DE102016009254A1

DE102016009254A1 - Verfahren zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie

Info

Publication number: DE102016009254A1
Application number: DE102016009254.8A
Authority: DE
Inventors: Alexander Alekseev
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2018-02-01

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Speichern und Rückgewinnen von Energie vorgeschlagen, bei dem eine tiefkalte Speicherflüssigkeit bereitgestellt wird, die in einem ersten Betriebsmodus zumindest zum Teil unter Verwendung eines Druckluftstroms gebildet wird, der abgekühlt und zumindest teilweise verflüssigt wird, und bei dem unter Verwendung zumindest eines Teils der Speicherflüssigkeit in einem zweiten Betriebsmodus ein tiefkalter Flüssigstrom gebildet wird, der druckbeaufschlagt, erwärmt, in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt und zur Gewinnung von Energie verwendet wird, wobei das Abkühlen des Druckluftstroms in dem ersten Betriebsmodus eine Wärmeübertragung von dem Druckluftstrom auf ein Wärmeaustauschfluid und von dem Wärmeaustauschfluid auf ein oder mehrere Kältespeichermedien umfasst, und wobei das Erwärmen des Flüssigstroms in dem zweiten Betriebsmodus eine Wärmeübertragung von dem oder den Kältespeichermedien auf das Wärmeaustauschfluid und von dem Wärmeaustauschfluid auf den Flüssigstrom umfasst. Es ist vorgesehen, dass die Wärmeübertragung von dem Druckluftstrom auf das Wärmeaustauschfluid in dem ersten und von dem Wärmeaustauschfluid auf den Flüssigstrom in dem zweiten Betriebsmodus in einem oder mehreren Hauptwärmetauschern (51) vorgenommen wird, dem oder denen wenigstens zwei Teilströme des Wärmeaustauschfluids auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zugeführt und/oder auf unterschiedlichen Temperaturniveaus entnommen werden, und dass als das Wärmeaustauschfluid ein stickstoffreiches Gas auf einem Druckniveau von 4 bis 30 bar verwendet wird. Eine entsprechende Anlage (100) ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie und eine entsprechende Anlage gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Beispielsweise aus der DE 31 39 567 A1 und der EP 1 989 400 A1 ist bekannt, Flüssigluft oder Flüssigstickstoff zur Netzregelung und zur Bereitstellung von Regelleistung in Stromnetzen zu verwenden.
Zu Billigstromzeiten oder Stromüberschusszeiten wird dabei Luft in einer Luftzerlegungsanlage mit einem integrierten Verflüssiger oder in einer dezidierten Verflüssigungsanlage insgesamt oder teilweise verflüssigt. Das Luftverflüssigungsprodukt wird in einem Tanksystem mit Tieftemperaturtanks gespeichert. Dieser Betriebsmodus wird hier als ”Verflüssigungsbetrieb” bezeichnet, der in einem ”Energiespeicherzeitraum” durchgeführt wird.
Beispielsweise zu Spitzenlastzeiten wird das Luftverflüssigungsprodukt aus dem Tanksystem entnommen, mittels einer Pumpe druckerhöht und bis auf etwa Umgebungstemperatur oder höher angewärmt und damit in einen gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt. Ein hierdurch erhaltener Hochdruckstrom wird in einer Kraftwerkseinheit in einer oder mehreren Entspannungsturbinen, ggf. mit Zwischenerwärmung und/oder unter zusätzlichem Einsatz von Brenngas, bis auf Umgebungsdruck entspannt. Die dabei freiwerdende mechanische Leistung wird in einem oder mehreren Generatoren in elektrische Energie umgewandelt und in ein elektrisches Netz eingespeist. Dieser Betriebsmodus wird hier als ”Entnahmebetrieb” bezeichnet, der in einem ”Energierückgewinnungszeitraum” durchgeführt wird.
Die beim Überführen des Luftverflüssigungsprodukts in den gasförmigen oder überkritischen Zustand freiwerdende Kälte kann während des Entnahmebetriebs auch gespeichert und während des Verflüssigungsbetriebs zur Bereitstellung von Kälte zur Gewinnung des Luftverflüssigungsprodukts eingesetzt werden. Hierzu können Festbettkältespeicher und Speicherflüssigkeiten eingesetzt werden.
Es sind schließlich auch Druckluftspeicherkraftwerke bekannt, in denen Luft jedoch nicht verflüssigt, sondern in einem Verdichter verdichtet und in einer unterirdischen Kaverne gespeichert wird. In Zeiten hoher Stromnachfrage wird die Druckluft aus der Kaverne in die Brennkammer einer Gasturbine geleitet. Gleichzeitig wird der Gasturbine über eine Gasleitung Brennstoff, beispielsweise Erdgas, zugeführt und in der durch die Druckluft gebildeten Atmosphäre verbrannt. Das gebildete Abgas wird in der Gasturbine entspannt, wodurch Energie erzeugt wird.
Die Wirtschaftlichkeit entsprechender Verfahren und Vorrichtungen wird stark vom Gesamtwirkungsgrad beeinflusst. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, entsprechende Verfahren und Vorrichtungen in ihrer Wirtschaftlichkeit zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Speicherung und Rückgewinnung von elektrischer Energie und eine entsprechende Anlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen werden nachfolgend verwendete Begriffe erläutert.
Unter einer ”Energiegewinnungseinheit” wird hier ein Anlagenteil verstanden, der zur Erzeugung von elektrischer Energie eingerichtet ist. Eine Energiegewinnungseinheit umfasst dabei zumindest eine Entspannungsturbine, die direkt oder indirekt mit zumindest einem Generator gekoppelt ist. Die bei der Entspannung eines Fluids in der zumindest einen Entspannungsturbine frei werdende mechanische Leistung kann daher in elektrische Energie umgesetzt werden. Eine im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbare Energiegewinnungseinheit kann zumindest eine Gasturbine umfassen, deren Entspannungsturbine mit einem oder mehreren Generatoren gekoppelt sein kann, oder es kann, wie auch unter Bezugnahme auf die Merkmale und Vorteile der Erfindung erläutert, eine adiabat(isch)e Energiegewinnungseinheit vorgesehen sein, also eine Energiegewinnungseinheit, der keine weitere Wärme als jene, die aus dem Verfahren bzw. der Anlage selbst stammt, zugeführt wird.
Unter einer ”tiefkalten” Speicherflüssigkeit bzw. einem entsprechenden Fluid, einem entsprechenden Flüssigstrom usw., wird hier ein flüssiges Medium verstanden, dessen Siedepunkt deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, z. B. bei –50°C oder weniger, insbesondere bei –100°C oder weniger. Beispiele für tiefkalte Medien sind flüssige Luft, flüssiger Sauerstoff, flüssiger Stickstoff, flüssiges Propan oder Flüssigkeiten, die reich an den genannten Verbindungen sind.
