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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Energiesystem zur Speicherung und Bereitstellung von Strom und Wärme. Die Erfindung betrifft auch ein dazugehöriges Gebäude und ein dazugehöriges Verfahren.
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Energieerzeugung mittels Photovoltaikanlagen oder Windkraft findet zunehmend auch in privaten Haushalten Anwendung. Die so erzeugte elektrische Energie wird regelmäßig überwiegend ohne Zwischenspeicherung in die elektrischen Versorgungssysteme eingespeist oder vergleichsweise teuer in Batteriespeichern zwischengespeichert, wenn mehr elektrische Energie produziert als verbraucht wird. Dabei hat es sich herausgestellt, dass ein Bedürfnis besteht, die erzeugte elektrische Energie möglichst effizient zwischenzuspeichern, um somit lokal Ein- oder Mehrfamilienhäuser, Wohnbezirke oder industrielle Anlagen nach Bedarf zu versorgen, ohne die bestehenden Stromnetze zu überlasten.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch ein Energiesystem nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Das System umfasst folglich einen Wärmespeicher, einen Wärmeabnehmer, eine Wärmepumpe mit einem Kompressor, und eine Wärmekraftmaschine mit einer Turbine, wobei dem Kompressor elektrische Energie zuführbar ist, um dem Wärmespeicher Wärme zuzuführen, wobei der Turbine Wärme aus dem Wärmespeicher zur Erzeugung von elektrischer Energie zuführbar ist, und wobei dem Wärmeabnehmer Wärme aus dem Wärmespeicher zuführbar ist. Das System stellt folglich einen Energiespeicher sowie eine Energieversorgung für elektrische Energie und Wärmeenergie bereit. Dabei kann beispielsweise die dem Kompressor zugeführte elektrische Energie mittels Stromerzeugungsvorrichtung, beispielsweise mittels einer Photovoltaikanlage oder mittels einer Windkraftanlage, erzeugt werden. Es kann sich also insbesondere um regenerativ erzeugte elektrische Energie handeln.
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Die zugeführte elektrische Energie kann also insbesondere im Kompressor dazu verwendet werden, Wärmeenergie entsprechend dem Funktionsprinzip einer Wärmepumpe auf ein höheres Niveau in den Wärmespeicher zu bringen. Dem Wärmespeicher wird folglich Wärmeenergie zugeführt. Diese kann einerseits dazu verwendet werden, um dem Wärmeabnehmer Wärme zuzuführen. Bei dem Wärmeabnehmer kann es sich beispielsweise um das Heizsystem, insbesondere das Fußbodenheizsystem, eines Gebäudes handeln. Denkbar wäre auch, damit einen Warmwasserbereiter mit Wärmeenergie zu versorgen. Andererseits kann die in den Wärmespeicher eingebrachte Wärme auch zur Stromerzeugung genutzt werden. Dies insbesondere dann, wenn weniger regenerative elektrische Energie von der Stromerzeugungsvorrichtung produziert als verbraucht wird. Entsprechend dem Funktionsprinzip einer Wärmekraftmaschine kann die Wärme aus dem Wärmespeicher der Turbine zur Generierung elektrischer Energie zugeführt werden, wobei das Temperaturniveau im Wärmespeicher sinkt.
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Insgesamt kann überschüssige und insbesondere regenerativ erzeugte elektrische Energie in Wärme umgewandelt werden und damit gespeichert werden, um damit einen Wärmeabnehmer mit Wärme zu versorgen oder bei Bedarf die Wärme wiederum in Strom umzuwandeln. Somit wird insbesondere ein Strom-Wärme-Strom-Speicher bereitgestellt, der zusätzlich die Funktion einer Heizungs-Wärmepumpe aufweist.
