DE102019104367A1

DE102019104367A1 - Thermal energy storage, in particular multi-zone storage in the form of a flat bottom tank

Info

Publication number: DE102019104367A1
Application number: DE102019104367.0A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Urbaneck
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2020-08-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen thermischen Energiespeicher, insbesondere einen Mehrzonenspeicher in Form eines Flachbodentanks, aufweisend einen Boden in Form eines Fundaments, ein Dach und einen, zwischen Boden und Dach angeordneten Zylindermantel, wobei der Energiespeicher mindestens zwei Speicherzonen zur Speicherung eines Wärmeträgers (Wasser) aufweist, wobei eine untere erste Speicherzone und eine zweite Speicherzone oberhalb der ersten Speicherzone angeordnet ist, wobei die erste und zweite Speicherzone mittels einer ersten fest angeordneten Zwischendecke flüssigkeitsdicht und wärmegedämmt voneinander getrennt sind und dass über der zweiten Speicherzone eine die Speicherzone oben begrenzende weitere zweite flüssigkeitsdichte und wärmegedämmte Zwischendecke angeordnet ist und oberhalb der zweiten Zwischendecke eine fluidgefüllte (Wärmeträger / Wasser) Ausgleichszone vorhanden ist, deren Gewicht auf die zweite Speicherzone wirkt und dass auf der Ausgleichszone eine Schwimmdecke angeordnet ist.The invention relates to a thermal energy store, in particular a multi-zone store in the form of a flat bottom tank, having a floor in the form of a foundation, a roof and a cylinder jacket arranged between the floor and the roof, the energy store having at least two storage zones for storing a heat carrier (water), wherein a lower first storage zone and a second storage zone are arranged above the first storage zone, wherein the first and second storage zones are separated from each other in a liquid-tight and heat-insulated manner by means of a first fixed intermediate ceiling and that above the second storage zone a further second liquid-tight and heat-insulated one delimiting the storage zone at the top Intermediate ceiling is arranged and above the second intermediate ceiling there is a fluid-filled (heat transfer medium / water) compensation zone, the weight of which acts on the second storage zone and that a floating ceiling is attached to the compensation zone rdnet is.

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Energiespeicher, insbesondere einen Mehrzonenspeicher in Form eines Flachbodentanks nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.The invention relates to a thermal energy storage device, in particular a multi-zone storage device in the form of a flat bottom tank according to the preamble of the first claim.

Derartige Energiespeicher dienen der Zuführung, Entnahme und Verdrängung eines Wärme- und Kälteträgers beziehungsweise dessen Lagerung wobei der Wärme- und Kälteträger insbesondere zur Nutzung als Energieträger und zur Speicherung thermischer Energie (Wärme- oder Kältespeicher) eingesetzt wird. Neben einer Reihe von Sonderfunktionen finden diese unter anderem für die Druckerhaltung in Netzen Anwendung.Such energy stores are used to supply, remove and displace a heat and cold carrier or to store it, the heat and cold carrier being used in particular for use as an energy carrier and for storing thermal energy (heat or cold storage). In addition to a number of special functions, these are used, among other things, for maintaining pressure in networks.

Dabei werden in der Hauptsache die Bauformen Flachbodentank und Druckbehälter unterschieden. In der Fachliteratur ist dazu ausgeführt, dass der Wandaufbau inklusive Boden und Decke die Hauptfunktionen Dichten, Tragen, Dämmen und Schützen realisiert (Hampe: Flüssigkeitsbehälter Bd.1 und 2, Berlin, Verlag für Bauwesen 1979 und 1982). Der Speicher beinhaltet einen oder mehrere Wärme- bzw. Kälteträger als Speichermedium. Die Be- und Entladeleistung wird durch Fluidströme in Form von direkter und indirekter Wärmeübertragung und/oder die Zufuhr anderer Energieformen wie zum Beispiel elektrischer Strom realisiert.A distinction is mainly made between the flat-bottom tank and pressure vessel designs. In the specialist literature, it is stated that the wall structure including the floor and ceiling realizes the main functions of sealing, carrying, insulating and protecting (Hampe: Liquid containers, volumes 1 and 2, Berlin, Verlag für Bauwesen 1979 and 1982). The memory contains one or more heat or cold carriers as a storage medium. The loading and unloading performance is realized by fluid flows in the form of direct and indirect heat transfer and / or the supply of other forms of energy such as electrical power.