Ein ”Wärmetauscher” dient zur indirekten Übertragung von Wärme zwischen zumindest zwei im Gegenstrom zueinander geführten Strömen, beispielsweise einem warmen Wärmeaustauschfluid und einem tiefkalten Flüssigstrom oder einem warmen Druckluftstrom und einem kalten Wärmeaustauschfluid. Ein Wärmetauscher kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, z. B. aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscherblöcken.
Ein ”Verdichter” ist eine Vorrichtung, die zum Verdichten wenigstens eines gasförmigen Stroms von wenigstens einem Eingangsdruck, bei dem dieser dem Verdichtersystem zugeführt wird, auf wenigstens einen Enddruck, bei dem dieser dem Verdichtersystem entnommen wird, eingerichtet ist. Der Verdichter bildet dabei eine bauliche Einheit, die jedoch mehrere ”Verdichterstufen” in Form bekannter Kolben-, Schrauben- und/oder Schaufelrad- bzw. Turbinenanordnungen aufweisen kann. Insbesondere werden diese Verdichterstufen mittels eines gemeinsamen Antriebs, beispielsweise über eine gemeinsame Welle, angetrieben.
Ein ”Gebläse” zeichnet sich im Gegensatz zu einem Verdichter im Wesentlichen dadurch aus, dass seine Hauptaufgabe nicht die Verdichtung eines Gasstroms sondern primär das Fördern eines entsprechenden Gasstroms, beispielsweise durch einen Wärmetauscher, ist. Auch an einem Gebläse stellt sich jedoch ein gewisses Druckverhältnis zwischen Eingangsdruck und Enddruck, beispielsweise ein Druckverhältnis von 1,3 bis 3,0 (gegenüber einem Druckverhältnis von mehr als 3,0 bei einem typischen Verdichter) ein. Ein ”Ventilator” zeichnet sich typischerweise durch ein nochmals geringeres Druckverhältnis im Bereich von 1,0 bis 1,3 aus.
Eine ”Entspannungsturbine”, die über eine gemeinsame Welle mit weiteren Entspannungsturbinen oder Energiewandlern wie Ölbremsen, Generatoren oder Verdichterstufen gekoppelt sein kann, ist zur Entspannung eines gasförmigen oder zumindest teilweise flüssigen Stroms eingerichtet. Sind eine oder sind mehrere Entspannungsturbinen nur mit einem oder mehreren Verdichtern oder Verdichterstufen gekoppelt, die ggf. zusätzlich mechanisch gebremst werden, werden diese jedoch ohne extern, beispielsweise mittels eines Elektromotors, zugeführte Energie betrieben, wird hierfür der Begriff ”Boosterturbine” verwendet. Eine Boosterturbine verdichtet dabei zumindest einen Strom durch die Entspannung zumindest eines anderen Stroms, jedoch ohne extern, beispielsweise mittels eines Elektromotors, zugeführte Energie. Der Verdichter einer Boosterturbine wird hier als ”Booster” bezeichnet.
Unter einer ”Gasturbine” wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung eine Anordnung aus wenigstens einer Brennkammer und wenigsten einer dieser nachgeschalteten Entspannungsturbine (der Gasturbine im engeren Sinn) verstanden. In letzterer werden heiße Gase aus der Brennkammer arbeitsleistend entspannt. Eine Gasturbine kann ferner wenigstens eine von der Entspannungsturbine über eine gemeinsame Welle angetriebene Verdichterstufe aufweisen. Ein Teil der in der Entspannungsturbine erzeugten mechanischen Energie wird üblicherweise zum Antrieb der wenigstens einen Verdichterstufe eingesetzt. Ein weiterer Teil wird zur Erzeugung von elektrischer Energie in einem Generator umgesetzt.
Als Abwandlung einer Gasturbine weist eine ”Verbrennungsturbine” lediglich die Brennkammer und eine dieser Brennkammer nachgeschaltete Entspannungsmaschine auf. Ein Verdichter ist üblicherweise nicht vorgesehen. Eine ”Heißgasturbine” weist hingegen im Gegensatz zu einer Gasturbine statt einer Brennkammer einen Erhitzer auf. Eine Heißgasturbine kann einstufig mit einem Erhitzer und einer Entspannungsturbine ausgebildet sein. Alternativ können jedoch mehrere Entspannungsturbinen, vorzugsweise mit Zwischenerhitzung, vorgesehen sein. In jedem Fall kann insbesondere stromab der letzten Entspannungsturbine ein weiterer Erhitzer vorgesehen sein. Auch die Heißgasturbine ist vorzugsweise mit einem oder mehreren Generatoren zur Erzeugung von elektrischer Energie gekoppelt. Insbesondere eine Heißgasturbine kann in einer adiabatischen Energiegewinnungseinheit zum Einsatz kommen.
Unter einem ”Flüssigspeichereinheit” wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Anordnung mit wenigstens einem zur Speicherung einer tiefkalten Speicherflüssigkeit eingerichteten Tieftemperaturtank verstanden. Der oder die Tieftemperaturtanks weisen Isolationsmittel auf und sind beispielsweise gemeinsam mit anderen Apparaten in einer Coldbox untergebracht.
Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe ”Druckniveau” und ”Temperaturniveau”, wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücken und Temperaturen in einer entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ±1%, 5%, 10%, 20% oder sogar 50% um einen Mittelwert liegen. Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche Druckverluste oder zu erwartende Druckverluste, beispielsweise aufgrund von Abkühlungseffekten, ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei hier in bar angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke.
Werden tiefkalte Flüssigströme im Rahmen der vorliegenden Anmeldung durch Erwärmen ”in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt”, schließt dies einerseits einen regulären Phasenübergang durch Verdampfen ein, wenn dies bei unterkritischem Druck erfolgt. Falls entsprechende Flüssigströme jedoch bei einem Druck erwärmt werden, der oberhalb des kritischen Drucks liegt, erfolgt beim Erwärmen über die kritische Temperatur hinaus kein Phasenübergang im eigentlichen Sinn, sondern ein Übergang vom flüssigen in den überkritischen Zustand.