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Das Energiesystem kann insbesondere in einem Ein- oder Mehrfamilienhaus, in einem Wohnbezirk oder in einer industriellen Anlage Verwendung finden. Dabei ist denkbar, bereits bestehende Wärmepumpen-Heizungen so nachzurüsten, dass ein erfindungsgemäßes Energiesystem bereitstellbar ist. Gleichermaßen kann eine bereits bestehende Kälteanlage so nachgerüstet werden. Das System kann dabei insbesondere eine Ladestation für batterie-elektrische Fahrzeuge bereitstellen.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Energiesystem einen Kältespeicher, wobei Wärme mittels des Kompressors dem Kältespeicher entnehmbar und dem Wärmespeicher zuführbar ist. Ferner kann dem Wärmespeicher Wärme entnommen werden und der Turbine zugeführt werden, wobei Abwärme nach der Turbine dem Kältespeicher entsprechend dem Funktionsprinzip einer Wärmekraftmaschine zuführbar ist. Es wird folglich ein Strom-Wärme-Strom-Speicher bereitgestellt, bei dem zum Laden des Speichers die Wärmepumpe Wärmeenergie aus dem Kältespeicher nimmt und sie auf ein höheres Niveau in den Wärmespeicher bringt, wobei hierzu dem Kompressor elektrische Energie zugeführt wird. Dabei steigt das Temperaturniveau im Wärmespeicher und fällt im Kältespeicher. Zum Entladen des Speichers entnimmt die Wärmekraftmaschine Wärmeenergie aus dem Wärmespeicher und führt sie dem Kältespeicher durch eine Turbine hindurch zu. Dadurch sinkt das Temperaturniveau im Wärmespeicher und steigt im Kältespeicher.
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In diesem Zusammenhang kann ein Wärmereservoir vorgesehen sein, wobei dem Kältespeicher Wärme aus dem Wärmereservoir zuführbar ist. Das Wärmereservoir kann hierbei beispielsweise ein zu kühlendes Gebäude oder ein Gebäudeabschnitt, beispielsweise eines Hauses, sein. Folglich kann ein solches Gebäude oder ein Gebäudeabschnitt einerseits als Wärmeabnehmer ausgebildet sein, wenn dieses beheizt werden soll, und andererseits als Wärmereservoir ausgebildet sein, wenn dieses gekühlt werden soll. Insgesamt wird hierdurch eine effiziente Sektorenkopplung der Energieformen Wärme, Kälte und elektrische Energie innerhalb des Energiesystems in kompakter Form bereitgestellt. Dabei kann beispielsweise ein Ein- oder Mehrfamilienhaus, ein Wohnbezirk oder auch eine industrielle Anlage über das System beheizt, gekühlt sowie mit elektrischer Energie versorgt werden. Somit können Komponenten eines Strom-Wärme-Strom-Speichers, insbesondere der Wärmespeicher und der Kältespeicher, zum Heizen bzw. Kühlen eines Gebäudes oder eines Gebäudeabschnitts verwendet werden.
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Zusätzlich oder alternativ ist auch denkbar, dass das Wärmereservoir (industrielle) Abwärme von insbesondere vergleichsweise geringem Temperaturniveau (Niedertemperatur-Abwärme) umfasst, sodass die Abwärme für das vorliegende Energiesystem nutzbar gemacht und damit verwendet wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Energiesystem einen Wärmeübertrager, um die Temperatur im Wärmespeicher zu regulieren. Folglich kann insbesondere Wärme aus dem Wärmespeicher der Umgebung zugeführt werden, um ein Überhitzen zu verhindern. Alternativ kann gegebenenfalls auch externe Wärme dem Wärmespeicher zugeführt werden. Dabei kann der Wärmeübertrager insbesondere ein Außenluftwärmeübertrager sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann ein Wärmeübertrager vorgesehen sein, um die Temperatur im Kältespeicher zu regulieren. Hierbei kann dem Kältespeicher insbesondere Wärme entzogen werden und der Umgebung zugeführt werden. Denkbar wäre allerdings auch, bei Bedarf dem Kältespeicher Wärme aus der Umgebung zuzuführen.