Grundsätzlich ist Speichern in Netzen gemeinsam, dass sie das Systemverhalten verbessern sollen, indem unterschiedliche Lastsituationen im Netz nicht sofort zum Zu- oder Abschalten von Erzeugern wie z. B. Kesseln, Dampfkraftwerken, Gasturbinenkraftwerken und Systemen zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie z. B. Solarthermie oder Abwärmequellen (z. B. technologische Abwärme) führen. Lastspitzen können abgefangen werden, wobei die Erzeuger vom Speicher unterstützt werden oder alleine die Versorgung übernehmen. Voraussetzung ist eine ausreichende Beladung bzw. Temperatur. In Zeiten geringerer Abnahme im Netz bzw. bei einem überschüssigen Angebot an Energie oder günstigen Bedingungen zur Erzeugung (z. B. niedrige Wärmegestehungskosten) werden die Speicher wieder aufgeladen.Basically, storage in networks has in common that they are supposed to improve the system behavior by not immediately connecting or disconnecting generators to different load situations in the network. B. boilers, steam power plants, gas turbine power plants and systems for the use of renewable energy sources such. B. solar thermal or waste heat sources (e.g. technological waste heat). Load peaks can be absorbed, whereby the producers are supported by the storage system or take over the supply alone. A sufficient load or temperature is required. In times of lower consumption in the network or when there is an excess supply of energy or favorable conditions for generation (e.g. low heat generation costs), the storage systems are recharged.

Dies ist zum Beispiel bei der Erzeugung von Wärme durch Solarthermie oder anderen erneuerbaren Wärmequellen, umgewandelter Wärme aus Strom und industrieller Abwärme erforderlich, da diese Energieformen teilweise nicht gleichmäßig zur Verfügung stehen.This is necessary, for example, when generating heat using solar thermal energy or other renewable heat sources, converted heat from electricity and industrial waste heat, since these forms of energy are sometimes not available evenly.

Darüber hinaus können thermische Energiespeicher das Wärmeversorgungssystem flexibilisieren, so dass eine Optimierung des Betriebs möglich ist und verschiedene Servicefunktionen (wie z. B. Druckhaltung) übernehmbar sind.In addition, thermal energy storage systems can make the heat supply system more flexible so that operation can be optimized and various service functions (such as pressure maintenance) can be taken over.

Weil typische Konstruktionen von Druckspeichern nur ein verhältnismäßig geringes Volumen (kleiner 200 m³) pro Speicher besitzen und auf Grund gesetzlicher Vorschriften einer kostenintensiven Wartung unterliegen, werden insbesondere im Bereich von Nah- und Fernwärmenetzen, wenn möglich große beziehungsweise kompakte Flachbodentanks mit thermischer Schichtung eingesetzt.Because typical constructions of pressure storage tanks only have a relatively small volume (less than 200 m ³ ) per storage tank and are subject to cost-intensive maintenance due to legal regulations, large or compact flat-bottom tanks with thermal stratification are used, especially in the area of local and district heating networks.