Flüssige und gasförmige Fluide können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei ”reich” für einen Gehalt von wenigstens 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und ”arm” für einen Gehalt von höchstens 25%, 10%, 5%, 1%, 0,1% oder 0,01% auf molarer, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Der Begriff ”überwiegend” kann der soeben getroffenen Definition von ”reich” entsprechen, bezeichnet jedoch insbesondere einen Gehalt von mehr als 90%. Ist hier beispielsweise von ”Stickstoff” die Rede, kann es sich um ein Reingas, aber auch ein an Stickstoff reiches Gas handeln.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zum Speichern und Rückgewinnen von Energie vor, bei dem eine tiefkalte Speicherflüssigkeit bereitgestellt wird, die in einem ersten Betriebsmodus zumindest zum Teil unter Verwendung eines Druckluftstroms gebildet wird, der abgekühlt und zumindest teilweise verflüssigt wird, und bei dem unter Verwendung zumindest eines Teils der Speicherflüssigkeit in einem zweiten Betriebsmodus ein tiefkalter Flüssigstrom gebildet wird, der druckbeaufschlagt, erwärmt, in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt und zur Gewinnung von Energie verwendet wird.
Entsprechende Verfahren sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, wie bereits eingangs erläutert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst das Abkühlen des Druckluftstroms in dem ersten Betriebsmodus dabei eine Wärmeübertragung von dem Druckluftstrom auf ein Wärmeaustauschfluid und von dem Wärmeaustauschfluid auf ein oder mehrere Kältespeichermedien. Das Erwärmen des Flüssigstroms in dem zweiten Betriebsmodus umfasst eine Wärmeübertragung von dem oder den Kältespeichermedien auf das Wärmeaustauschfluid und von dem Wärmeaustauschfluid auf den Flüssigstrom. Das ”Wärmeaustauschfluid” ist also dazu bereitgestellt, eine Wärmeübertragung zwischen dem oder den Kältespeichermedien und dem Druckluftstroms bzw. dem Flüssigstrom herzustellen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist weiter vorgesehen, dass die Wärmeübertragung von dem Druckluftstrom auf das Wärmeaustauschfluid in dem ersten und von dem Wärmeaustauschfluid auf den Flüssigstrom in dem zweiten Betriebsmodus in einem oder mehreren Hauptwärmetauschern vorgenommen wird, dem oder denen wenigstens zwei Teilströme des Wärmeaustauschfluids auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zugeführt und/oder auf unterschiedlichen Temperaturniveaus entnommen werden, und dass als das Wärmeaustauschfluid ein inertgasreiches, insbesondere ein stickstoffreiches, Gas auf einem Druckniveau von 4 bis 30 bar verwendet wird. Als inertgasreiche Gase eignen sich grundsätzlich beispielsweise stickstoff-, argon- oder heliumreiche Gase oder Mischungen, die reich an zuminest einer der Komponenten Stickstoff, Argon oder Helium sind. Stickstoff eignet sich insbesondere aus ökonomischen Gründen. Insbesondere ist das inertgasreiche Gas sauerstoffarm, vorzugsweise aber (im Wesentlichen) sauerstofffrei. Das inertgasreiche Gas weist vorzugsweise einen nicht brandunterhaltenden Gehalt an Sauerstoff auf, wobei der brandunterhaltende Gehalt in Bezug auf die Medien, mit denen das inertgasreiche Gas in Kontakt kommt, ermittelt wird.
Dadurch, dass dem oder den Hauptwärmetauschern wenigstens zwei Teilströme des Wärmeaustauschfluids auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zugeführt und/oder auf unterschiedlichen Temperaturniveaus entnommen werden, können mehrere Unterkreisläufe zur Wärmeübertragung ausgebildet werden. Auf diese Weise können die Wärmeaustauschprofile der jeweils im Wärmetausch miteinander stehenden Fluide besonders gut aneinander angenähert und dadurch Verluste minimiert werden. Ein Druckunterschied des Wärmeaustauschfluids beträgt dabei höchstens 2, 1,5, 1 oder 0,5 bar. Es wird also im Rahmen der vorliegenden Erfindung kein Kältekreislauf bereitgestellt, der eine Verdichtung und anschließende kälteleistende Entspannung des Wärmeaustauschfluids umfasst; dieses dient nur, wie erwähnt, der Wärmeübertragung.
Die Verwendung des inertgasreichen Gas auf dem erwähnten Druckniveau von 4 bis 30 bar ist besonders vorteilhaft, weil in diesem Bereich unvermeidliche Druckverluste in einem entsprechenden Wärmeaustauschkreislauf, der unter Verwendung des inertgasreichen Gases gebildet wird, einen vergleichsweise geringen Einfluss haben. Ein typischer Druckverlust von 2 bar bei einem Druckniveau von beispielsweise 20 bar schlägt anteilsmäßig nur ausgesprochen gering zu Buche. Hingegen würden entsprechende Druckverluste bei niedrigeren Drücken deutlich negativere Effekte zeitigen. Oberhalb von 20 bis 30 bar beginnt der Druckbereich, bei dem aufwendigere und druckfestere Materialien für Gebläse, Wärmetauscher, Leitungen usw. erforderlich werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist daher das erwähnte Druckniveau von 4 bis 30 bar besonders vorteilhaft. Verwendbare Druckniveaus können auch in einem Bereich von 4 bis 6 bar, 6 bis 8 bar, 8 bis 10 bar, 10 bis 15 bar, 15 bis 20 bar, 20 bis 25 bar oder 25 bis 30 bar liegen oder in Bereichen, die durch Kombination der genannten Bereiche gebildet werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann in dem ersten Betriebsmodus beispielsweiswe Luft auf ca. 110 bar verdichtet und gereinigt werden. Etwa 90% hiervon können in Form des erwähnten Druckluftstroms unter Verwendung des Wärmeaustauschfluids in einem Hauptwärmetauscher gekühlt werden, und zwar beispielsweise auf ein Temperaturniveau von –150°C. Die entsprechend abgekühlte Luft wird beispielsweise auf ein Speicherdruckniveau von ca. 12 bar entspannt und gespeichert. Der Rest der verdichteten und gereinigten Luft kann über einen separaten Verflüssiger geführt und hier durch Entspannungskälte gekühlt werden. Details sind in der beigefügten 1A näher veranschaulicht. Letztere ”Turbinenluft” kann dabei beispielsweise auf ca. –135°C gekühlt, danach bis auf das Speicherdruckniveau entspannt und hierdurch weiter bis auf ca. –160°C gekühlt werden. Sie kann zur Kühlung verwendet und anschließend wieder verdichtet werden.
In dem zweiten Betriebsmodus kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung die gespeicherte Flüssigluft aus dem Flüssispeichersystem entnommen, in einer Pumpe auf einen relativ hohen Druck von ca. 90 bar gebracht werden (überkritischer Zustand, daher einphasig) und durch den Hauptwärmetauscher geleitet und dort angewärmt werden. Die Kälte wird dabei über das Wärmeaustauschfluid an Kältespeicherfluide wie Propan und Benzin geleitet. Diese Kältespeicherfluide werden aus Tanks mit wärmerem Inhalt in die Tanks mit kälterem Inhalt mit Hilfe von entsprechenden Pumpen transportiert. Zu weiteren Details sei auf 2B verwiesen.