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Denkbar ist weiterhin, dass die Wärmepumpe reversibel ausgebildet ist, sodass dem Wärmeabnehmer reversibel Wärme entnehmbar und zuführbar ist. Durch die reversible Ausbildung der Wärmepumpe kann ein Wärmeabnehmer, insbesondere beheizt und gekühlt werden. Somit kann die Wärmepumpe entweder zum Heizen oder Kühlen verwendet werden. Gleichzeitig oder abwechselnd kann zudem über die Wärmekraftmaschine elektrischer Strom produziert werden. Dabei kann die Wärmepumpe in dieser Ausgestaltung insbesondere einen Wärmeübertrager umfassen.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Wärmepumpe und/oder die Wärmekraftmaschine einen Wärmeübertrager aufweist bzw. aufweisen, um der Umgebung Wärme zuzuführen und/oder zu entnehmen. Somit kann ein zusätzlicher Kältespeicher entfallen. Vielmehr kann die Umgebung als unendlich großer Kältespeicher wirken.
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Vorgeschlagen wir zudem, dass gleichzeitig elektrische Energie mit der Turbine erzeugbar ist und Wärme dem Warmabnehmer zuführbar ist. Zusätzlich oder alternativ zur Zuführung von Wärme an den Wärmeabnehmer kann Wärme aus dem Wärmereservoir dem Kältespeicher zuführbar sein. Folglich ist denkbar, dass insbesondere gleichzeitig ein Wärmeabnehmer erwärmt wird, ein Wärmereservoir gekühlt wird und elektrischer Strom erzeugt wird. Somit kann eine vergleichsweise hocheffiziente Sektorenkopplung der Energieformen Wärme, Kälte und elektrische Energie in einem System bereitgestellt werden.
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In einer andere Ausgestaltung ist denkbar, dass der Wärmespeicher eine Temperatur von mindestens 70° aufweist. Somit kann die ansonsten in einem Wärmespeicher niedrigerer Temperatur notwendige thermische Desinfektion aufgrund von Legionellengefahr entfallen. Dadurch können weitere Kosten eingespart werden.
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Vorgesehen sein kann schließlich, dass eine Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, die so ausgebildet und eingerichtet ist, dass mittels maschinellem Lernen eine Anpassung der Wirkungsweise des Energiesystems abhängig von sich ändernden Randbedingungen ermöglicht ist. Dabei kann folglich eine optimierte Regelung bzw. Betriebsführung des Systems bereitgestellt werden, um je nach Bedarf elektrische Energie bereitzustellen oder einen Wärmeabnehmer zu erwärmen oder einem Wärmereservoir Wärme zu entziehen und damit dieses zu kühlen. Diese Regelung kann sich insbesondere durch den Einsatz des sogenannten maschinellen Lernens an Randbedingungen, wie ein Nutzerverhalten in einem Wohnhaus, an Einbaubedingungen in einem Gebäude oder auch an bestimmte Wetterbedingungen anpassen. Auch eine Prädiktiv-Regelung wäre denkbar.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird auch gelöst durch ein Gebäude, umfassend ein erfindungsgemäßes Energiesystem, und insbesondere eine Stromerzeugungseinrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie, die dem Kompressor zuführbar ist. Die Stromerzeugungseinrichtung kann insbesondere eine Photovoltaikanlage oder eine Windkraftanlage sein, die am Gebäude angeordnet sein kann. Das Gebäude kann ein industrielles Gebäude oder auch ein Wohngebäude sein. Dadurch kann insbesondere eine Alternative zu Batteriespeichern in Gebäuden bereitgestellt werden. Dabei kann überschüssige, erzeugte elektrische Energie zwischengespeichert werden, und bei Bedarf unter Entleerung des Strom-Wärme-Stromspeichers wieder abgerufen werden. Dadurch können eine vergleichsweise hohe Lebensdauer und viele Lade-Entlade-Zyklen bereitgestellt werden. Ferner können große vergleichsweise große Energiemengen, beispielsweise zum Aufladen eines E-Fahrzeugs bereitgestellt werden. Weiterhin kann der Anteil erneuerbarer Energien dadurch erhöht werden, dass regenerativ erzeugter elektrischer Strom zwischengespeichert werden kann und insbesondere zum Heizen oder Kühlen des Gebäudes Verwendung finden kann. Ferner kann lokal Strom zwischengespeichert werden und bei Bedarf bereitgestellt werden, so dass insbesondere auch eine Überlastung von Stromnetzen aufgrund der Zunahme von E-Fahrzeugen vermeidbar ist. Insbesondere kann mittels des Systems das Gebäude sowohl beheizt als auch gekühlt als auch mit elektrischem Strom versorgt werden.