Der gattungsgemäße Betrieb von Flachbodentanks mit thermischer Schichtung ist durch eine warme Zone, eine Übergangzone und eine kalte Zone gekennzeichnet. Für einen optimalen Betrieb kommt es darauf an, diese thermische Schichtung aufzubauen und zu erhalten. Bekannte Ausführungen in Form von Einzonenspeichern bestehen im einfachsten Fall aus einer Konstruktion aus Boden, Wand und Dach. Über dem Flüssigkeitsspiegel befindet sich ein Gas oder Gasgemisch, welches annähernd Umgebungsdruck aufweist, alternativ wird eine Niederdruckdampfatmosphäre ausgebildet. Ein derartiger Aufbau ist aus der Druckschrift DE 4305867 A1 (1) bekannt.The generic operation of flat bottom tanks with thermal stratification is characterized by a warm zone, a transition zone and a cold zone. For optimal operation, it is important to build up and maintain this thermal stratification. Known designs in the form of single-zone storage systems consist in the simplest case of a construction of floor, wall and roof. Above the liquid level there is a gas or gas mixture which is approximately at ambient pressure; alternatively, a low-pressure steam atmosphere is formed. Such a structure is from the document DE 4305867 A1 (1) known.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2013 111 543 A1 (2) ist ein erweitertes System in Form eines Zweizonenspeichers beschrieben, wobei eine feste Zwischendecke das Speichermedium von einer hydrostatischen Last trennt, welche mittels einer hydraulischen Verbindung zum Druckausgleich dieses zusätzlich beaufschlagt. Die Betriebstemperatur von Heißwasser/Warmwasser kann damit im Vergleich zu Einzonenspeichern z.B. mit Gas- bzw. Dampfdruckatmosphäre um einige Grad höher sein, was aber mit einem hohen konstruktiven Aufwand verbunden ist. Die Erhöhung um einige Grad bedeutet praktisch eine Temperatur bis ca. 130°C beziehungsweise eine Erhöhung um ca. 30 K.In the German Offenlegungsschrift DE 10 2013 111 543 A1 (2) describes an extended system in the form of a two-zone storage system, with a fixed intermediate ceiling separating the storage medium from a hydrostatic load, which additionally acts on it by means of a hydraulic connection for pressure compensation. The operating temperature of hot water / warm water can thus be a few degrees higher than that of single-zone storage tanks, for example with a gas or steam pressure atmosphere, but this is associated with a high level of design effort. The increase by a few degrees means practically a temperature of up to approx. 130 ° C or an increase of approx. 30 K.

Bei Ein- und Zweizonenspeichern gemäß dem Stand der Technik ist nachteilig, dass bei einem Dachraum mit freier Wasseroberfläche die Gefahr der Korrosion besteht.One and two-zone storage tanks according to the prior art have the disadvantage that there is a risk of corrosion in a roof space with a free water surface.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass zusätzliche Kosten für die Bereitstellung des Schutzgases oder Dampfs anfallen.Another disadvantage is that there are additional costs for providing the protective gas or steam.

Die Kondensation an der Dachinnenwand verursacht zusätzliche beziehungsweise höhere Wärmeverluste.The condensation on the inner roof wall causes additional or higher heat losses.

Die europäische Patentanmeldung EP 0 067 428 A1 (3) beschreibt einen drucklosen Großtank für die Warmwasserspeicherung mit einem im Dachbereich angeordneten Diffusor. Allerdings ist die Gestaltung des Diffusors und des Anschlusses nicht offenbart. Neben einem im Wesentlichen bekannten Grundaufbau wird hier beschrieben, wie ein nicht wärmegedämmter schwimmender Deckel mit einem vorzugsweise durch einen nach oben vorstehenden Reif und einen nach unten vorragenden Kragen verlängert und der Spalt zwischen Deckel und Seitenwand mit einer auf Wasser schwimmenden Abdichtungsflüssigkeit und schwimmenden Partikeln gefüllt ist. Diese Lösung bietet keine diffusionsdichte Absperrung zum Dachraum und das Verhalten des verwendeten Stoffsystems wird nicht bzw. nicht nachvollziehbar beschrieben.The European patent application EP 0 067 428 A1 (3) describes a large, unpressurized tank for storing hot water with a diffuser located in the roof area. However, the design of the diffuser and the connector not disclosed. In addition to an essentially known basic structure, it describes how a non-thermally insulated floating cover is extended with a preferably by an upwardly protruding collar and a downwardly protruding collar and how the gap between the cover and the side wall is filled with a sealing liquid floating on water and floating particles . This solution does not provide a diffusion-tight barrier to the roof space and the behavior of the material system used is not described or not comprehensibly described.