Grundsätzlich können im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein oder mehrere flüssige Kältespeichermedien verwendet werden. Insbesondere eignen sich dabei Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffgemische. In der in den beigefügten Zeichnungen erläuterten Anlage werden beispielsweise Benzin und Propan eingesetzt, um Kälte auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zwischenzuspeichern. Grundsätzlich ist jedoch auch die Verwendung anderer flüssiger Kältespeichermedien oder die Verwendung fester Kältespeichermedien, insbesondere von Festbettkältespeichern, siehe beispielsweise EP 2 930 322 A1 , möglich.
Wärmespeicher und (Festbett-)kältespeicher sind umfangreich in der einschlägigen Fachliteratur beschrieben (siehe beispielsweise I. Dinçer und M. A. Rosen, "Thermal Energy Storage – Systems and Applications", Chichester, John Wiley & Sons 2002). Als Speichermedien eignen sich beispielsweise Gestein, Beton, Ziegel, künstlich hergestellte Keramiken oder Gusseisen. Für niedrigere Speichertemperaturen eignen sich ferner Erde, Kies, Sand oder Schotter. Weitere Speichermedien wie Thermalöle oder Salzschmelzen sind beispielsweise aus dem Gebiet der Solartechnik bekannt. In entsprechenden Kältespeichern kann es sich als besonders vorteilhaft erweisen, das Speichermedium in einem Isolierbehälter bereitzustellen, was eine verlustfreie oder nahezu verlustfreie Wärme- bzw. Kältespeicherung ermöglicht.
Das oder die flüssigen Kältespeichermedien, falls verwendet, werden dabei in dem ersten Betriebsmodus erwärmt und in erwärmtem Zustand gespeichert und in dem zweiten Betriebsmodus abgekühlt und in abgekühltem Zustand gespeichert. Auf diese Weise kann die beim Überführen des Flüssigstroms in den gasförmigen oder überkritischen Zustand erforderliche Wärme in dem zweiten Betriebsmodus bereitgestellt und ein entsprechend abgekühltes flüssiges Kältespeichermedium zum Abkühlen des Druckluftstroms in dem ersten Betriebsmodus eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Wärmeübertragung von dem Wärmeaustauschfluid auf das oder die flüssigen Kältespeichermedien in dem ersten und von dem oder den flüssigen Kältespeichermedien auf den Flüssigstrom in dem zweiten Betriebsmodus unter Verwendung eines oder mehrerer weiterer Wärmetauscher vorgenommen, dem oder denen wenigstens zwei Teilströme des einen flüssigen Kältespeichermediums und/oder der mehreren flüssigen Kältespeichermedien zugeführt werden. Insbesondere durch die Verwendung mehrerer Wärmetauscher, aber auch durch die Unterteilung eines Wärmetauschers in entsprechende Abschnitte, lässt sich eine gestufte, an den jeweiligen Wärmebedarf angepasste Wärmeübertragung sicherstellen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, die auch in den beigefügten Figuren gezeigt ist, werden in dem ersten Betriebsmodus dem oder den Hauptwärmetauschern ein erster Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem ersten und ein zweiter Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem zweiten Temperaturniveau zugeführt. Ferner werden in dem ersten Betriebsmodus dem oder den Hauptwärmetauschern ein dritter Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem dritten, ein vierter Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem vierten und ein fünfter Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem fünften Temperaturniveau entnommen. Das erste und das zweite Temperaturniveau liegen dabei unterhalb des dritten, des vierten und des fünften Temperaturniveaus.
Gemäß dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden in dem zweiten Betriebsmodus dem oder den Hauptwärmetauschern ein erster Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem ersten und ein zweiter Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem zweiten Temperaturniveau entnommen. Ferner werden dabei in dem zweiten Betriebsmodus dem oder den Hauptwärmetauschern ein dritter Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem dritten, ein vierter Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem vierten und ein fünfter Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem fünften Temperaturniveau zugeführt. Das erste und das zweite Temperaturniveau liegen dabei oberhalb des dritten, des vierten und des fünften Temperaturniveaus
Das erste und das zweite Temperaturniveau in dem ersten und das dritte, das vierte und das fünfte Temperaturniveau in dem zweiten Betriebsmodus werden vorteilhafterweise durch Temperieren der Teilströme unter Verwendung des oder der weiteren Wärmetauscher eingestellt. Wie mehrfach erwähnt, kann dadurch eine besonders effiziente Wärmeübertragung durch Anpassen der Wärmetauschprofile aneinander sichergestellt werden.
Im Rahmen der erläuterten Ausführungsform werden vorteilhafterweise der dritte, der vierte und der fünfte Teilstrom in dem ersten und der erste und der zweite Teilstrom in dem zweiten Betriebsmodus zumindest teilweise vereinigt durch den oder die weiteren Wärmetauscher geführt. Diese können daher gemeinsam temperiert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Druckluftstrom und das Wärmeaustauschfluid in entgegengesetzten Richtungen durch den oder die Hauptwärmetauscher geführt werden, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus eine Richtungsumkehr durchgeführt wird. Auf diese Weise lässt sich ein nochmals verbesserter Wärmetausch sicherstellen.
Vorteilhafterweise wird das Wärmeaustauschfluid unter Verwendung eines Gebläses durch den oder die Hauptwärmetauscher befördert. Wie bereits erwähnt, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung kein regulärer Kältekreislauf mit Verdichtung und Entspannung des Wärmeaustauschfluids eingesetzt, ein Verdichtungsverhältnis an dem Gebläse liegt daher vorteilhafterweise höchstens bei 1,5.
