien ermöglichen.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Speichereinrichtung und das Verfahren jeweils der eingangs genannten und zuvor näher beschriebenen Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass Speicherfluide einfacher und kostengünstiger auf zuverlässige Art und Weise isobar gespeichert werden können.
Diese Aufgabe ist gemäß Anspruch 1 durch ein Kissen zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids in einem Speicherbehälter gelöst, wobei das Kissen eine geschlossene und wenigstens teilweise flexibel ausgebildete Hülle aufweist, wobei in der Hülle wenigstens ein zwischen -200°C und 200°C sowie zwischen 0 bar und 300 bar kondensierendes Kissengas vorgesehen ist und wobei in der Hülle wenigstens ein wenigstens teilweise in fester Phase vorliegendes, zwischen -200°C und 200°C sowie zwischen 0 bar und 300 bar schmelzendes Phasenwechselmaterial (PCM- Phase Change Material) vorgesehen ist.
Ferner ist die zuvor genannte Aufgabe gemäß Anspruch 11 durch ein Kissenelement zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids in einem Speicherbehälter mit einem Kissen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 gelöst, wobei das Kissen umgeben ist von einem stabilen und gasdurchlässigen äußeren Skelett und wobei das Kissen dazu ausgebildet ist, sich bei wenigstens einer bestimmten Kombination von Temperatur und Druck von innen an das Skelett anzulehnen.
Zudem ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bei einer Speichereinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 14 dadurch gelöst, dass wenigstens ein Kissen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder dass wenigstens ein Kissenelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13 in dem Speicherbehälter vorgesehen ist.
Letztlich ist die eingangs genannte Aufgabe der Erfindung auch gemäß Anspruch 17 durch ein Verfahren zur Herstellung einer Speichereinrichtung, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 14 bis 16, zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids gelöst, bei dem wenigstens ein Kissen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder wenigstens ein Kissenelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13 in wenigstens einen Speicherbehälter eingebracht werden.
Die Erfindung hat erkannt, dass eine hohe Temperaturkonstanz in besonders einfacher und zweckdienlicher Weise durch die Verwendung eines Phasenwechselmaterials (PCM - Phase Change Material) erreicht werden kann, das zusammen mit dem kondensierbaren Gas, dem sogenannten Kissengas, in einem Kissen umfassend eine wenigstens teilweise flexible Hülle bereitgehalten wird.
Unter dem Kissengas wird vorliegend insbesondere die Verbindung oder die Mehrzahl von Verbindungen angesehen, die wenigstens in einem Betriebszustand der Speichereinrichtung sowohl gasförmig als auch kondensiert, also flüssig, vorliegen und dabei in einem thermodynamischen Gleichgewicht miteinander stehen. Mit anderen Worten bilden der gasförmige Teil des Kissengases und der kondensierte Teil des Kissengases eine gemeinsame Phasengrenzfläche aus. Dementsprechend ist das Kissengas nicht auf einen Stoff beschränkt, der auch tatsächlich als Gas vorliegt. Der Begriff Kissengas ist jedoch deshalb angebracht, weil die wenigstens eine Verbindung des Kissengases unter gewöhnlichen Umgebungsbedingungen, beispielsweise bei 1 bar und 20°C, gasförmig vorliegt. Entsprechende Verbindungen werden gemeinhin als Gas bezeichnet. Daher wird im Folgenden der besseren Verständlichkeit wegen und zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen an dem Begriff des Kissengases festgehalten und dort, wo dies erforderlich ist, explizit oder durch den Kontext zum Ausdruck gebracht, ob von dem kondensierten, also flüssigen, Teil des Kissengases oder dem gasförmigen Kissengas die Rede ist.
Wird Speicherfluid in den Speicherbehälter der Speichereinrichtung gepumpt, kondensiert das Kissengas teilweise, um das für die Aufnahme des Speicherfluids benötigte Volumen freizugeben. Bei diesem Vorgang wird Kondensationswärme frei, die zu einer Temperaturerhöhung, insbesondere des Kissengases, führt, sofern diese Wärme nicht abgeführt werden kann. Wird Speicherfluid aus dem Speicherbehälter entnommen, verdampft das teilweise kondensierte Kissengas, um das freiwerdende Volumen auszufüllen. Dabei wird von dem Kissengas Verdunstungswärme aufgenommen, die in Ermangelung einer Wärmequelle dem Speicherbehälter, insbesondere dem Kissengas, entzogen werden kann. Dies geht dann einher mit einer Temperaturabsenkung, insbesondere des Kissengases.
Um entsprechende Temperaturschwankungen beim Befüllen und Entleeren des Speicherbehälters zu vermeiden, wird die Kondensationswärme vom Phasenwechselmaterial (PCM) beim Beladen des Speicherbehälters aufgenommen und beim Entnehmen von Speicherfluid aus dem Speicherbehälter wieder als Verdunstungswärme an das Kissengas abgegeben. Das Phasenwechselmaterial dient letztlich als Wärmespeicher, wobei die Wärme durch teilweisen Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials gespeichert wird. Analog zum Kissengas wird nämlich beim Schmelzen des Phasenwechselmaterials Wärme aufgenommen und so lange gespeichert, bis die Energie beim Erstarren wieder abgegeben wird. Dabei erfolgt das Schmelzen und Erstarren bei wenigstens nahezu konstanter Temperatur, so dass die Wärmeaufnahme und die Wärmeabgabe nicht zu einer Temperaturverschiebung führen. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung des Phasenwechselmaterials liegt darin, dass die Schmelztemperatur bzw. die Erstarrungstemperatur deutlich weniger druckabhängig ist als die Siedetemperatur des Kissengases. Das Phasenwechselmaterial sorgt also nicht nur für eine Verringerung von Temperaturschwankungen, sondern auch dafür, dass das Kissengas eine bestimmte Temperatur aufweist und dass somit letztlich der Speicherbehälter auf dem vorbestimmten Druckniveau betrieben wird. Das Druckniveau kann oberhalb oder unterhalb eines Referenzdrucks, beispielsweise in einer Anlage, etwa einem Umgebungsdruck von 1 bar, liegen. Es ist also möglich, das Speicherfluid unter Überdruck oder Unterdruck zu speichern. Daher wird Speicherfluid entweder in den Speicherbehälter gedrückt oder in den Speicherbehälter gesogen. Da in beiden Fällen der Druck des Speicherbehälters wenigstens im Wesentlichen konstant bleibt, kann also bedarfsweise ein Vakuum aufrechterhalten bzw. gespeichert werden. Das Vakuum wird dann bedarfsweise sowohl außerhalb als auch innerhalb des Speicherbehälters aufrechterhalten.