Nachteilig ist dabei, dass sich unvermeidlicher Weise im Laufe des Betriebes Abdichtungsflüssigkeit mit dem Wasser als wärmespeicherndes Fluid mischen und in das Netz gelangen kann. Eine Aussage zu einem Druckausgleich bzw. zur Absicherung wird nicht getroffen.The disadvantage here is that the sealing liquid inevitably mixes with the water as a heat-storing fluid during operation and can get into the network. No statement is made on pressure equalization or protection.

Aus der Druckschrift DE 10 2012 013 625 A1 (4) ist ein System aus einem Heißwasserspeicher und einem ORC-Kreislauf bekannt. Der Heißwasserspeicher wird durch einen Elektrodurchlauferhitzer aufgeladen. Er ist durch eine thermisch isolierte Trennplatte in eine Heißwasserzone und eine Kaltwasserzone unterteilt, wobei die Trennplatte mechanisch nach oben und unten bewegt werden kann. Die Anschlüsse von Heißwasserzone und Kaltwasserzone sind über zwei Umwälzpumpen, einen Elektrodurchlauferhitzer und den Gegenstromwärmetauscher eines ORC-Kreislaufes miteinander verbunden.From the pamphlet DE 10 2012 013 625 A1 (4) a system comprising a hot water storage tank and an ORC circuit is known. The hot water tank is charged by an electric water heater. It is divided into a hot water zone and a cold water zone by a thermally insulated partition plate, whereby the partition plate can be moved mechanically up and down. The connections of the hot water zone and cold water zone are connected to one another via two circulating pumps, an electric water heater and the counterflow heat exchanger of an ORC circuit.

Die Druckschrift DE 10 2016 100 649 A1 (5) offenbart einen thermischen Energiespeicher in Form eines Flachbodentanks unter Verwendung eines Fluids als Speichermedium, mit einem Speicherboden, einer geschlossenen umlaufenden Speicherwand und einem Speicherdach. Zwischen der Speicherwand und der Schwimmdecke ist eine flexible Dichtung angeordnet, wodurch das Fluid sowie Gase und Dämpfe in einem Ringraum, welcher durch wenigstens eine flexible Lippe geschützt wird, zwischen Schwimmdecke und der Speicherwand gegen das Speicherdach und die Umgebung abdichtet. Die Be- und Entladung mittels Fluidaustausch erfolgt über mindestens einen oberen Diffusor an der Schwimmdecke und mindestens einen unteren Diffusor.The pamphlet DE 10 2016 100 649 A1 (5) discloses a thermal energy store in the form of a flat bottom tank using a fluid as a storage medium, with a storage bottom, a closed circumferential storage wall and a storage roof. A flexible seal is arranged between the storage wall and the floating ceiling, which seals the fluid, gases and vapors in an annular space, which is protected by at least one flexible lip, between the floating ceiling and the storage wall against the storage roof and the environment. The loading and unloading by means of fluid exchange takes place via at least one upper diffuser on the floating cover and at least one lower diffuser.

Aus WO2015/024765 A2 (6) ist ein Wärmespeicher für Wassertemperaturen über 100°C bekannt. Zum Speichern und Bereitstellen von bei der Stromerzeugung anfallender Wärmeenergie mittels eines Fluids sind mindestens eine erste und eine zweite Kammer vorgesehen, wobei die erste über der zweiten Kammer angeordnet ist und eine im Wesentlichen in den Kammern angeordnete Leitung einen oberen Bereich der ersten Kammer mit einem unteren Bereich der zweiten Kammer verbindet, so dass theoretisch zwischen Endpunkten der Leitung im Betrieb keine Temperaturdifferenzen und damit auch idealerweise keine Auftriebskräfte gibt.Out WO2015 / 024765 A2 (6) a heat storage device for water temperatures above 100 ° C is known. At least a first and a second chamber are provided in order to store and provide thermal energy occurring during the generation of electricity by means of a fluid, the first being arranged above the second chamber and a line arranged essentially in the chambers an upper region of the first chamber with a lower one Area of the second chamber connects, so that theoretically there are no temperature differences between the end points of the line during operation and thus ideally no buoyancy forces.