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Schließlich wird das der Erfindung zugrunde liegende Problem auch gelöst durch Verfahren zur Speicherung und Bereitstellung von Strom und Wärme unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Energiesystems, wobei gleichzeitig oder sequentiell elektrische Energie mit der Turbine erzeugbar ist und Wärme dem Warmabnehmer zuführbar ist. Zusätzlich oder alternativ zur Zuführung von Wärme an den Wärmeabnehmer kann Wärme aus dem Wärmereservoir dem Kältespeicher zuführbar sein. Insbesondere kann die Möglichkeit geschaffen werden, gleichzeitig mittels des Systems eine Kühlfunktion, eine Wärmefunktion und die Bereitstellung von elektrischem Strom zu ermöglichen.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der Zeichnung erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 Energiesystem gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 Energiesystem gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
- 3 Energiesystem gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Funktionsäquivalente Elemente und Bereiche tragen in den nachfolgenden Figuren die gleichen Bezugszeichen und sind nicht nochmals im Detail erläutert.
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In 1 trägt ein Energiesystem insgesamt das Bezugszeichen 10. Das Energiesystem 10 umfasst zunächst einen Wärmespeicher 12, einen Wärmeabnehmer 14, eine Wärmepumpe 16, eine Wärmekraftmaschine 18, einen Kältespeicher 20 und ein Wärmereservoir 22. Das Energiesystem 10 kann insbesondere in einem Gebäude, wie beispielsweise einem privaten Wohnhaus, verbaut sein.
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In herkömmlicher Weise umfasst die Wärmepumpe 16 einen Kompressor 24 und ein Expansionsventil 26. Ebenso umfasst die Wärmekraftmaschine 18 in bekannter Weise eine Pumpe 28 und eine Turbine 30. Denkbar wäre auch, das Expansionsventil 26 durch eine Turbine auszuführen und/oder die Pumpe 28 durch einen Kompressor auszuführen. Um die Temperatur im Wärmespeicher 12 zu regulieren, ist ferner ein Außenluftwärmeübertrager 32 vorhanden. Ebenso ist zur Regulierung der Temperatur im Kältespeicher 20 ein Außenluftwärmeübertrager 34 vorhanden. Als Arbeitsmedium können für die Wärmepumpe 16 sowie für die Wärmekraftmaschine 18 herkömmliche für derartige Maschinen verwendete Medien, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe, wie Propan oder Propylen, Kohlendioxid, Ammoniak oder auch Wasser verwendet werden. Als Speichermedium im Wärmespeicher 12 sowie im Kältespeicher 20 kann beispielsweise Wasser verwendet werden.