Phasenwechselmaterialien (PCM - Phase Change Material) sind grundsätzlich aus anderen Anwendungen bekannt. Es handelt sich um für den Anwendungsfall hinreichend stabile Materialien mit einer recht hohen Phasenwechselenthalpie für den Phasenwechsel von fest nach flüssig und zurück, deren Schmelztemperatur im Temperaturniveau industrieller Prozesse liegt. Wenn das Kissengas und das Phasenwechselmaterial so aufeinander abgestimmt werden, dass sie auf dem beabsichtigten Druckniveau des Speicherbehälters eine ähnliche, wenn nicht gar gleiche, Siedetemperatur bzw. Schmelztemperatur aufweisen, kann der Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials und der Phasenwechsel des Kissengases eine isobare Speicherung von Speicherfluid bei konstanter Temperatur gewährleisten. Da die Speicherung von Speicherfluid typischerweise in einem Temperaturintervall zwischen -200 °C und 200 °C und in einem Druckintervall zwischen 0 bar und 300 bar vorgesehen ist, sollten auch das Kissengas und das Phasenwechselmaterial in diesem Temperatur- und Druckbereich einen einfachen Phasenwechsel vornehmen. Die Temperatur und damit der Druck im Speicherbehälter wird dabei insbesondere durch die Schmelztemperatur bzw. Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials festgelegt. Das Kissengas wird eine gleiche oder vorzugsweise wenigstens recht ähnliche Temperatur aufweisen, welche den Dampfdruck des gasförmigen Teils des Kissengases und damit den Druck des Speicherfluids festlegt.
Vorliegend wird unter einer isobaren Speicherung von Speicherfluid eine wenigstens im Wesentlichen isobare Speicherung von Speicherfluid angesehen. Bei den relevanten industriellen Prozessen, für die die isobare Speicherung von Speicherfluid besonders bevorzugt ist, kommt es in der Regel nicht auf eine absolut isobare Speicherung des Speicherfluids an. Beim Befüllen und beim Entleeren des wenigstens einen Speicherbehälters einer Speichereinrichtung treten typischerweise ohnehin Druckverluste auf, die eine nennenswerte Größenordnung aufweisen können. Außerdem können oftmals auch geringe Temperaturschwankungen des Speicherfluids nicht ausgeschlossen werden, die zu einer Veränderung des Drucks im Speicherbehälter führen. Anders ausgedrückt ist es nicht entscheidend, dass der Druck im wenigstens einen Speicherbehälter beim Befüllen und beim Entleeren exakt konstant ist, sondern vielmehr etwa auf einem Druckniveau verbleibt.
Die Erfindung hat weiterhin erkannt, dass es zu einer konstruktiven Vereinfachung der Speichereinrichtung führt, wenn das kondensierte Kissengas und das Phasenwechselmaterial (PCM) gemeinsam in einer wenigstens teilweise flexiblen Hülle eines Kissens eingebracht sind. Auf diese Weise wird ein guter Wärmetransport zwischen Kissengas und dem Phasenwechselmaterial bereitgestellt, so dass auch größere Wärmemengen schnell zwischen dem Kissengas und dem Phasenwechselmaterial ausgetauscht werden können. Dies kann indirekt erfolgen, wenn das Kissengas weder in kondensierter Form noch gasförmig in direktem Kontakt zum Phasenwechselmaterial steht. Bevorzugt ist es jedoch, wenn das Phasenwechselmaterial und das Kissengas in direktem Kontakt zueinander stehen, was den Wärmeübergang beschleunigt. Ein guter Wärmetransport zwischen dem Kissengas und dem Phasenwechselmaterial sorgt dafür, dass sich die Temperatur des Kissengases beim Befüllen oder beim Entleeren nicht oder jedenfalls nur geringfügig ändert. Vor diesem Hintergrund kann es zweckmäßig sein, wenn das Phasenwechselmaterial wenigstens teilweise vom Kissengas umgeben ist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kissens beruht darin, dass das Kissen separat handhabbar ist und somit ohne eine konstruktive Änderung üblicher Speicherbehälter in diese eingebracht werden kann. Dies ist vorteilhaft für zu fertigende Speicherbehälter, aber insbesondere auch für das Nachrüsten bereits bestehender und gegebenenfalls betriebener Speicherbehälter zur isobaren Speicherung von Speicherfluid. Entsprechende Kissen können in beiden Fällen einfach und kostengünstig eingesetzt werden. Es ist lediglich erforderlich die Kissen in die entsprechenden Speicherbehälter einzubringen. Eine Verankerung darin oder eine Verbindung mit bestimmten Einrichtungen des Speicherbehälters ist entbehrlich. Dabei kann bedarfsweise nur ein Kissen in einen Speicherbehälter eingebracht werden, wobei das Kissen dann vorzugsweise eine solche Größe aufweist, um eine ausreichende Volumenverschiebung zwischen dem Kissengas und dem Speicherfluid zu ermöglichen. Alternativ können aber auch mehrere Kissen, insbesondere eine Vielzahl von Kissen in einen Speicherbehälter eingebracht werden. Die Verwendung von vielen Kissen bietet sich insbesondere bei größeren Speicherbehältern an. Dies gilt insbesondere beim Nachrüsten von Speicherbehältern, da die für das Einbringen der Kissen zur Verfügung stehenden Öffnungen typischerweise einen begrenzten Querschnitt aufweisen. Hierfür kommen etwa Inspektionsöffnungen, wie beispielsweise Mannlöcher oder Handlöcher, in Frage.
Die wenigstens teilweise flexibel ausgebildete Hülle des Kissens sorgt dafür, dass das Kissen unterschiedliche Volumen einnehmen kann, je nach Füllzustand und Druckniveau des Speicherbehälters. Da der Druck des im Speicherbehälter gespeicherten Speicherfluids typischerweise dem Innendruck des Kissens bzw. dem Druck des Kissengases entspricht, muss die Hülle lediglich teilweise flexibel ausgebildet sein. Eine elastische Hülle im Sinne eines sich ausdehnenden und sich wieder zusammenziehenden Ballons ist nicht erforderlich. Allerdings kann eine gewisse Elastizität wenigstens von Teilen des Materials der Hülle zweckdienlich sein, damit langlebige Hüllen bereitgestellt werden können, deren Material beispielsweise nicht zu Rissbildung neigt. Die Elastizität der Hülle soll also in erster Linie dafür sorgen, dass sich die Hülle infolge von Volumenänderung des Kissengases leicht verformen kann. Die Volumenänderung muss jedoch nicht durch die Elastizität, also durch das Ausdehnen oder Zusammenziehen des Materials der Hülle bereitgestellt werden.