Diese Lösung nutzt die Tatsache, dass atmosphärisch offene Tanks (egal welche Höhe) nicht als Druckbehälter, sondern als Gebäude bzw. Betriebsmittel gelten, unabhängig vom statischen Druck und von der Betriebstemperatur, da Druck als auf den atmosphärischen Druck bezogenen Überdruck definiert wird. Durch die Ausführung des Wärmespeichers als offenes Bauteil kann sich kein zusätzlicher Überdruck ausbilden. Es werden übereinander in sog. Kammern Schichtspeicher angeordnet, wodurch verhindert wird, dass über 100°C heißes Wasser in die oberen Bereiche des Tanks gelangen kann. Damit der Tank weiterhin als druckloser atmosphärisch offener Tank gilt, müssen alle Kammern durch innenliegende Verbindungsleitungen verbunden werden. Um zu verhindern, dass es über diese Verbindungsleitungen zu thermischen Ausgleichsströmungen kommt (da die Dichte des heißen Wassers geringer ist als von kaltem Wasser), werden immer der obere Bereich einer jeden Kammer mit dem unteren Bereich der darunterliegenden Kammer verbunden: zwischen den Endpunkten der Verbindungsleitungen gibt es im Betrieb theoretisch keine Temperaturdifferenzen und damit auch theoretisch keine Auftriebskräfte.This solution makes use of the fact that tanks open to the atmosphere (regardless of their height) are not considered to be pressure vessels but rather buildings or equipment, regardless of the static pressure and the operating temperature, since pressure is defined as overpressure related to atmospheric pressure. The design of the heat accumulator as an open component means that no additional overpressure can develop. Layered storage tanks are arranged one above the other in so-called chambers, which prevents water over 100 ° C from reaching the upper areas of the tank. In order for the tank to continue to be regarded as a pressureless, atmospheric open tank, all chambers must be connected by internal connecting lines. In order to prevent thermal equalizing currents from occurring via these connecting lines (since the density of hot water is lower than that of cold water), the upper area of each chamber is always connected to the lower area of the chamber below: between the end points of the connecting lines there are theoretically no temperature differences during operation and therefore theoretically no lifting forces.

Somit wird das Fluid in übereinanderliegenden, miteinander verbundenen Kammern gespeichert, wobei der heißeste Teil in der untersten Kammer gespeichert wird, wobei der Druck für den heißesten Teil in der untersten Kammer durch darüber liegendes kälteres Fluid erzeugt wird. Die 1 dieser Druckschrift zeigt schematisch und beispielhaft einen Wärmespeicher mit mindestens einer ersten 2 und einer zweiten Kammer 3 auf, wobei die Kammern 2, 3 meist größtenteils abgeschlossene Hohlräume sind aber, falls es sich um eine oberste Kammer handelt, auch noch oben offen sein können, da der Wärmespeicher ein Warmwasserspeicher ist und Wasser auch in nach oben offenen Behältern gut speicherbar ist. Die erste Kammer 2 ist über der zweiten Kammer 3 angeordnet und eine im Wesentlichen in den Kammern 2, 3 angeordnete Leitung 4 verbindet einen oberen Bereich 5 der ersten Kammer 2 mit einem unteren Bereich 6 der zweiten Kammer 3. Der Wärmespeicher 1 weist hier mehr als nur zwei Kammern 2, 3 auf. Das Ausführungsbeispiel der 1 weist noch eine dritte unterste Kammer 17 auf.Thus, the fluid is stored in superimposed, interconnected chambers, the hottest part being stored in the lowermost chamber, the pressure for the hottest part in the lowermost chamber being generated by the colder fluid lying above. The 1 this document shows schematically and by way of example a heat accumulator with at least a first 2 and a second chamber 3 on, with the chambers 2 , 3 mostly mostly closed cavities are, however, in the case of an uppermost chamber, can also be open at the top, since the heat storage tank is a hot water storage tank and water can also be stored well in containers that are open at the top. The first chamber 2 is above the second chamber 3 arranged and one substantially in the chambers 2 , 3 arranged line 4th connects an upper area 5 the first chamber 2 with a lower area 6th the second chamber 3 . The heat storage 1 has more than just two chambers here 2 , 3 on. The embodiment of 1 has a third lower chamber 17th on.