Wie bereits im Rahmen der obigen Definitionen erläutert, kann ein in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführter Flüssigstrom zur Gewinnung von Energie weiter erwärmt und in einer oder mehreren Generatorturbinen entspannt werden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Erwärmung dabei in dem zweiten Betriebsmodus unter Verwendung von Verdichtungswärme, die dem Druckluftstrom in dem ersten Betriebsmodus entzogen und zwischengespeichert wurde, erfolgen. Dies ist auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren veranschaulicht. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, den erwärmten und in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführten Flüssigstrom zur Gewinnung von Energie einer oder mehreren Gasturbinen bzw. einer Brennkammer einer entsprechenden Gasturbine zuzuführen.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Anlage zum Speichern und Rückgewinnen von Energie, mit Mitteln, die dafür eingerichtet sind, eine tiefkalte Speicherflüssigkeit bereitzustellen und diese in einem ersten Betriebsmodus zumindest zum Teil unter Verwendung eines Druckluftstroms zu bilden, der abgekühlt und zumindest teilweise verflüssigt wird, und mit Mitteln, die dafür eingerichtet sind, unter Verwendung zumindest eines Teils der Speicherflüssigkeit in einem zweiten Betriebsmodus einen tiefkalten Flüssigstrom zu bilden, der erwärmt, in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt und zur Gewinnung von Energie verwendet wird, wobei zum Abkühlen des Druckluftstroms in dem ersten Betriebsmodus Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, eine Wärmeübertragung von dem Druckluftstrom auf ein Wärmeaustauschfluid und von dem Wärmeaustauschfluid auf ein oder mehrere Kältespeichermedien vorzunehmen, und wobei zum Erwärmen des Flüssigstroms in dem zweiten Betriebsmodus Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, eine Wärmeübertragung von dem oder den Kältespeichermedien auf das Wärmeaustauschfluid und von diesem auf den Flüssigstrom vorzunehmen.
Diese Anlage zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass zur Wärmeübertragung von dem Druckluftstrom auf das Wärmeaustauschfluid in dem ersten und von dem Wärmeaustauschfluid auf den Flüssigstrom in dem zweiten Betriebsmodus ein oder mehrere Hauptwärmetauscher vorgesehen sind, dass Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, diesem oder diesen wenigstens zwei Teilströme des Wärmeaustauschfluids auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zuzuführen und/oder auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zu entnehmen, und dass Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, als das Wärmeaustauschfluid ein stickstoffreiches Gas auf einem Druckniveau von 4 bis 30 bar zu verwenden.
Eine entsprechende Anlage ist insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet, wie es zuvor erläutert wurde. Bezüglich Merkmalen und Vorteilen einer entsprechenden Anlage sei daher auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, welche unter anderem bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in unterschiedlichen Betriebsmodi zeigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die 1A bis 1D zeigen eine Anlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in unterschiedlichen Betriebsmodi.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die 1A bis 1D zeigen eine Anlage 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in stark vereinfachter, schematischer Darstellung. Es sind unterschiedliche Betriebsmodi im Vergleich zueinander dargestellt. Diese unterscheiden sich unter anderem in der Schaltung einer Vielzahl von Ventilen, die nicht im Einzelnen dargestellt sind. Dies betrifft insbesondere geöffnete Ventile. Durch Ventile versperrte Leitungen bzw. inaktive Stoffströme sind jeweils durchkreuzt dargestellt. Flüssige Stoffströme sind mit schwarzen (ausgefüllten), gasförmige Stoffströme hingegen mit weißen (nicht ausgefüllten) Flusspfeilen veranschaulicht.
Zum Druckausgleich zwischen unterschiedlichen Speichertanks, die in den 1A bis 1D dargestellt sind, sind Druckausgleichssysteme vorgesehen. Auch diese sind nicht gesondert bezeichnet oder erläutert.
Die Anlage ist insgesamt mit 100 bezeichnet. Sie umfasst im dargestellten Beispiel eine kombinierte Druckluftversorgungs- und Energiegewinnungseinheit 10, eine Wärmespeichereinheit 20, eine Nachverdichtereinheit 30, eine Adsorbereinheit 40, eine Wärmetauscheinheit 50, eine Kältespeichereinheit 60, eine Verflüssigungseinheit 70 und eine Flüssigspeichereinheit 80. Die genannten Einheiten sind lediglich der Übersichtlichkeit halber in den Figuren entsprechend zusammengefasst und müssen nicht notwendigerweise baulich oder funktionell gruppiert sein.
1A zeigt die Anlage 100 in einem ersten Betriebsmodus, der hier auch als Verflüssigungsbetrieb bezeichnet und, wie bereits erläutert, in einem Energiespeicherzeitraum durchgeführt wird.
In der Druckluftversorgungs- und Energiegewinnungseinheit 10 wird Luft (AIR) mittels eines Verdichters oder einer Verdichterstufe 11 über ein Filter 12 angesaugt, als Druckluftstrom a in einem beispielsweise gewickelten Wärmetauscher 13 abgekühlt, in einem weiteren Verdichter oder einer weiteren Verdichterstufe 14 weiter verdichtet und erneut in dem Wärmetauscher 13 abgekühlt. Der entsprechend behandelte Druckluftstrom ist in 1 mit b bezeichnet.
In der Wärmespeichereinheit 20 wird die in dem Wärmetauscher 13 dem Druckluftstrom a entzogene Wärme zwischengespeichert. Hierzu wird einem ersten Tank 21 ein geeignetes Speicherfluid entnommen, mittels einer nicht gesondert bezeichneten Pumpe in Form eines Stoffstroms c durch den Wärmetauscher 13 geführt, und in erwärmtem Zustand in einen zweiten Tank 22 eingespeist. In der Nachverdichtereinheit 30 wird der Druckluftstrom b mit einem Druckluftstrom d vereinigt, dessen Herkunft unten erläutert ist.
Der nun mit e bezeichnete, vereinigte Druckluftstrom wird mittels einer oder mehrerer Verdichterstufen 31 nachverdichtet und in nachverdichteter Form, nun mit f bezeichnet, beispielsweise auf einem Druckniveau von ca. 90 bar, in die Adsorbereinheit 40 überführt. In einem oder mehreren nicht gesondert bezeichneten Vor- und Nachkühlern kann eine Vor- bzw. Nachkühlung erfolgen. In der Adsorbereinheit 40 wird der Stoffstrom f durch einen oder mehrere Adsorber 41 geführt, in diesem oder diesen insbesondere von Feuchtigkeit und Kohlendioxid befreit. Der entsprechend gereinigte Druckluftstrom ist nun mit g bezeichnet. Er wird anschließend noch stromauf der Wärmetauscheinheit 50 in einem Hauptteilstrom h (beispielsweise ca. 90%) und einen Nebenteilstrom i (beispielsweise ca. 10%) aufgeteilt.
In der Wärmetauscheinheit 50 wird der Hauptteilstrom h durch einen beispielsweise gewickelten Wärmetauscher 51, hier als ”Hauptwärmetauscher” bezeichnet, geführt, dort auf beispielsweise ca. –150°C abgekühlt, und anschließend wieder mit dem Nebenteilstrom i vereinigt. Ein dabei gebildeter Stoffstrom ist nun mit k bezeichnet. Er wird in der Flüssigspeichereinheit 80 in einer Generatorturbine und parallel dazu ggf. in einem nicht gesondert bezeichneten Ventil entspannt, beispielsweise auf ca. 12 bar, und flüssig in einen isolierten Tieftemperaturtank 82 eingespeist.