Wenn das Druckgleichgewicht zwischen dem Speicherfluid und dem Kissengas wegfällt, etwa wenn der Speicherbehälter vollständig entspannt ist, also während der äußere Umgebungsdruck etwa 1 bar beträgt, oder während die Kissen in den Speicherbehälter eingebracht werden, kann das Kissen unter einem erheblichen inneren Überdruck stehen. Um dennoch ein Bersten des Kissens zu vermeiden, kann bei einem Kissenelement neben dem Kissen ein das Kissen umgebendes, formstabiles und gasdurchlässiges äußeres Skelett vorgesehen sein. Die Gasdurchlässigkeit des äußeren Skeletts sorgt dabei dafür, dass im Betriebszustand der Druck des Speicherfluids auf die Hülle des Kissens einwirkt. Des Weiteren ist das Skelett derartig auf das darin aufgenommene Kissen abgestimmt, dass sich das Kissen wenigstens für eine bestimmte Temperatur bei einem bestimmten Druck, insbesondere bei Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur, wie beispielsweise 20°C und 1 bar, von innen an das Skelett anlehnt. Nur dann können über das Skelett die Druckkräfte vom Inneren der Hülle auf das Skelett abgeleitet werden. Daher kann es zweckmäßig sein, wenn das maximale Volumen des Kissens bzw. der Hülle größer ist als das von dem äußeren Skelett umschlossene Volumen.
Nachfolgend werden das Kissen, das Kissenelement, die Speichereinrichtung und das Verfahren zur Herstellung einer Speichereinrichtung gemeinsam beschrieben, ohne jeweils im Einzelnen zwischen der jeweiligen Vorrichtung und/oder dem Verfahren zu unterscheiden. Dadurch wird eine bessere Verständlichkeit erreicht und werden unnötige Wiederholungen vermieden. Für den Fachmann ist dabei aus dem jeweiligen Kontext ersichtlich, welche Merkmale jeweils in Bezug auf die jeweilige Vorrichtung bzw. das Verfahren bevorzugt sind.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Kissens ist in der Hülle wenigstens ein oberhalb von -40°C, vorzugsweise oberhalb von 0°C, insbesondere oberhalb von 10°C und/oder unterhalb von 120°C, vorzugsweise unterhalb von 50°C, kondensierendes Kissengas und/oder schmelzendes Phasenwechselmaterial (PCM - Phase Change Material) vorgesehen. Dabei kann es sich um das einzige und/oder ein zusätzliches Kissengas und/oder Phasenwechselmaterial handeln. Zudem bietet es sich für die Nutzung des Kissens an, wenn die zuvor genannten Temperaturbereiche gleichfalls für das Kissengas und das Phasenwechselmaterial gelten. Das Phasenwechselmaterial sollte nämlich vorzugsweise etwa auf demselben Temperaturniveau schmelzen, auf dem das Kissengas kondensiert. Das Kondensieren des wenigstens einen Kissengases und/oder das Schmelzen des wenigstens einen Phasenwechselmaterials kann ferner bevorzugt auf einem Druckniveau oberhalb von 1 bar, vorzugsweise oberhalb von 2 bar, und/oder unterhalb von 80 bar, vorzugsweise unterhalb von 40 bar, insbesondere unterhalb von 20 bar, erfolgen. Temperaturen von über -40°C sind für viele Anwendungen, etwa für die Automobilindustrie, ausreichend, während 120°C und/oder 0°C als praktikable Obergrenze und/oder Untergrenze für die Verwendung von Wasser als Speicherfluid oder anderen gängigen Speicherfluiden in Frage kommt. Für viele industrielle Anwendungen wären Phasenwechseltemperaturen zwischen 0°C und 50°C, insbesondere zwischen 10°C und 50°C, ausreichend, wobei in diesem Temperaturbereich im Regelfall eine ausreichende Materialauswahl hinsichtlich des wenigstens einen Kissengases und/oder des wenigstens einen Phasenwechselmaterials besteht. Vor diesem Hintergrund können je nach Anwendungsfall Phasenwechseltemperaturen beispielsweise zwischen -40°C und 200°C, zwischen -40°C und 120°C, zwischen 0°C und 120°C, zwischen 0°C und 50°C oder zwischen 10°C und 50°C bevorzugt sein.
Alternativ oder insbesondere zusätzlich zu den Temperaturen des Phasenwechsels des Kissengases und/oder des Phasenwechselmaterials kann der Phasenwechsel bevorzugt in einem Druckbereich unter 1 bar erfolgen. Die Druckangaben werden vorliegend durchweg als absolute Drücke verstanden, sofern nicht etwas anderes angegeben ist. Dann kann die Speichereinrichtung als Vakuumspeicher genutzt werden. Es kann also für, insbesondere industrielle, Prozesse ein Vakuum eines entsprechenden Druckniveaus bereitgestellt werden. Bei Drücken über 1 bar kommt dagegen insbesondere eine Druckspeicherung mit Hilfe der Speichereinrichtung in Betracht. Um gegenüber der Umgebung hinreichend nutzbare Drücke speichern zu können, kommen insbesondere Drücke für den Phasenwechsel des wenigstens einen Kissengases und/oder wenigstens einen Phasenwechselmaterials von über 2 bar in Frage. Dabei ist beispielsweise für Anwendungen wie Erdgasspeicherung, Wasserstoffspeicherung, Druckausgleich in Druckluftnetzen, Pumpspeicher oder Druckluftenergiespeicher eine Druckobergrenze für den Phasenwechsel von 80 bar vielfach ausreichend. Sofern Druckluftenergiespeicher von geringerer Bedeutung sind, kann eine obere Druckgrenze von 40 bar ausreichend sein. Insbesondere für allgemeine Druckluftnetzte sind dies bedarfsweise auch nur 20 bar. Als bevorzugte Druckbereiche für den Phasenwechsel des wenigstens einen Kissengases und/oder Phasenwechselmaterials ergeben sich dabei beispielsweise 1 bar bis 300 bar, 2 bar bis 300 bar, 2 bar bis 80 bar, 2 bar bis 40 bar oder 2 bar bis 20 bar.