Nachteilig dabei ist, dass bei dieser Lösung keine Schwimmdecke oder eine andere Art einer Schutzschicht vorhanden ist und dass die Kammern über innere Leitungen miteinander verbunden sind.The disadvantage here is that with this solution there is no floating cover or some other type of protective layer and that the chambers are connected to one another via internal lines.

Die inneren Leitungen sorgen nicht nur für den Druckausgleich. Beim Be- und Entladen muss das gesamte Volumen von Kammer zu Kammer transportiert werden.The inner lines not only ensure pressure equalization. When loading and unloading the entire volume can be transported from chamber to chamber.

Des Weiteren erfolgt durch den Einsatz innenliegender Leitungen kein unabhängiger Druckausgleich. Hier können ungünstige Druckverteilungen nicht ausgeschlossen werden.Furthermore, there is no independent pressure equalization due to the use of internal lines. Unfavorable pressure distributions cannot be excluded here.

Die Be- und Entladung ist bei derartigen Speichern mit hohen Volumenströmen verbunden. Mit einer einfachen Verrohrung lässt sich kein notwendiger Schichtungsbetrieb realisieren.The loading and unloading of such accumulators is associated with high volume flows. Stratification operations that are not necessary cannot be implemented with simple piping.

Aufgrund der relativ großen Querschnitte wegen der Be- und Entladeleistung kommt trotz einer Wärmedämmung zu Zirkulationsströmungen, die einen Schichtungsabbau im realen Betrieb bewirken.Due to the relatively large cross-sections due to the loading and unloading capacity, circulation flows occur despite thermal insulation, which cause stratification to break down in real operation.

Gemäß 5 weist der Speicher ein Gaspolster oder einen Niederdruckdampf im Dachraum auf. Die Erzeugung von Dampf bzw. die Bereitstellung von Gas ist jedoch sehr aufwändig und teuer. Zudem kann es zur Korrosion im Dachraum kommen.According to 5 if the storage tank has a gas cushion or low-pressure steam in the roof space. However, the generation of steam or the provision of gas is very complex and expensive. Corrosion can also occur in the roof space.

Die Anwendung einer freien Wasseroberfläche ist ungünstig für die Ausbildung einer Schichtung. Zudem muss über dem oberen Ein- und Auslass des Rohres (4) ein bestimmter Wasserstand vorgehalten werden. Dieses Wasservolumen kann nicht zu Speicherzwecken herangezogen werden. Es kommt außerdem zu ungünstigen Mischungseffekten, die die thermische Schichtung vermindern. Wenn Gas verwendet wird, löst sich das Gas im Speichermedium, was aus Sicht des Netzbetriebs ungünstig ist.The use of a free water surface is unfavorable for the formation of stratification. In addition, above the upper inlet and outlet of the pipe ( 4th ) a certain water level can be maintained. This volume of water cannot be used for storage purposes. There are also unfavorable mixing effects that reduce thermal stratification. If gas is used, the gas dissolves in the storage medium, which is unfavorable from the point of view of network operation.

Ein weiterer Nachteil der WO2015/024765 A2 (6) sind die Bauteile, die Aktoren und die Sicherheitstechnik, die im Speicherraum angeordnet sind. Speicher müssen über Jahre hinweg und sicher betrieben werden. Es ist sehr ungünstig bewegliche oder angesteuerte Bauelemente insbesondere mit sicherheitsrelevanter Funktion im Speicherraum bzw. mit Wasserkontakt unterzubringen. Es kommt immer zu Ablagerungen und/oder Korrosion, die ein Versagen wichtiger Funktionen nach sich ziehen. Die offenbarte Lösung ist nur für eine relativ kurze Zeit sicher betreibbar und birgt ein signifikantes Risiko. Gegen das grundlegende Prinzip der Selbstsicherheit wird verstoßen. Jede Zone sollte weiterhin für sich unabhängig entlüftbar sein.Another disadvantage of the WO2015 / 024765 A2 (6) are the components, the actuators and the safety technology that are arranged in the storage space. Storage systems must be operated securely for years. It is very unfavorable to accommodate movable or controlled components, in particular with a safety-relevant function, in the storage space or with water contact. Deposits and / or corrosion always occur, which lead to the failure of important functions. The disclosed solution can only be operated safely for a relatively short time and entails a significant risk. The basic principle of self-confidence is violated. Each zone should still be independently ventable.

