DE102016119668A1

DE102016119668A1 - Induktiver Wärmespeicher und Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie

Info

Publication number: DE102016119668A1
Application number: DE102016119668.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2018-04-19

Abstract

Ein induktiver Wärmespeicher (1) mit einem Speichermedium (3) und mindestens einer Induktionsspule (5) zur induktiven Erwärmung des Speichermediums (3) bei einem Stromfluss durch die mindestens eine Induktionsspule (5), wird beschreiben. Das Speichermedium (3) enthält ein induktiv erwärmbares Induktionsmaterial und ein mit dem Induktionsmaterial vermischtes Wärmespeichermaterial, das nicht induktiv erwärmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Wärmespeicher mit einem Speichermedium und mindestens einer Induktionsspule zur induktiven Erwärmung des Speichermediums bei einem Stromfluss durch die mindestens eine Induktionsspule und ferner ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie.
EP 2 466 223 A2 beschreibt einen thermischen Speicher, der ein isoliertes Gehäuse hat. Als Speichermedium wird ein Fluid, vorzugsweise Wasser, das durch zwei Anschlüsse dem Gehäuse zu- oder abgeführt werden kann, verwendet. Das Speichermedium wird nicht innerhalb des Gehäuses erwärmt, sondern dem Gehäuse, bereits extern erwärmt, zugeführt. Solche Pufferspeicher dienen vor allem zur kurzzeitigen Speicherung von thermischer Energie.
Die DE 102 08 487 A1 offenbart ein solarthermisches Kraftwerk, das einen Heißluft-Sand-Wärmetauscher aufweist, über den thermische Energie von heißer Luft, die von gebündelter Solarstrahlung durch ein Heliostatfeld erwärmt wird, an Sand übertragen wird. Der aufgeheizte Sand wird vor der Weiterbenutzung in einem Heißspeicher gelagert. Über eine Sandleitung wird der heiße Sand zu einem Sand-Luft-Wärmetauscher transportiert, in dem die thermische Energie an unter Druck stehende Luft übertragen wird. Die überhitzte Luft wird nachfolgend an eine Turbine zur Generierung elektrischer Energie weitergeleitet.
Die EP 1 286 565 B1 beschreibt einen Wärmetauscher, der in elektrisch leitfähigen Rohren einen Heizstrom über eine Spule, die an einem Wechselstromanschluss angeschlossen ist, induziert. Über zwei Anschlussstrukturen kann ein Fluid durch den Wärmetauscher geführt werden. Das so an den beheizten Rohren vorbeigeführte Fluid wird dadurch aufgeheizt. Ein Wärmetauscher dieser Art weist keine Speicherkapazität auf. Er dient lediglich zum Erwärmen eines Fluides, das ein Transportmedium für die thermische Energie ist.
DE 10 2013 210 091 A1 offenbart einen Wärmespeicher, der einen Mineralstoff gefüllten Behälter hat und von einer thermischen Isolierung umgeben ist. Der Mineralstoff wird mittels einer elektrisch betriebenen Heizung erwärmt. Der Wärmeaustausch zwischen dem Speicher und der Umgebung wird mit Hilfe steuerbarer Klappen realisiert, die je nach Öffnung eine Abgabe einer Wärmemenge an einen Zwischenraum ermöglichen. Dieser Zwischenraum ist umgeben von einem Mineralstoffgemenge, das einen Wärmetauscher zur Beheizung des Gebäudes aufweist.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten induktiven Wärmespeicher zur Speicherung von thermischer Energie zu schaffen, der elektrische Energie in Form von thermischer Energie speichern kann und dabei einen guten Wirkungsgrad aufweist.
Die Aufgabe wird mit einem induktiven Wärmespeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch das Verfahren nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Zum Erreichen der Ziele der Energiewende sind Energiespeicher unbedingt erforderlich. Es wird daher ein induktiver Wärmespeicher mit einer Energiespeichermasse vorgeschlagen, die überschüssigen Strom in Wärme umwandelt und zwischenspeichert. Bei Bedarf kann diese Wärmeenergie durch den Energieträger Dampf mit Hilfe einer Turbine und einem Generator wieder in Strom zurückverwandelt werden.
Die Energiespeichermasse weist ein Gemisch aus einem induktiv erwärmbaren, d.h. elektrisch leitfähigem Induktionsmaterial und einem induktiv nicht erwärmbaren, d.h. elektrisch nicht leitfähigem bzw. nicht-metallischem Wärmespeichermaterial auf. Über eine Induktionsspule wird dieses Speichermedium durch Induktion bzw. Ummagnetisierung erwärmt, indem die elektrisch leitfähigen Anteile des Speichermaterials induktiv erregt und die dabei durch die Induktion und Ummagnetisierung erzeugte Wärme an die elektrisch nicht leitfähigen Anteile des Speichermaterials übertragen werden. Über einen Wärmetauscher kann die gespeicherte Wärmeenergie dann bei Bedarf einer Nutzung zugeführt werden.
Mithilfe eines solchen Wärmespeichers kann elektrische Energie ohne große Verluste in thermische Energie umgewandelt und gespeichert werden, da die Erwärmung des Speichermediums direkt erfolgt, wobei das induzierte Feld durch das im Gemisch verteilte Induktionsmaterial im gesamten Volumen des Speichermediums wirkt und die Energie nicht durch eine zusätzliche Wärmeleitung übertragen werden muss. Die zur Wärmeübertragung wirksame Fläche des Wärmespeichermaterials ist durch das Gemisch sehr groß. Der Wärmespeicher ist sehr einfach und kostengünstig aufgebaut und für den Langzeiteinsatz ohne aufwendige Wartung geeignet.
Das Wärmespeichermaterial des Speichermediums kann dabei mineralischen Sand haben, der eine gute Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit hat und in großen Mengen preiswert zur Verfügung steht. Dadurch hat das Speichermedium eine hohe Wärmespeicherfähigkeit und kann Temperaturen über einen längeren Zeitraum ohne einen großen Verlust an Energie halten. Sand stellt auch eine große Anlagefläche z.B. an einem Rohrleitungsnetz eines Wärmetauschers zur Verfügung, das durch das Speichermedium geführt ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der mineralische Sand quarzitreicher Sand ist. Sand kann auf hohe Temperaturen aufgeheizt werden, ohne zu verdampfen bzw. sein Volumen zu verändern. Die Speicherzeit, in der Sand seine Temperatur hält, hängt im Wesentlichen von der Isolierung ab.
Die Kornzusammensetzung sollte so angestimmt sein, dass eine dichte Packung mit möglichst wenig Luftanteil entsteht und eine gute Kontaktierung des Induktionsmaterials mit dem Wärmespeichermaterial gewährleistet ist. Damit wird die Bildung von isolierenden Luftkammern innerhalb des Behälters verhindert.
Als Induktionsmaterial eignet sich beispielsweise Körner, die aus Metalllegierungen oder Metallverbindungen gebildet sind. Insbesondere sind Eisenpartikel geeignet. Die das Induktionsmaterial bildenden Partikel sollten so bemessen sein, dass die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen möglichst groß ist.
Bei einem Verfahren mit einem oben beschriebenen induktiven Wärmespeicher wird ein Speichermedium, das ein Gemisch aus einem elektrisch leitfähiges Induktionsmaterial und einem elektrisch isolierendes Wärmespeichermaterial ist, induktiv erwärmt. Die im Speichermedium gespeicherte thermische Energie wird mit einem Wärmetauscher an ein Transportmedium übertragen.
Das Verfahren kann um eine Weiterleitung des Transportmediums an eine Turbine zur Generierung elektrischer Energie ergänzt sein. Durch den induktiven Wärmespeicher ist es möglich überhitzten Dampf zu erhalten, mit dem die im Speichermedium gespeicherte thermische Energie sehr effizient wieder in elektrische Energie mittels einer Turbine umgewandelt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