Besonders bevorzugt liegt das Phasenwechselmaterial (PCM - Phase Change Material) wenigstens teilweise in Form einer Vielzahl von Partikeln vor. Auf diese Weise wird eine große Oberfläche des Phasenwechselmaterials bereitgestellt, was den Wärmeaustausch des Phasenwechselmaterials mit dem Kissengas in gasförmiger und/oder kondensierter Form begünstigt. Eine größere Wärmeübertragungsfläche verbessert letztlich den Wärmetransport. Beispielsweise befinden sich die Partikel des Phasenwechselmaterials wenigstens teilweise in dem Kondensat des Kissengases, wobei die Partikel des Phasenwechselmaterials bedarfsweise in dem Kondensat schwimmen können. Aufgrund der höheren spezifischen Wärmekapazität des Kondensats im Vergleich zum gasförmigen Kissengas wird der Wärmetransport weiter begünstigt. Als besonders zweckmäßig hinsichtlich der Herstellung und der Stabilität der Partikel sowie in Bezug auf die Wärmeübertragungsfläche haben sich Partikelgrößen zwischen 0,1 µm und 50 mm herausgestellt. Besonders bevorzugt sind dabei Partikelgrößen zwischen 1 µm und 20 µm oder zwischen 1 mm und 10 mm. Kleinere Partikelgrößen bieten sich für kleinere Kissen an und erlauben einen besseren Wärmetransport, während größere Partikelgrößen sich für größere Kissen, in denen der Wärmetransport weniger kritisch ist, eignen und besser zu handhaben sind. Damit das Phasenwechselmaterial problemlos reversibel die Phase wechseln kann, d. h. ohne zu klumpen wiederholt schmelzen und wieder erstarren kann, bietet es sich an, wenn die Partikel des Phasenwechselmaterials verkapselt sind. Dabei bleibt die Kapsel der Partikel grundsätzlich intakt, während das Phasenwechselmaterial in der Kapsel je nach Wärmeaufnahme oder Wärmeabgabe wenigstens teilweise schmilzt und wieder erstarrt. Auf die zuvor beschriebene Weise wird beispielsweise auch sichergestellt, dass die Speichereinrichtung sehr viele Zyklen durchlaufen kann, ohne dass die Funktionalität der Speichereinrichtung abnimmt.
Zur Bildung der Kapseln zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials (PCM) eignet sich insbesondere jeweils wenigstens ein Kunststoff, wenigstens ein Polymer, wenigstens ein Metall, wenigstens ein Melaminharz, wenigstens ein Polymethylmethacrylat und/oder wenigstens eine siliziumorganische Verbindung. Welche dieser Materialien zur Verkapselung des wenigstens einen Phasenwechselmaterials besonders bevorzugt ist, hängt unter anderem von den chemischen Eigenschaften des Materials der Kapseln in Bezug auf das Kissengas und das Phasenwechselmaterial sowie der Größe der Partikel des Phasenwechselmaterials ab.
Alternativ oder zusätzlich bietet es sich an, wenn das wenigstens eine Phasenwechselmaterial (PCM) durch ein Paraffin, ein Salzhydrat, eine Salzmischung, ein Zuckeralkohol, ein Fettalkohol, eine Fettsäure oder ein Polyethylenglykol gebildet wird. Welches Phasenwechselmaterial besonders geeignet ist, dürfte dabei insbesondere abhängig sein von der Temperatur des Phasenwechsels, d. h. von der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials. Diese sollte möglichst gut übereinstimmen mit der Phasenwechseltemperatur des Kissengases, das zusammen mit dem Phasenwechselmaterial in der Hülle des Kissens vorgesehen ist. Als Paraffine kommen beispielsweise Octadecan, Heptadecan, Nonadecan, Eicosan oder Docosan und als Salzhydrate CaCl₂-6H₂O, Na₂SO₄-10H₂O, Na₂HPO₄-12H₂O, Na₂S₂O₃-5H₂O oder NaCH₃COO-3H₂O in Frage.
Um eine Beschädigung der Hülle des Kissens und ein versehentliches Austreten von Kissengas zu vermeiden, bietet es sich insbesondere an, wenn die Hülle wenigstens teilweise aus einem Kunststoff gebildet wird, der verstärkt sein kann. Als Verstärkung kommt dabei insbesondere wenigstens ein Gewebe und/oder die Verstärkung durch Fasern in Frage. Die Hülle kann also insbesondere auch wenigstens teilweise durch einen Kunststoff aufweisenden Materialverbund im Sinne eines Verbundwerkstoffs gegeben sein. Entsprechende durch Gewebe und/oder Fasern verstärkte Kunststoffe haben den Vorteil, dass sie einem erhöhten inneren Überdruck der Hülle standhalten, ohne dass ein Bersten der Hülle zu befürchten ist. Die Kissen bleiben also selbst dann intakt, wenn der normalerweise vom gespeicherten Speicherfluid aufgebrachte Gegendruck auf die Hülle wegfallen sollte.
Alternativ oder zusätzlich kann der Kunststoff zur Bildung der Hülle wenigstens teilweise aus Nitrilkautschuk (NBR), hydriertem Acrylnitrilbutadien-Kautschuk (HNBR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC) und/oder Butylkautschuk gebildet sein. Diese Materialien bringen eine hinreichende Festigkeit und Steifigkeit mit sich und sind zudem hinreichend elastisch, um ein Brechen der Hülle infolge Verformung zu vermeiden. Welcher Kunststoff besonders geeignet ist, liegt insbesondere auch an der Verträglichkeit der Stoffe mit den chemischen Eigenschaften der verwendeten Kissengase und der verwendeten Phasenwechselmaterialien. Nicht zuletzt kann das beabsichtigte Temperaturniveau des Speicherbehälters die Wahl des Kunststoffs beeinflussen.
Das maximale Volumen des Kissens oder der Mehrzahl von Kissen in einem Speicherbehälter sollte groß genug sein, um eine große Volumenveränderung des Speicherfluids ausgleichen zu können. Gleichzeitig sollte das maximale Volumen des wenigstens einen Kissens klein genug sein, damit die Kissen problemlos gehandhabt werden können, insbesondere, um ohne Weiteres in den wenigstens einen Speicherbehälter eingebracht werden zu können, und zwar bedarfsweise auch erst nachträglich. In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das maximale Volumen des Kissens zwischen 0,1 dm³ und 5000 dm³, vorzugsweise zwischen 0,1 dm³ und 1000 dm³, insbesondere zwischen 0,1 dm³ und 100 dm³, weiter insbesondere zwischen 0,1 dm³ und 1 dm³, beträgt. Große Volumen bieten sich beispielsweise für Anwendungen in großen Speicherbehältern, etwa zur Druckluftspeicherung, an.
Als Kissengas kommt entsprechend des beabsichtigten Temperaturniveaus und Druckniveaus des Speicherbehälters der Speichereinrichtung aufgrund der jeweiligen Siedepunkte ein Kohlenwasserstoff, insbesondere Propan, Isobutan oder Cyclopropan, wenigstens ein halogenierter Kohlenwasserstoff, insbesondere Tetrafluorethan, Pentafluorethan, Heptafluorpropan oder Hexafluorpropen, Dimethylether, Ammoniak, Kohlendioxid und/oder Distickstoffmonoxid in Frage. Diese Kissengase sind zudem aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften bevorzugt, um mit verschiedenen Materialien zur Bildung der Hülle des Kissens und mit bestimmten Phasenwechselmaterialien zusammenzuwirken.