Der Speicher gemäß WO 2015/024765 A2 (6) weist ausschließlich einen Verdrängungsbetrieb zwischen den Zonen auf. Der Betrieb mit unterschiedlichen Temperaturniveaus, wie zum Beispiel in der Solarthermie, wo die Beladung einer oberen Zone mit Temperaturen unter 95°C und einer unteren Zone mit Temperaturen über 95°C erfolgt, ist nicht möglich.The memory according to WO 2015/024765 A2 (6) shows only displacement operation between the zones. Operation with different temperature levels, such as in solar thermal systems, where the loading of an upper zone with temperatures below 95 ° C and a lower zone with temperatures above 95 ° C, is not possible.

Speichertypen in Form von Flachbodentanks als Ein-Zonen-Speicher begrenzen die maximale Speichertemperatur auf 95 bis 98 °C, was dem Siedepunkt von Wasser bei Umgebungsdruck entspricht. Das begrenzt auch die spezifische Speicherkapazität.Storage types in the form of flat bottom tanks as single-zone storage systems limit the maximum storage temperature to 95 to 98 ° C, which corresponds to the boiling point of water at ambient pressure. This also limits the specific storage capacity.

Eine weitere Speicherform ist ein Flachbodentank mit einer inneren festen Decke. Die Konstruktion besitzt ein thermisch nicht genutztes Volumen (Auflastung, Ballastzone), was relativ hohe Kosten verursacht und eine relativ geringe Temperaturerhöhung (108 bis 130 °C) bringt. Die Erhöhung der spezifischen Speicherkapazität fällt entsprechend gering aus. Die Konstruktion der Zwischendecke ist relativ aufwendig (Träger/Unterzüge, Trapezblech, Einschweißen der Wärmedämmung). Zudem kommt es im praktischen Betrieb zur Erwärmung des Wassers in der Ballastzone. Die Herstellung der Schutzzone im Dachraum (Stickstoff, Niederdruck-Wasserdampf) ist hier auch aufwendig und kostenintensiv.Another form of storage is a flat-bottom tank with an internal solid ceiling. The construction has a thermally unused volume (load, ballast zone), which causes relatively high costs and a relatively small increase in temperature (108 to 130 ° C). The increase in specific storage capacity is correspondingly small. The construction of the false ceiling is relatively complex (girders / joists, trapezoidal sheet metal, welding in the thermal insulation). In addition, the water in the ballast zone is heated in practical operation. The production of the protection zone in the roof space (nitrogen, low-pressure water vapor) is also complex and cost-intensive here.

Speichertypen in Form von Druckbehälter-Konstruktionen verursachen relativ hohe Herstellungs- bzw. Errichtungskosten, was durch den Wandaufbau (Aufnahme der mechanischen Spannungen durch den Innendruck und Festigkeit gegen Unterdruck) verursacht wird.Storage types in the form of pressure vessel constructions cause relatively high manufacturing or erection costs, which is caused by the wall structure (absorption of mechanical stresses from the internal pressure and resistance to negative pressure).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen thermischen Energiespeicher zu entwickeln, der eine Steigerung der Betriebstemperaturen bei niedrigen Errichtungskosten aufweist, sowie eine Speicheranpassung speziell für Wärme- und oder Kälte-Versorgungssysteme und eine Kostenreduktion durch eine bessere Nutzung des Speichervolumens ermöglicht und gleichzeitig geeignete Betriebsmöglichkeiten und eine hohe Betriebssicherheit bereitstellt.The object of the invention is to develop a thermal energy store that has an increase in operating temperatures with low construction costs, as well as a storage adaptation especially for heating and / or cooling supply systems and a cost reduction through better use of the storage volume and at the same time enables suitable operating options and a provides high operational reliability.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst.This object is achieved with the characterizing features of the first claim.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous configurations result from the subclaims.