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Die Funktionsweise des Energiesystems 10 ist sodann wie folgt:
- Zunächst kann dem Kompressor 24 elektrische Energie 36 zugeführt werden. Dabei kann es sich insbesondere um regenerativ erzeugte Energie handeln. Diese kann insbesondere aus einer Photovoltaik- oder Windkraftanlage stammen. Eine derartige Stromerzeugungsanlage kann insbesondere im oder am Gebäude, in dem das Energiesystem 10 angeordnet ist, vorgesehen sein. Wenn durch diese Stromerzeugungsvorrichtung überschüssige elektrische Energie erzeugt wird, so kann diese dem Kompressor 24 des Energiesystems 10 in Form der elektrischen Energie 36 zugeführt werden. Durch das Betreiben des Kompressors 24 mittels der elektrischen Energie 36 kann Wärme aus dem Kältespeicher 20 dem Wärmespeicher 12 zugeführt werden, so dass die Wärme auf ein höheres Niveau gebracht wird. Dabei wird die Wärmepumpe 16 beispielsweise so betrieben, dass das Arbeitsmittel, beispielsweise Propangas, im Kompressor 24 verdichtet wird und sich dabei erhitzt. Das heiße, komprimierte gasförmige Arbeitsmittel kann dann im Wärmespeicher 12 Wärmeenergie abgeben. Dabei kühlt sich das komprimierte Arbeitsmittel ab und kann insbesondere zu flüssigem Arbeitsmittel kondensieren. Beim anschließenden Durchgang durch das Expansionsventil 26 wird das Arbeitsmittel entspannt, und kann insbesondere dabei unter Abkühlung verdampfen. Insgesamt steigt dadurch das Temperaturniveau im Wärmespeicher 12 und fällt im Kältespeicher 20 entsprechend der Funktionsweise einer Wärmepumpe 16. Die so in den Wärmespeicher 12 eingebrachte Wärme kann sodann zum Erwärmen eines Wärmeabnehmers 14 Verwendung finden. Der Wärmeabnehmer 14 kann beispielsweise die Fußbodenheizung eines Gebäudes sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann die eingebrachte Wärme im Wärmespeicher 12 auch für die Wärmekraftmaschine 18 verwendet werden, und zwar insbesondere dann, wenn weniger elektrischer Strom von der Stromerzeugungsvorrichtung produziert wird als verbraucht wird. Dabei kann die Wärme aus dem Wärmespeicher dem Kältespeicher 20 durch die Turbine 30 hindurch zugeführt wird, wobei durch die Turbine 30 elektrischer Strom 38 in herkömmlicher Funktionsweise einer Wärmekraftmaschine 18 erzeugt wird. Dabei wird die Wärmekraftmaschine 18 beispielsweise so betrieben, dass die Pumpe 28 ein Arbeitsmittel, wie beispielsweise Kohlendioxid, unter Druck setzt, wobei das Arbeitsmittel in diesem Stadium insbesondere flüssig sein kann. Sodann kann das unter Druck stehende Arbeitsmittel im Wärmespeicher 12 insbesondere verdampft werden und der Turbine 30 zugeführt werden. Dabei entsteht elektrische Energie 38 und das Arbeitsmittel kühlt sich ab.
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Folglich können durch das Energiesystem 10 gleichzeitig elektrischer Strom 38 und Wärme für einen Wärmeabnehmer 14 bereitgestellt werden. Denkbar wäre allerdings insbesondere auch, dass bei Bedarf die Wärme des Wärmespeichers 12 für den Wärmeabnehmer 14 verwendet wird und bei Bedarf elektrischer Strom 38 erzeugt wird. Somit wirkt das Energiesystem 10 einerseits als Strom-Wärme-Stromspeicher, indem überschüssiger elektrischer Strom 36 dem Energiesystem 10 zugeführt und in Wärme umgewandelt werden kann, und bei Bedarf wiederum elektrischer Strom 38 durch Entladen des Strom-Wärme-Strom-Speichers bereitstellbar ist. Weiterhin wird eine Heizungs-Wärmepumpe zum Beheizen eines Wärmeabnehmers 14 bereitgestellt.