Um die Handhabbarkeit der Kissen zu verbessern und insbesondere auf einfache Weise das Nachrüsten von bereits bestehenden Speicherbehältern zu ermöglichen, ist es bevorzugt, wenn das wenigstens eine Kissen separat handhabbar ist. Das Kissen ist also nicht fest beispielsweise mit dem Speicherbehälter oder anderen Einrichtungen der Speichereinrichtung verbunden. Bevorzugt kann sich das Kissen daher frei im Speicherbehälter bewegen bzw. separat in den Speicherbehälter eingebracht werden. Die Kissen können also außerhalb des Speicherbehälters hergestellt werden und müssen anschließend nur noch in den Speicherbehälter eingebracht werden. Die Kissen können dabei in sich hermetisch abgeschlossen sein und das Phasenwechselmaterial sowie das Kissengas, also das kondensierbare Gas in vorbestimmter Menge und/oder in vorbestimmtem Verhältnis enthalten. Es besteht daher keine Notwendigkeit, das wenigstens eine Kissen in dem Speicherbehälter an einem Gasanschluss, an einen Ausgleichsbehälter oder sonst eine Einrichtung anzuschließen. Eine Verbindung von Kissen untereinander ist denkbar, aber grundsätzlich weniger bevorzugt. Besonders einfach ist es, wenn das wenigstens eine Kissen der Speichereinrichtung und der wenigstens eine Speicherbehälter der Speichereinrichtung nicht, jedenfalls nicht fest, miteinander verbunden sind.
Alternativ oder zusätzlich wird es als zweckmäßig angesehen, wenn das wenigstens eine Kissen sphärisch, linsenförmig oder länglich ausgebildet ist. In diesem Falle lassen sich die Kissen leicht in die Speicherbehälter einbringen und können die Kissen zusätzlich in den Speicherbehältern ihre Funktion in bevorzugter Weise ausüben. Die Kissen behindern sich dann beispielsweise wenig, auch wenn die Volumen der Kissen zyklisch größer und wieder kleiner werden. Ein Verhaken oder Einklemmen einzelner Kissen ist dann weniger wahrscheinlich.
Hinsichtlich einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des Kissenelements ist es besonders bevorzugt, wenn das Skelett des Kissenelements, das das Kissen umschließt, aus Metall und/oder Kunststoff gebildet ist. Dabei kann es der Einfachheit halber bevorzugt sein, wenn das Skelett durch Drähte gebildet wird und/oder in Form eines Gitters und/oder in Form einer Wabenstruktur gebildet wird. Auf diese Weise können sehr stabile Skelette bereitgestellt werden, die gleichzeitig wenig Material verbrauchen und nur ein geringes Gewicht aufweisen.
Auch hinsichtlich der Kissenelemente ist es aus den bereits zuvor in Bezug auf das Kissen ausgeführten Gründen bevorzugt, wenn das gesamte Kissenelement separat handhabbar ist. Gleiches gilt für eine sphärische, linsenförmige oder längliche Gestalt des wenigstens einen Kissenelements als solchem.
Um sicherzustellen, dass die Speicherung des Speicherfluids bei der gewünschten Temperatur erfolgt, selbst wenn die Umgebungstemperatur von dieser Temperatur abweicht oder wenn die Umgebungstemperatur Schwankungen unterworfen ist, bietet es sich an, wenn der Speicherbehälter für das isobare Speichern von Speicherfluid thermisch isoliert ist. Dabei kann es weiter bevorzugt sein, wenn eine entsprechende Regeleinrichtung vorgesehen ist, die die Regelung der gewünschten Solltemperatur des Speicherfluids im Speicherbehälter gewährleistet.
Bei dem Speicherfluid kann es sich grundsätzlich um ein Gas oder um eine Flüssigkeit handeln. In diesem Zusammenhang ist insbesondere die Verwendung von Druckluft bevorzugt, und zwar insbesondere dann, wenn die Speichereinrichtung Teil eines Druckluftnetzes, eines pneumatischen Systems, beispielsweise einer Bremsanlage, oder eines Energiespeichers ist. Im Falle eines Druckluftnetzes soll Druckluft typischerweise auf einem bestimmten Druckniveau bereitgestellt werden. Druckluft wird für die verschiedensten Prozesse in der Industrie als Arbeitsgas oder Prozessgas eingesetzt.
Druckluft kann aber auch lediglich zur Speicherung von, insbesondere elektrischer, Energie in Form von Druckluft verwendet werden, wobei zunächst Energie eingesetzt wird, um das Speicherfluid zu komprimieren. Zu einem späteren Zeitpunkt kann dann durch Entspannen des gespeicherten Speicherfluids wiederum beispielsweise elektrische Energie bereitgestellt werden. Da das Speicherfluid hierbei lediglich als Arbeitsfluid zur Speicherung der Energie fungiert, wird als Speicherfluid der Einfachheit halber insbesondere Druckluft verwendet.
Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Speicherfluid aber auch um ein sogenanntes Nutzgas handeln, das in einem bestimmten Prozess reaktiv umgesetzt werden soll. Dazu muss das Nutzgas jedoch in der Speichereinrichtung zwischengespeichert werden, um in der geforderten Weise der weiteren Verarbeitung zugeführt werden zu können. Das Nutzgas kann beispielsweise als Rohstoff in einen Reaktor eingeleitet werden. Bei dem Nutzgas kann es sich auch um sogenannte Brenngase wie beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff handeln, die in einer Brennkammer verbrannt werden können, um auf diesem Wege Wärmeenergie zu generieren.
Bei der Speicherung von Speicherfluiden in Form von Flüssigkeiten bietet sich insbesondere die Verwendung als Energiespeicher an. Anstatt die Speicherflüssigkeit, bei der es sich der Einfachheit halber um Wasser handeln kann, beispielsweise in ein höher gelegenes Reservoir zu pumpen, um anschließend die potentielle Energie zurückzugewinnen, wie dies beispielsweise bei Pumpspeicherkraftwerken der Fall ist, kann das Speicherfluid auch unter erhöhtem Druck isobar in einen Speicherbehälter gepresst werden. Auch dann kann unter Entspannung des Speicherfluids die für das Speichern des Speicherfluids aufgebrachte Energie wenigstens teilweise zurückgewonnen werden. Als weitere Anwendung kommt beispielsweise die Druckhaltung in Hydrauliksystemen oder von thermischen Energiespeichern in Frage.