Dem Hauptwärmetauscher 51 der Wärmetauscheinheit 50 werden kaltseitig sowie auf einer Zwischentemperatur kalte, druckbeaufschlagte, gasförmige Stickstoffströme A und B auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zugeführt. Der in Form dieser Stickstoffströme zugeführte Stickstoff, das ”Wärmeaustauschfluid”, erwärmt sich in dem Hauptwärmetauscher 51 im Gegenstrom zu der dort abgekühlten Druckluft des Hauptteilstroms h und wird diesem in Form mehrerer erwärmter Stickstoffströme C, D und E auf unterschiedlichen Temperaturniveaus wieder entnommen.
Die Wärmetauscheinheit 50 umfasst im dargestellten Beispiel vier weitere Wärmetauscher 52, 53, 54 und 55. Die erwärmten Stickstoffströme C und D werden dabei zunächst in den Wärmetauschern 52 und 53 weiter erwärmt, miteinander und mit dem erwärmten Stickstoffstrom E vereinigt und mittels eines Gebläses 56 dem Wärmetauscher 52 kaltseitig zugeführt. Der Stickstoff der vereinigten Stickstoffströme C, D und E wird nacheinander in den Wärmetauschern 52, 53 und 54 abgekühlt. Stromab des Wärmetauschers 54 wird der kalte Stickstoffstrom B abgezweigt, der kalte Stickstoffstrom A wird zusätzlich in dem Wärmetauscher 55 abgekühlt. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Temperaturen erzielen.
Wärme der genannten Stickstoffströme wird in dem ersten Betriebsmodus in den Wärmetauschern 52, 53, 54 und 55 im dargestellten Beispiel auf ein oder mehrere Kältespeicherfluide der Kältespeichereinheit 60 übertragen, die in Tanks 61, 62 und 63 vorgehalten und, wie nachfolgend erläutert, nach ihrer Erwärmung durch die Wärmeübertragung in Tanks 64, 65 und 66 überführt werden. Im dargestellten Beispiel sind die Tanks 61 und 62 bzw. 64 und 65 jeweils zur Aufnahme von Propan, die Tanks 63 und 66 hingegen zur Aufnahme von Benzin als Kältespeicherfluid eingerichtet. Den Tanks 64, 65 und 66 sind jeweils nicht gesondert bezeichnete Gasbehälter zugeordnet, die von einer Stickstoffversorgungseinrichtung 67 gespeist werden können. In den auf wärmerer Temperatur vorliegenden Tanks 64, 65 und 66 abdampfendes Gas der Kältespeicherfluide kann abgefackelt werden (”to flare”).
Dem Tank 61 wird Kältespeicherfluid entnommen und unter Verwendung einer nicht gesondert bezeichneten Pumpe zu einem ersten Teil nacheinander durch die Wärmetauscher 55, 54 und 53 und zu einem zweiten Teil nacheinander durch die Wärmetauscher 55 und 54 geführt. Der erste Teil wird anschließend in den Tank 64 eingespeist. Stromab des Wärmetauschers 55 wird der zweite Teil mit einem Kältespeicherfluid aus dem Tank 62 vereinigt, das ebenfalls unter Verwendung einer nicht gesondert bezeichneten Pumpe durch den Wärmetauscher 54 geführt wird. Dieses vereinigte Kältespeicherfluid wird anschließend in den Tank 65 eingespeist. Aus dem Tank 63 entnommenes Kältespeicherfluid wird lediglich durch den Wärmetauscher 52 geführt und danach in den Tank 66 eingespeist. Das oder die Kältespeicherfluide werden, wie bereits erwähnt, jeweils in erwärmtem Zustand in den Tanks 64, 65 und 66 gespeichert.
Boiloffgas bzw. Flashgas und verdrängtes Gas aus dem Tieftemperaturtank 82 der Flüssigspeichereinheit 80 wird in Form eines Stoffstroms I in die Verflüssigungseinheit 70 überführt und dort mit einem Stoffstrom m vereinigt, dessen Herkunft nachfolgend erläutert wird. Ein durch das Vereinigen der Stoffströme I und m gebildeter Stoffstrom, nun mit n bezeichnet, wird in einem Wärmetauscher 71 der Verflüssigungseinheit 70 erwärmt. Er kühlt dabei den Nebenteilstrom i des Druckluftstroms g, beispielsweise auf ein Temperaturniveau von –135°C. Der Stoffstrom n wird anschließend in einem Booster 72 verdichtet, in einem nicht gesondert bezeichneten Nachkühler abgekühlt, in der Nachverdichtereinheit 30 in einer oder mehreren Verdichterstufen 32 nachverdichtet und wiederum in einem nicht gesondert bezeichneten Nachkühler abgekühlt. Ein Teil der Stoffstroms n wird als der bereits erwähnte Druckluftstrom d abgezweigt, ein weiterer Teil in Form eines Druckluftstroms o in die Verflüssigungseinheit 70 zurückgeführt. In der Verflüssigungseinheit 70 wird der Druckluftstrom o in dem Wärmetauscher 71 teilabgekühlt, in einer mit dem Booster 72 mechanisch gekoppelten Entspannungsmaschine 73 entspannt und abgekühlt und in entspannter Form als der erwähnte Stoffstrom m mit dem Stoffstrom I vereinigt.
1B zeigt die Anlage 100 in einem zweiten Betriebsmodus, der hier auch als Entnahmebetrieb bezeichnet und, wie bereits erläutert, in einem Energierückgewinnungszeitraum durchgeführt wird.
Dem Tieftemperaturtank 82 der Flüssigspeichereinheit 80 wird nun in Form eines Stoffstroms p Flüssigluft (LAIR) mittels einer Pumpe entnommen, druckbeaufschlagt, beispielsweise auf einen Druck von 90 bar, in dem Hauptwärmetauscher 51 der Wärmetauscheinheit 50 erwärmt und dabei in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt. Es kann eine nicht gesondert bezeichnete Druckaufbauverdampfung zur Entnahme aus dem Tieftemperaturtank 82 verwendet werden. Ein durch die Druckbeaufschlagung und die Überführung in den gasförmigen oder überkritischen Zustand erhaltener Druckluftstrom q wird an der Adsorbereinheit 40 und der Nachverdichtereinheit 30 vorbeigeführt und in die Druckluftversorgungs- und Energiegewinnungseinheit 10 eingespeist. Dort wird der Druckluftstrom q in dem Wärmetauscher 13 erwärmt, in einer Generatorturbine 15 entspannt, in dem Wärmetauscher 13 weiter erwärmt, in einer weiteren Generatorturbine 16 weiter entspannt und an die Umgebung (amb) abgeblasen. Stromauf der Entspannung in der Generatorturbine 15 kann ein Teil als Regeneriergas abgezweigt, durch den Adsorber 41 der Adsorbereinheit 40 geführt und nach Erwärmung in dem Wärmetauscher 13 wieder mit dem Druckluftstrom q vereinigt werden (siehe Verknüpfungen 1 und 2).