1 - schematische Darstellung eines induktiven Wärmespeichers.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines induktiven Wärmespeichers 1 mit einem thermisch isolierten Behälter 2, der ein Speichermedium 3 beinhaltet. Das Speichermedium 3 besteht aus einem Gemisch aus einem elektrisch leitfähigen Induktionsmaterial und einem elektrisch isolierenden Wärmespeichermaterial.
Der Behälter 2 ist ein oben offener Behälter mit rechteckiger Grundfläche. Seine vier Seitenwände sind aus nicht magnetisierbarem, glasfaserverstärktem Material mit einer Ausmauerung mit Schamotte 4 gebildet. Der Behälter 2 dient zur Aufnahme des Speichermediums 3, d.h. der Wärmespeichermasse, die ein Gemisch aus Mineralsand und Eisenpartikeln ist.
Die vier Außenseiten des Behälters 2 und der Boden bestehen aus glasfaserverstärktem Beton. Für die obere Abdeckung des Behälters 2 ist wiederum eine thermische Isolierung vorgesehen. Bei dieser Isolierung sind Induktionsspulen 5 (Induktoren) angebracht.
Denkbar ist aber auch, dass Induktionsspulen 5 im Innenraum des Behälters 2 angeordnet sind. Bei einem Stromfluss durch die mindestens eine Induktionsspule 5 wird der induktiv erwärmbare Anteil des Speichermediums 3, d.h. das Induktionsmaterial induktiv erwärmt.
Innerhalb des Behälters 2 ist ein Wärmetauscher angeordnet, der die gespeicherte thermische Energie im Speichermedium 3 bei Bedarf auf ein Transportmedium überträgt und einer Nutzung zuführt. Hierzu hat der Wärmetauscher eine vom unteren Bereich des Behälters 2 zum oberen Bereich leicht ansteigende Rohrleitung 6. Diese Rohrleitung 6 sollte z.B. in Form einer Rohrschlange im Innenraum des Behälters 2 möglichst großräumig durch das Speichermedium geführt sein. Am unteren Ende der Rohrleitung 6 ist ein Ventil 7 vorgesehen, um die Rohrleitung 6 bei Bedarf mit Wasser zu füllen. Dieses Ventil 7 befindet sich dabei außerhalb des Behälters 2. Die steigende Rohrleitung 6 ist bis über den oberen Rand des Behälters 2 hochgezogen und nach außen abgeknickt. Das obere Ende des Wärmetauschers ist ebenfalls nach außen abgeknickt.
Die gesamte Konstruktion des Wärmetauschers ist in einem Gestell angeordnet, das lose auf dem Boden des Behälters 2 aufgesetzt ist.
Temporär überschüssige elektrische Energie wird genutzt, indem die Induktionsspulen 5 bestromt werden und damit das Induktionsmaterial, d.h. die Eisenteile in der Wärmespeichermasse induktiv aufgeheizt wird. Diese aufgeheizten Eisenpartikel geben dann die Wärme an den damit vermischten Mineralsand weiter, so dass die Wärmeträgermasse insgesamt aufgeheizt wird.
Zur Entladung der gespeicherten Wärmeenergie wird in den unteren Teil des Wärmetauschers Wassereingeführt. Das Wasser hat einen etwas größeren Druck, als zum Betrieb einer nachgeschalteten Turbine 8 erforderlich ist.
Die Wassermenge, die unten in den Wärmetauscher eingebracht wird, ist abhängig von dem Druck des Dampfes, der oben aus dem Wärmetauscher austritt, um die Turbinen 8 anzutreiben. Durch die Menge des eingebrachten Wassers kann der Druck vor der Turbine 8 geregelt werden. Dies kann mit einer die Wassermenge regulierenden Pumpe erfolgen.
Da der Wärmetauscher weit über die Sattdampftemperatur entsprechend dem Druck vor der Turbine 8 aufgeheizt wird, entsteht im oberen Teil des Wärmetauschers überhitzter Dampf. Dieser überhitzte Dampf hat ein wesentlich größeres Volumen, als der satte Dampf, so dass für den Antrieb der Turbine 8 ein wesentlich größeres Volumen zur Verfügung steht.
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