Bei der Herstellung einer Speichereinrichtung wird der wenigstens eine Speicherbehälter vorzugswiese nach dem Einbringen des wenigstens einen Kissens und/oder Kissenelements verschlossen und anschließend wenigstens teilweise mit wenigstens einem Speicherfluid gefüllt. So kann Speicherfluid auf einem bestimmten Druckniveau bereitgestellt werden. In diesem Zusammenhang ist es weiter bevorzugt, wenn wenigstens ein Teil des gespeicherten Speicherfluids aus dem wenigstens einen Speicherbehälter entnommen wird, wobei zu einem späteren Zeitpunkt wieder dasselbe Speicherfluid oder wenigstens auch ein anderes Speicherfluid in den Speicherbehälter gefördert wird. Dieser entsprechende Zyklus wird bedarfsweise viele Male hintereinander durchlaufen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

1A-C ein erfindungsgemäßes Kissen zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids in einem Speicherbehälter in unterschiedlichen Zuständen in vertikalen schematischen Schnittansichten,
2 eine erste erfindungsgemäße Speichereinrichtung zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids in einer schematischen vertikalen Schnittansicht,
3 eine zweite erfindungsgemäße Speichereinrichtung in einer schematischen vertikalen Schnittansicht,
4 eine dritte erfindungsgemäße Speichereinrichtung zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids in einer schematischen vertikalen Schnittansicht,
5 ein Material zur Bildung einer Hülle eines erfindungsgemäßen Kissens zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids in einer schematischen Draufsicht,
6 ein erfindungsgemäßes Kissenelement in einer schematischen Draufsicht und
7 das Kissen des Kissenelements aus 6 in einer schematischen Draufsicht.

In der 1 ist ein Kissen 1 zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids 2 in einem vertikalen Schnitt dargestellt. Das Kissen 1 umfasst eine Hülle 3, in der ein Kissengas 4 und ein Phasenwechselmaterial (PCM - Phase Change Material) 5 eingeschlossen sind. Das Kissengas 4 liegt teilweise in der Gasphase 6 und teilweise als Kondensat 7 in der flüssigen Phase vor. Im bzw. auf dem Kondensat 7 des Kissengases 4 schwimmt das Phasenwechselmaterial 5, das damit in direktem Kontakt mit dem Kissengas 4 bzw. mit dem Kondensat 7 des Kissengases 4 steht. Das Phasenwechselmaterial 5 liegt in Form einer Vielzahl von Partikeln 8 vor, die eine große Wärmeübertragungsfläche zum Kissengas 4 bereitstellen. Die Partikel 8 weisen beim dargestellten und insoweit bevorzugten Kissen 1 eine äußere Kapsel 9 auf, in der das eigentliche Phasenwechselmaterial 5 eingeschlossen ist.
Der Einfachheit halber werden vorliegend die Partikel 8 als das Phasenwechselmaterial 5 angesehen, auch wenn tatsächlich nur das in den Kapseln 9 enthaltene Material im Betrieb einen Phasenwechsel durchmacht. Sofern vorliegend die Unterscheidung zwischen dem die Phase wechselnden Material und dem die Kapseln 9 der Partikel 8 bildenden Material von Bedeutung ist, kann jedoch auch eine präzisere Unterscheidung in Kapselmaterial und Phasenwechselmaterial 5 vorgenommen werden.
Die Kapseln 9 der Partikel 8 des Phasenwechselmaterials 5 bleiben trotz des wenigstens teilweisen Phasenwechsels intakt. Es tritt weder festes noch flüssiges Phasenwechselmaterial 5 aus den Kapseln 9 aus.
Bei dem Kissen 1 gemäß 1A stehen der Druck innerhalb der Hülle 3 und die Temperatur des Kissengases 4 in einer direkten Beziehung. Der innere Druck der Hülle 3 entspricht nämlich dem Dampfdruck des Kissengases 4 bei der im inneren der Hülle 3 herrschenden Temperatur. Es ist gemäß 1A nur ein geringerer Teil des Kissengases 4 kondensiert. Daher nimmt das Kissen 1 einen Großteil seines maximalen Volumens ein. Das maximale Volumen des Kissens 1 und der Hülle 3 wird nur deshalb nicht erreicht, weil das Kissen 1 in einem nicht dargestellten Speicherbehälter vorgesehen ist und dort dem Druck des im Speicherbehälter gespeicherten und das Kissen 1 umgebenden Speicherfluids 2 ausgesetzt ist. Es besteht dabei ein Druckgleichgewicht zwischen dem Kissengas 4 in der Hülle 3 und dem Speicherfluid 2 im Speicherbehälter. Der innere Druck der Hülle 3 und der äußere Druck sind identisch. Daher teilen sich das Kissen 1 und das Speicherfluid 2 das Volumen des Speicherbehälters. Je mehr Speicherfluid 2 in den Speicherbehälter gepresst wird, desto geringer ist das Volumen des Kissens 1.
Das maximale Volumen des in der 1A dargestellten Kissens 1 wird erreicht, wenn der äußere Druck so weit gesunken ist oder der Speicherbehälter so weit entleert worden ist, dass das Kissen 1 bzw. dessen Hülle 3 die Form einer Kugel annimmt. Da das die Hülle 3 des in der 1 dargestellten Kissens 1 bildende Material 10 nicht oder nur in geringem Maße elastisch ist, kann sich die Hülle 3, nachdem sie eine kugelförmige Gestalt erreicht hat, nicht oder nur unwesentlich weiter aufblähen. Der Einfachheit halber wird die Hülle 3 des in der 1 dargestellten Kissens 1 aus einem einheitlichen Material 10 gebildet. Das Material 10 ist dabei ein durch ein Gewebe oder durch Fasern verstärkter Kunststoff. Es käme aber auch ein nicht verstärkter Kunststoff in Frage, wenn die Gefahr eines Berstens der Hülle 3 infolge eines inneren Überdrucks in Kauf genommen werden kann.
In der 1B liegt die Hülle 3 bzw. das Kissen 1 in einer gegenüber der Darstellung gemäß 1A etwas mehr zusammengefallenen Form vor. Es ist ein größerer Anteil des kondensierbaren Kissengases 4 kondensiert, so dass die Hülle 3 insgesamt weniger Volumen einnimmt. Allerdings sind die Temperatur und der Druck des Kissengases 4 im Vergleich zur Darstellung nach 1A unverändert. Die bei der zusätzlichen Kondensation von Kissengas 4 frei werdende Kondensationswärme ist in dem Phasenwechselmaterial 5 gespeichert. Die Kondensationswärme des Kissengases 4 bewirkt ein teilweises Schmelzen des Phasenwechselmaterials 5, wobei die Kondensationswärme des Kissengases 4 als Schmelzwärme des Phasenwechselmaterials 5 gespeichert ist. Letztlich wird also die Phasenwechselenthalpie des Kissengases 4 als Phasenwechselenthalpie des Phasenwechselmaterials 5 gespeichert. Dieser Prozess ist unter Berücksichtigung einer praktisch unvermeidlichen Dissipation beim Wärmetransport reversibel, so dass die Schmelzwärme vom erstarrenden Phasenwechselmaterial 5 als Erstarrungswärme freigegeben und vom verdunstenden Kissengas 4 als Verdunstungswärme aufgenommen wird, um das Volumen des Kissens 1 wieder zu vergrößern.