Die Erwärmung des Druckluftstroms q in dem Wärmetauscher 13 erfolgt unter Verwendung von Wärme, die von dem Speicherfluid der Wärmespeichereinheit 20 auf den Druckluftstrom q übertragen wird. Hierzu wird in dem ersten Betriebsmodus in dem Tank 22 erwärmt gespeichertes Wärmespeicherfluid (siehe 1) in Form eines Stoffstroms r mittels einer nicht gesondert bezeichneten Pumpe durch den Wärmetauscher 13 geführt und in abgekühlter Form in dem Tank 21 gespeichert. Die Verflüssigungseinheit ist in dem zweiten Betriebsmodus, wie er in 1B gezeigt ist, typischerweise nicht in Betrieb.
Mittels des Gebläses 56, das in dem zweiten Betriebsmodus, wie er in 1B gezeigt ist, gegenüber dem ersten Betriebsmodus gemäß 1 in umgekehrter Richtung betrieben wird, wird warmer, druckbeaufschlagter, gasförmiger Stickstoff in Form eines Stickstoffstroms F gefördert und zu einem ersten Anteil in Form eines Stickstoffstroms G in dem Wärmetauscher 52 sowie zu einem zweiten Anteil in Form eines Stickstoffstroms H dem Hauptwärmetauscher 51 warmseitig zugeführt. Ein erster Anteil des Stickstoffstroms G wird dem Wärmetauscher 52 in Form eines Stickstoffstroms I kaltseitig entnommen, ein weiterer Teil wird in Form eines Stickstoffstroms K durch den Wärmetauscher 53 geführt. Die Stickstoffströme I und K werden in den Hauptwärmetauscher 51 eingespeist. Dem Hauptwärmetauscher 51 werden Stickstoffströme L und M auf unterschiedlichen Temperaturniveaus entnommen. Der Stickstoffstrom M wird in dem Wärmetauscher 55 angewärmt und danach mit dem Stickstoffstrom L vereinigt. Der dabei gebildete Stickstoffstrom, der dem Stickstoffstrom F entspricht, wird in den Wärmetauschern 54, 53 und 52 erwärmt.
Die Erwärmung des gasförmigen Druckstickstoffs der genannten Stickstoffströme wird unter Verwendung von Wärme durchgeführt, die von dem oder den Kältespeicherfluiden der Kältespeichereinheit 60 auf den Druckstickstoff übertragen wird. Das oder die Kältespeicherfluide wurden in dem ersten Betriebsmodus gemäß 1 in dem oder den Tanks 64, 65 und 66 gespeichert.
Kältespeicherfluid aus dem Tank 66 wird mittels einer nicht gesondert bezeichneten Pumpe durch den Wärmetauscher 52 und in den Tank 63 befördert. Kältespeicherfluid aus dem Tank 64 wird mittels einer nicht gesondert bezeichneten Pumpe durch die Wärmetauscher 53, 54 und 55 in den Tank 61 befördert. Kältespeicherfluid aus dem Tank 65 wird mittels einer nicht gesondert bezeichneten Pumpe durch den Wärmetauscher 54 zum Teil in den Tank 61 und zum Teil in den Tank 62 befördert.
1C zeigt die Anlage 100 weiter in dem dritten Betriebsmodus, der allerdings gemäß 1C in modifizierter Form durchgeführt wird und zur Vorkühlung der Adsorptionseinheit 40 bzw. des oder der darin vorgesehenen Adsorber nach der Regeneration gemäß dem zweiten Betriebsmodus gemäß 1B dient. Der modifizierte dritte Betriebsmodus gemäß 1C dient insbesondere der Vorbereitung des ersten Betriebsmodus, der sich an diesen anschließt.
Der bereits in 1B veranschaulichte Strom q wird hier nicht um die Adsorptionseinheit 40 herum, sondern durch diese und den oder die Adsorberbehälter 41 hindurch geführt. Entsprechend wird (siehe Verknüpfungen 1 und 2) kein Regeneriergasstrom gebildet und durch den oder die Adsorber geführt.
1D zeigt die Anlage 100 in einem dritten Betriebsmodus, der hier auch als Anfahrbetrieb bezeichtet und beim erstmaligen oder erneuten Anfahren der Anlage 100 durchgeführt wird.
In dem dritten Betriebsmodus gemäß 1D ist die Druckluftversorgungs- und Energiegewinnungseinheit 10 aufgrund der begrenzten Kapazität der Wärmespeichereinheit 20 nur zeitweise in Betrieb. Daher wird hier ein trockener Druckluft- oder Druckstickstoffstrom s aus einer externen Quelle 90 bereitgestellt und mit einem Stoffstrom t, der im Wesentlichen dem Stoffstrom n des ersten Betriebsmodus gemäß 1 entspricht, vereinigt. Ein dadurch gebildeter, nun mit u bezeichneter Sammelstrom wird durch die eine oder mehreren Nachverdichterstufen der Nachverdichtereinheit 32 geführt und hier verdichtet. Der Stoffstrom u wird nun in zwei Teilströme v und w aufgeteilt. Der Teilstrom v wird in dem Wärmetauscher 71 der Verflüssigungseinheit 70 abgekühlt und dabei verflüssigt. Er wird anschließend mittels der Generatorturbine 81 und/oder des erwähnten Ventils entspannt und in den Tieftemperaturspeicher 82 eingespeist.
Der Teilstrom w wird im Wesentlichen wie der Stoffstrom o des ersten Betriebsmodus gemäß 1 behandelt, d. h. in der Entspannungsturbine 73 entspannt, mit einem Boiloffgasstrom x aus dem Tieftemperaturspeicher 82 der Speichereinheit 80 vereinigt und in dem Wärmetauscher 71 angewärmt. Der angewärmte Stoffstrom wird in dem Booster 72 verdichtet und als der Stoffstrom t mit dem Stoffstrom s vereinigt.