EP 2466223 A2 [0002]
DE 10208487 A1 [0003]
EP 1286565 B1 [0004]
DE 102013210091 A1 [0005]

Claims

Induktiver Wärmespeicher (1) mit einem Speichermedium (3) und mindestens einer Induktionsspule (5) zur induktiven Erwärmung des Speichermediums (3) bei einem Stromfluss durch die mindestens eine Induktionsspule (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (3) ein induktiv erwärmbares Induktionsmaterial und ein mit dem Induktionsmaterial vermischtes Wärmespeichermaterial, das nicht induktiv erwärmbar ist, enthält.
Induktiver Wärmespeicher (1) nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermaterial mineralischen Sand, vorzugsweise quarzitreichen Sand enthält.
Induktiver Wärmespeicher (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mineralische Sand eine Kornzusammensetzung hat, die zur Reduzierung des Luftanteils im Speichermedium abgestimmt ist.
Induktiver Wärmespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermaterial aus gebrochenem, gemahlenen Sand gebildet ist.
Induktiver Wärmespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktionsmaterial aus einer Metalllegierung und/oder Metallverbindungen gebildet ist.
Induktiver Wärmespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktionsmaterial aus Eisen gebildet ist.
Induktiver Wärmespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktionsmaterial eine im Verhältnis zum Volumen große Oberfläche hat.
Induktiver Wärmespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (3) die mindestens eine Induktionsspule (5) umgibt.
Induktiver Wärmespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium (3) einen Wärmetauscher zur Übertragung der im Speichermedium (3) gespeicherten thermischen Energie auf ein Transportmedium umgibt.
Verfahren zur Speicherung von thermischer Energie mit einem induktiven Wärmespeicher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch induktive Erwärmung eines Speichermediums (3), das ein induktiv erwärmbares Induktionsmaterial und ein mit dem Induktionsmaterial vermischtes Wärmespeichermaterial, das nicht induktiv erwärmbar ist, beinhaltet, wobei das Induktionsmaterial im Volumen des Wärmespeichermaterials verteilt angeordnet ist, und Übertragen der im Speichermedium (3) gespeicherten Wärmeenergie mit einem Wärmetauscher auf ein Transportmedium.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Schritte: - Speichern von elektrischer Energie durch induktive Erwärmung des Speichermediums (3), - Übertragung der im Speichermedium (3) gespeicherten thermischen Energie auf ein Transportmedium bei Bedarf durch Einleiten von Wasser in eine Rohrleitung (6) und Bildung von überhitztem Dampf, - Weiterleiten des überhitzten Dampfes an eine Turbine (8) zur Generierung elektrischer Energie.