In der 1C ist das Kissen 1 in einem Zustand dargestellt, in dem nur noch ein kleiner Teil des Kissengases 4 in der Gasphase 6 vorliegt. Das wenigstens eine Kissen 1 sollte dabei so an den Prozess der Speicherung von Speicherfluid 2 angepasst sein, dass bei maximaler Befüllung des wenigstens einen Speicherbehälters einer Speichereinrichtung das wenigstens eine Kissen 1 gerade so weit zusammengedrückt wird, dass darin noch gasförmiges Kissengas 4 verbleibt, das mit dem Kondensat 7 des Kissengases 4 im Gleichgewicht steht. Auf diese Weise wird die im Wesentlichen isobare Speicherung des Speicherfluids 2 aufrechterhalten. Über die Differenz zwischen dem maximalen Volumen des Kissens 1 und dem minimalen Volumen des wenigstens einen Kissens 1 im wenigstens einen Speicherbehälter ergibt sich das isobar im Speicherbehälter zu speichernde Volumen und damit die Menge des zu speichernden Speicherfluids 2.
In der 2 ist eine Speichereinrichtung 11 mit einem Speicherbehälter 12 in einem vertikalen Schnitt dargestellt. Der Speicherbehälter 12 weist kopfseitig ein Ventil 13 in einer Verbindungsleitung 14 auf, über die Speicherfluid 2 in den Speicherbehälter 12 gedrückt und wieder aus dem Speicherbehälter 12 abgelassen werden kann. Ist das Ventil 13 geschlossen, verbleibt beim dargestellten und insoweit bevorzugten Speicherbehälter 12 das Speicherfluid 2 im Speicherbehälter 12. Vorliegend handelt es sich bei dem Speicherfluid 2 um ein Gas, insbesondere Druckluft, auf einem Druckniveau von 6,85 bar und bei einer Temperatur von 26°C. Im Speicherbehälter 12 befindet sich in dieser Ausgestaltung der Speichereinrichtung 11 lediglich ein Kissen 1. Das Kissen 1 ist mit einem Kissengas 4 in Form von 1,1,1,2-Tetrafuorethan (R134a) gefüllt, das teilweise gasförmig in der Gasphase 6 und teilweise als Kondensat 7 vorliegt. Ferner enthält das Kissen 1 noch Phasenwechselmaterial 5 in Form eines Paraffins, das in einer Vielzahl gekapselter Partikel 8 aufgenommen ist. Das Paraffin weist eine Schmelztemperatur von 26°C auf. Die Hülle 3 des Kissens 1 ist aus einem Nitrilkautschuk (NBR) gebildet.
In der 3 ist eine alternative Ausgestaltung einer Speichereinrichtung 11 dargestellt, die sich von der Speichereinrichtung 11 gemäß 2 im Wesentlichen lediglich darin unterscheidet, dass eine Vielzahl von Kissen 1 in dem einen Speicherbehälter 12 vorgesehen ist. Bei dem entsprechenden Speicherbehälter 12 handelt es sich insbesondere um einen zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids 2 nachgerüsteten Speicherbehälter 12. Die Nachrüstung ist dabei derart erfolgt, dass die Kissen 1 lose in den Speicherbehälter 12 eingebracht worden sind. Dies kann beispielsweise über ein nicht dargestelltes Mannloch oder aber über einen anderen Flanschanschluss, etwa zum Anschluss des Ventils 13 oder der Verbindungsleitung 14 erfolgt sein.
In der 4 ist eine Speichereinrichtung 15 dargestellt, die eine Abwandlung der Speichereinrichtung 11 gemäß 3 ist. Im Unterschied zur Speichereinrichtung 11 gemäß 3 weist der Speicherbehälter 16 eine äußere thermische Isolierung 17 aus einem an sich bekannten thermischen Isolationsmaterial auf. Die Isolierung 17 dient dazu, die Temperatur im Speicherbehälter 16 auf einem bestimmten Temperaturniveau zu halten und/oder den Wärmetausch mit der Umgebung zu begrenzen.
In der 5 ist ein Material 10 zur Bildung einer Hülle 3 eines Kissens 1 der genannten Art schematisch dargestellt. Es handelt sich bei dem Material 10 um ein Verbundmaterial aus einem Kunststoff und mit dem Kunststoff verschweißten oder in den Kunststoff eingebetteten Gewebebahnen 20. Die Gewebebahnen 20 dienen dabei der Verstärkung des Materials 10. Vorliegend werden die Gewebebahnen 20 gitterartig bzw. überkreuz übereinander gelegt, obwohl auch andere Ausgestaltungen zweckdienlich sein können. Das Kissen 1 lässt dementsprechend einen größeren inneren Überdruck zu, ohne dass es zu nachhaltigen Beschädigungen der Hülle 3 kommt. Alternativ könnte aber auch ein faserverstärkter Kunststoff als Material 10 der Hülle 3 verwendet oder ganz auf eine Verstärkung verzichtet werden. Der Kunststoff des in der 5 dargestellten Materials 10 ist ein Nitrilkautschuk (NBR). Es sind jedoch auch andere Kunststoffe denkbar.
In der 6 ist ein Kissenelement 21 umfassend ein Kissen 1 der genannten Art und ein das Kissen 1 umschließendes äußeres Skelett 22 dargestellt. Das Skelett 22 ist gasdurchlässig und durch Drähte 23 gebildet, die in Form einer Gitterstruktur miteinander verbunden sind. Andere Skelette können jedoch verwendet werden. Das Skelett 22 umschließt dabei ein Volumen, das höchstens dem maximalen Volumen des Kissens 1 entspricht, vorzugsweise etwas kleiner ist als das maximale Volumen des Kissens 1. Das Kissen 1 kann sich also bei entsprechend geringem äußeren Druck, beispielsweise einem äußeren Druck von 1 bar, von innen an das Skelett 22 anlegen, so dass das Skelett 22 das Kissen 1 und die Hülle 3 stützt, um eine Beschädigung der Hülle 3 infolge des inneren Überdrucks zu vermeiden. Bedarfsweise kann im Falle eines entsprechenden Skeletts 22 auf eine Verstärkung der Hülle 3 des Kissens 1, wie diese im Zusammenhang mit der 5 beschrieben worden ist, verzichtet werden.