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 3139567 A1 [0002]
EP 1989400 A1 [0002]
EP 2930322 A1 [0029]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

I. Dinçer und M. A. Rosen, ”Thermal Energy Storage – Systems and Applications”, Chichester, John Wiley & Sons 2002 [0030]

Claims

Verfahren zum Speichern und Rückgewinnen von Energie, bei dem eine tiefkalte Speicherflüssigkeit bereitgestellt wird, die in einem ersten Betriebsmodus zumindest zum Teil unter Verwendung eines Druckluftstroms gebildet wird, der abgekühlt und zumindest teilweise verflüssigt wird, und bei dem unter Verwendung zumindest eines Teils der Speicherflüssigkeit in einem zweiten Betriebsmodus ein tiefkalter Flüssigstrom gebildet wird, der druckbeaufschlagt, erwärmt, in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt und zur Gewinnung von Energie verwendet wird, wobei das Abkühlen des Druckluftstroms in dem ersten Betriebsmodus eine Wärmeübertragung von dem Druckluftstrom auf ein Wärmeaustauschfluid und von dem Wärmeaustauschfluid auf ein oder mehrere Kältespeichermedien umfasst, und wobei das Erwärmen des Flüssigstroms in dem zweiten Betriebsmodus eine Wärmeübertragung von dem oder den Kältespeichermedien auf das Wärmeaustauschfluid und von dem Wärmeaustauschfluid auf den Flüssigstrom umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragung von dem Druckluftstrom auf das Wärmeaustauschfluid in dem ersten und von dem Wärmeaustauschfluid auf den Flüssigstrom in dem zweiten Betriebsmodus in einem oder mehreren Hauptwärmetauschern (51) vorgenommen wird, dem oder denen wenigstens zwei Teilströme des Wärmeaustauschfluids auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zugeführt und/oder auf unterschiedlichen Temperaturniveaus entnommen werden, und dass als das Wärmeaustauschfluid ein inertgasreiches Gas auf einem Druckniveau von 4 bis 30 bar verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als das oder als zumindest eines der Kältespeichermedien ein flüssiges Kältespeichermedium verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das oder die flüssigen Kältespeichermedien wenigstens einen Kohlenwasserstoff umfassen.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das oder die flüssigen Kältespeichermedien in dem ersten Betriebsmodus erwärmt und in erwärmtem Zustand gespeichert und in dem zweiten Betriebsmodus abgekühlt und in abgekühltem Zustand gespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Wärmeübertragung von dem Wärmeaustauschfluid auf das oder die flüssigen Kältespeichermedien in dem ersten und von dem oder den flüssigen Kältespeichermedien auf den Flüssigstrom in dem zweiten Betriebsmodus unter Verwendung eines oder mehrerer weiterer Wärmetauscher (52–55) vorgenommen wird, dem oder denen wenigstens zwei Teilströme des einen flüssigen Kältespeichermediums und/oder der mehreren flüssigen Kältespeichermedien zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem in dem ersten Betriebsmodus dem oder den Hauptwärmetauschern (51) ein erster Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem ersten und ein zweiter Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem zweiten Temperaturniveau zugeführt werden, und bei dem in dem ersten Betriebsmodus dem oder den Hauptwärmetauschern (51) ein dritter Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem dritten, ein vierter Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem vierten und ein fünfter Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem fünften Temperaturniveau entnommen werden, wobei das erste und das zweite Temperaturniveau unterhalb des dritten, des vierten und des fünften Temperaturniveaus liegen.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem in dem zweiten Betriebsmodus dem oder den Hauptwärmetauschern (51) ein erster Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem ersten und ein zweiter Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem zweiten Temperaturniveau entnommen werden, und bei dem in dem zweiten Betriebsmodus dem oder den Hauptwärmetauschern (51) ein dritter Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem dritten, ein vierter Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem vierten und ein fünfter Teilstrom des Wärmeaustauschfluids auf einem fünften Temperaturniveau zugeführt werden, wobei das erste und das zweite Temperaturniveau oberhalb des dritten, des vierten und des fünften Temperaturniveaus liegen.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das erste und das zweite Temperaturniveau in dem ersten und das dritte, das vierte und das fünfte Temperaturniveau in dem zweiten Betriebsmodus durch Temperieren der Teilströme unter Verwendung des oder der weiteren Wärmetauscher (52–55) eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem der dritte, der vierte und der fünfte Teilstrom in dem ersten und der erste und der zweite Teilstrom in dem zweiten Betriebsmodus zumindest teilweise vereinigt durch den oder die weiteren Wärmetauscher geführt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Druckluftstrom und das Wärmeaustauschfluid in entgegengesetzten Richtungen durch den oder die Hauptwärmetauscher (51) geführt werden, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus eine Richtungsumkehr durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Wärmeaustauschfluid unter Verwendung eines Gebläses durch den oder die Hauptwärmetauscher befördert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Verwendung des erwärmten und in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführten Flüssigstroms zur Gewinnung von Energie umfasst, den erwärmten und in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführten Flüssigstrom weiter zu erwärmen und in einer oder mehreren Generatorturbinen (15) zu entspannen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Verwendung des erwärmten und in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführten Flüssigstroms zur Gewinnung von Energie umfasst, den erwärmten und in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführten Flüssigstrom einer oder mehreren Gasturbinen zuzuführen.
Anlage (100) zum Speichern und Rückgewinnen von Energie, mit Mitteln, die dafür eingerichtet sind, eine tiefkalte Speicherflüssigkeit bereitzustellen und diese in einem ersten Betriebsmodus zumindest zum Teil unter Verwendung eines Druckluftstroms zu bilden, der abgekühlt und zumindest teilweise verflüssigt wird, und mit Mitteln, die dafür eingerichtet sind, unter Verwendung zumindest eines Teils der Speicherflüssigkeit in einem zweiten Betriebsmodus einen tiefkalten Flüssigstrom zu bilden, der druckbeaufschlagt, erwärmt, in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt und zur Gewinnung von Energie verwendet wird, wobei zum Abkühlen des Druckluftstroms in dem ersten Betriebsmodus Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, eine Wärmeübertragung von dem Druckluftstrom auf ein Wärmeaustauschfluid und von dem Wärmeaustauschfluid auf ein oder mehrere Kältespeichermedien vorzunehmen, und wobei zum Erwärmen des Flüssigstroms in dem zweiten Betriebsmodus Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, eine Wärmeübertragung von dem oder den Kältespeichermedien auf das Wärmeaustauschfluid und von dem Wärmeaustauschfluid auf den Flüssigstrom vorzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmeübertragung von dem Druckluftstrom auf das Wärmeaustauschfluid in dem ersten und von dem Wärmeaustauschfluid auf den Flüssigstrom in dem zweiten Betriebsmodus ein oder mehrere Hauptwärmetauscher (51) vorgesehen sind, dass Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, diesem oder diesen wenigstens zwei Teilströme des Wärmeaustauschfluids auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zuzuführen und/oder auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zu entnehmen, und dass Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, als das Wärmeaustauschfluid ein inertgasreiches Gas auf einem Druckniveau von 4 bis 30 bar zu verwenden.
Anlage (100) nach Anspruch 14, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 eingerichtet ist.