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Gleichzeitig oder auch nur bei Bedarf kann auch einem Wärmereservoir 22 Wärme entzogen werden und diese dem Kältespeicher 20 zugeführt werden. Das Wärmereservoir 22 kann insbesondere das Gebäude sein, in dem das Energiesystem 10 angeordnet ist, und es kann dem Gebäude insbesondere Wärme entzogen werden, wenn es gekühlt werden soll. Somit kann mittels des Energiesystems 10 ein Gebäude bei Bedarf beheizt und gekühlt werden und weiterhin kann elektrischer Strom umgewandelt in Wärme zwischengespeichert werden. Zusätzlich oder alternativ ist auch denkbar, dass das Wärmereservoir 22 (industrielle) Abwärme von insbesondere vergleichsweise geringem Temperaturniveau (Niedertemperatur-Abwärme) umfasst, sodass die Abwärme für das vorliegende Energiesystem 10 nutzbar gemacht wird.
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Die so dem Kältespeicher 20 zugeführte Wärmeenergie kann insbesondere über die Wärmepumpe 16 dem Wärmespeicher 12 zugeführt werden. Über die Außenluftwärmeübertrager 32 und 34 kann die Temperatur im Wärmespeicher 12 bzw. im Kältespeicher 20 reguliert werden. Dabei kann insbesondere dem Kältespeicher 20 bei Bedarf weitere Wärmeenergie zugeführt werden. Weiterhin kann bei Bedarf insbesondere dem Wärmespeicher 12 Wärmeenergie über den Außenluftwärmeübertrager 32 entzogen werden.
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Insgesamt wird eine vergleichsweise effiziente Kopplung der Energieformen Wärme, Kälte und elektrische Energie in einem Energiesystem 10 bereitgestellt, um somit bei Bedarf elektrische Energie, Wärme bzw. Kälte bereitzustellen und/oder zu speichern. Damit kann insbesondere eine dezentrale Energieversorgung und -zwischenspeicherung von Ein- oder Mehrfamilienhäusern, Wohnbezirken oder industriellen Anlagen bereitgestellt werden.
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Im Unterschied zur 1 ist die Wärmepumpe 16 gemäß 2 reversibel ausgebildet. Dementsprechend ist lediglich ein Außenluftwärmeübertrager 40 vorhanden, den die Wärmepumpe 16 umfasst. Somit kann der Wärmeabnehmer 14, also insbesondere das Gebäude, in dem das Energiesystem 10 verbaut ist, entweder bei Bedarf beheizt oder gekühlt werden. Hierzu weist die Wärmepumpe 16 eine entsprechende Ventilschaltung auf. Somit kann entweder ein Erwärmen oder ein Kühlen des Wärmeabnehmers 14 bereitgestellt werden. Zeitgleich oder insbesondere abwechselnd bei Bedarf kann elektrischer Strom 38 mittels der Wärmekraftmaschine 18 erzeugt werden.
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Im Gegensatz zu 1 umfasst die Ausführungsform gemäß 3 keinen Kältespeicher. Vielmehr umfassen die Wärmepumpe 16 und die Wärmekraftmaschine 18 jeweils einen Außenluftwärmeübertrager 42 bzw. 44. Diese Ausführungsform ist vergleichsweise günstig. Allerdings kann ein Wärmereservoir insbesondere nicht gekühlt werden, da kein Kältespeicher vorhanden ist. Vielmehr kann lediglich ein Wärmeabnehmer 14 erwärmt werden. Jedoch kann die Umgebung zu den Außenluftwärmespeichern 42 und 44 als unendlich großer Kältespeicher angesehen werden.
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Insgesamt kann gemäß den Ausführungsformen des Energiesystems 10 insbesondere ein Strom-Wärme-Strom-Speicher bereitgestellt werden, bei dem zusätzlich Wärmeenergie auskoppelbar ist. Gemäß einigen Ausführungsformen kann zudem Wärmeenergie einem Wärmereservoir entzogen werden, um dieses zu kühlen.
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Dabei ist insbesondere denkbar, eine bereits bestehende Wärmepumpenheizung oder eine bereits bestehende Kälteanlage so zu erweitern, dass ein Energiesystem 10 bereitgestellt wird. Insgesamt wird dadurch eine vergleichsweise effiziente Kopplung der Energieformen Wärme, Kälte und elektrische Energie erzielt.