In der 7 ist ein Kissen 1 dargestellt. Es kann sich dabei um ein Kissen 1 eines Kissenelements 21 handeln. Das Kissen 1 kann bedarfsweise ohne äußeres Skelett 22 eingesetzt werden. Das Kissen 1 weist ein Ventil 24 zum Befüllen des Kissens 1 mit Kissengas 4 auf. Das Phasenwechselmaterial 5 kann bedarfsweise vor dem Schließen der Hülle 3 eingebracht werden. Besonders einfach und zweckmäßig ist es, die Hülle 3 im Wege des Extrudierens herzustellen und währenddessen das Phasenwechselmaterial 5 in die Hülle 3 einzubringen. Durch das Ventil 24 der nach dem Extrudieren geschlossenen Hülle 3 kann dann im Nachgang ein Kissengas 4, wahlweise gasförmig und/oder flüssig, in die Hülle 3 eingefüllt werden. Wenn dies gewünscht ist, kann zuvor das im Kissen 1 vorhandene Gas ganz oder teilweise entfernt werden. Dann kann das Kissen 1 besonders effektiv genutzt werden. Allerdings ist es für die grundsätzliche Funktion des Kissens 1 prinzipiell unschädlich, wenn sich in dem Kissen 1 neben dem Phasenwechselmaterial 5 und dem Kissengas 4 noch ein anderes Gas, beispielsweise Luft, befindet. Es kann auch bedarfsweise noch eine Flüssigkeit vorgesehen sein, die das Phasenwechselmaterial 5 stabilisieren kann. Die Flüssigkeit und das partikelförmige Phasenwechselmaterial können dann zusammen in Form einer Suspension oder Slurry vorliegen.

Claims

Kissen (1) zur isobaren Speicherung eines das Kissen (1) umgebenden Speicherfluids (2) in einem Speicherbehälter (12,16), mit einer geschlossenen und wenigstens teilweise flexibel ausgebildeten Hülle (3), wobei in der Hülle (3) wenigstens ein zwischen -200°C und 200°C sowie zwischen 0 bar und 300 bar kondensierendes Kissengas (4) vorgesehen ist und wobei in der Hülle (3) wenigstens ein wenigstens teilweise in fester Phase vorliegendes, zwischen -200°C und 200°C sowie zwischen 0 bar und 300 bar schmelzendes Phasenwechselmaterial (PCM - Phase Change Material) (5) vorgesehen ist.
Kissen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hülle (3) wenigstens ein oberhalb von -40°C, vorzugsweise oberhalb von 0°C, insbesondere oberhalb von 10°C, und/oder unterhalb von 120°C, vorzugsweise unterhalb von 50°C kondensierendes Kissengas (4) und/oder schmelzendes Phasenwechselmaterial (PCM - Phase Change Material) (5) vorgesehen ist und/oder dass in der Hülle (3) wenigstens ein oberhalb von 1 bar, vorzugsweise oberhalb von 2 bar, und/oder unterhalb von 80 bar, vorzugsweise unterhalb von 40 bar, insbesondere unterhalb von 20 bar, kondensierendes Kissengas (4) und/oder schmelzendes Phasenwechselmaterial (PCM - Phase Change Material) (5) vorgesehen ist.
Kissen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (PCM) (5) wenigstens teilweise in Form einer Vielzahl von Partikeln (8), vorzugsweise verkapselt, insbesondere mit Partikelgrößen zwischen 0,1 µm und 50 mm, weiter insbesondere mit Partikelgrößen zwischen 1 µm und 20 µm oder zwischen 1 mm und 10 mm, vorliegt.
Kissen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Phasenwechselmaterial (5) in durch wenigstens einen Kunststoff, wenigstens ein Polymer, wenigstens ein Metall, wenigstens ein Melaminharz, wenigstens ein Polymethylmethacrylat und/oder wenigstens eine siliziumorganische Verbindung gebildeten Kapseln (9) vorliegt.
Kissen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Phasenwechselmaterial (PCM) (5) ein Paraffin, ein Salzhydrat, eine Salzmischung, ein Zuckeralkohol, ein Fettalkohol, eine Fettsäure oder ein Polyethylenglykol ist.
Kissen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (3) wenigstens teilweise aus einem, vorzugsweise einem durch wenigstens ein Gewebe (20) und/oder Fasern verstärkten, Kunststoff gebildet wird.
Kissen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff zur Bildung der Hülle (3) wenigstens teilweise aus Nitrilkautschuk (NBR), hydriertem Acrylnitrilbutadien-Kautschuk (HNBR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC) und/oder Butylkautschuk gebildet ist.
Kissen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das maximale Volumen des Kissens (1) zwischen 0,1 dm³ und 5000 dm³, vorzugsweise zwischen 0,1 dm³ und 1000 dm³, insbesondere zwischen 0,1 dm³ und 100 dm³, weiter insbesondere zwischen 0,1 dm³ und 1 dm³, beträgt.
Kissen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Kissengas (4) wenigstens ein Kohlenwasserstoff, insbesondere Propan, Isobutan oder Cyclopropan, wenigstens ein halogenierter Kohlenwasserstoff, insbesondere Tetrafluorethan, Pentafluorethan, Heptafluorpropan oder Hexafluorpropen, Dimethylether, Ammoniak, Kohlendioxid und/oder Distickstoffmonoxid vorgesehen ist.
Kissen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kissen (1) separat handhabbar und/oder sphärisch, linsenförmig oder länglich ausgebildet ist.
Kissenelement (21) zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids (2) in einem Speicherbehälter (12,16), mit einem Kissen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Kissen (1) umgeben ist von einem formstabilen und gasdurchlässigen äußeren Skelett (22) und wobei das Kissen (1) dazu ausgebildet ist, sich bei wenigstens einer bestimmten Kombination von Temperatur und Druck von innen an das Skelett (22) anzulegen.
Kissenelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Skelett (22) aus Metall und/oder Kunststoff gebildet und/oder dass das Skelett (22) durch Drähte (23), in Form eines Gitters und/oder in Form einer Wabenstruktur gebildet ist.
Kissenelement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kissenelement (21) separat handhabbar und/oder sphärisch, linsenförmig oder länglich ausgebildet ist.
Speichereinrichtung (11,15) mit wenigstens einem Speicherbehälter (12,16) zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids (2), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kissen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder dass wenigstens ein Kissenelement (21) nach einem der Ansprüche 11 bis 13 in dem Speicherbehälter (12,16) vorgesehen ist.
Speichereinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter (12,16) thermisch isoliert ist.
Speichereinrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherfluid (2) ein Gas, insbesondere Druckluft, ist und, vorzugsweise, die Speichereinrichtung (11,145) Teil eines Druckluftnetzes oder eines Energiespeichers ist, oder dass das Speicherfluid (2) ein reaktiv umzusetzendes Nutzgas, insbesondere in Form von Erdgas und/oder Wasserstoff, ist und, vorzugsweise, die Speichereinrichtung (11,15) Teil eines Energiespeichers ist, und dass das Speicherfluid (2) eine Flüssigkeit ist und, vorzugsweise, die Speichereinrichtung (11,15) Teil eines Energiespeichers ist.
Verfahren zur Herstellung einer Speichereinrichtung (11,15), vorzugsweise nach einem der Ansprüche 14 bis 16, zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids (2), bei dem wenigstens ein Kissen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder wenigstens eine Kissenelement (21) nach einem der Ansprüche 11 bis 13 in wenigstens einen Speicherbehälter (12,16) eingebracht wird.