Der thermische Energiespeicher ist insbesondere in der Art eines Mehrzonenspeichers in Form eines Flachbodentanks ausgebildet, aufweisend einen Boden in Form eines Fundaments, ein Dach und einen, zwischen Boden und Dach angeordneten Wandaufbau in Zylinderform, wobei der Energiespeicher mindestens zwei Speicherzonen zur Speicherung des Wärmeträgers, vorzugsweise in Form von Wasser aufweist. In dem thermischen Energiespeicher ist eine untere erste Speicherzone und eine zweite Speicherzone oberhalb der ersten Speicherzone angeordnet, wobei die erste und zweite Speicherzone mittels einer ersten fest angeordneten Zwischendecke flüssigkeitsdicht und wärmegedämmt voneinander getrennt sind. Über der zweiten Speicherzone ist eine, die Speicherzone oben begrenzende weitere zweite flüssigkeitsdichte und wärmegedämmte Zwischendecke angeordnet. Des Weiteren ist oberhalb der zweiten Zwischendecke eine fluidgefüllte beziehungsweise mit einem Wärmeträger oder Wasser gefüllte Ausgleichszone vorhanden, deren Gewicht auf die zweite Speicherzone wirkt und dass auf der Ausgleichszone eine Schwimmdecke angeordnet ist. Dies ermöglicht es, eine bessere Nutzung des umbauten Volumens und höhere Speichertemperaturen im Vergleich zur Siedetemperatur bei Umgebungsdruck sowie eine sichere Betriebsweise beziehungsweise sehr lange Betriebszeit zu erreichen.The thermal energy store is designed in particular in the form of a multi-zone store in the form of a flat-bottom tank, having a floor in the form of a foundation, a roof and a wall structure in the form of a cylinder arranged between the floor and the roof, the energy store at least two storage zones for storing the heat carrier, preferably in the form of water. In the thermal energy store, a lower, first storage zone and a second storage zone are arranged above the first storage zone, the first and second storage zones being liquid-tight and liquid-tight by means of a first fixed intermediate ceiling are insulated from each other. A further second liquid-tight and thermally insulated intermediate ceiling is arranged above the second storage zone and delimits the storage zone at the top. Furthermore, a fluid-filled or with a heat transfer medium or water-filled compensation zone is provided above the second intermediate ceiling, the weight of which acts on the second storage zone and that a floating cover is arranged on the compensation zone. This makes it possible to achieve better use of the converted volume and higher storage temperatures compared to the boiling temperature at ambient pressure as well as a safe mode of operation or a very long operating time.

Der thermische Energiespeicher ist dabei insbesondere in Form eines inversen Mehrzonen-Speichers ausgebildet.The thermal energy store is designed in particular in the form of an inverse multi-zone store.

Die oberste Zone in Form der Ausgleichszone dient dem Ausgleich des Wasservolumens durch Aufnahme und Abgabe des Wärmeträgers, welches durch die thermische Ausdehnung des Speicherwassers und/oder des Netzwassers entsteht.The uppermost zone in the form of the equalization zone serves to equalize the water volume by absorbing and releasing the heat transfer medium, which is created by the thermal expansion of the storage water and / or the network water.

Der thermische Energiespeicher ist derart ausgebildet, dass die Temperatur der ersten Speicherzone größer als die Temperatur der darüber angeordneten zweiten Speicherzone ist. Bei einer Nutzung von mindestens zwei Speicherzonen bietet der thermische Energiespeicher die Möglichkeit, dass die Speicherzone unterhalb der obersten Speicherzone mit Temperaturen über dem Siedepunkt des Wärmeträgers betreibbar ist.The thermal energy store is designed in such a way that the temperature of the first storage zone is greater than the temperature of the second storage zone arranged above it. When using at least two storage zones, the thermal energy storage offers the possibility that the storage zone below the top storage zone can be operated with temperatures above the boiling point of the heat transfer medium.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Oberfläche der ersten und zweiten Zwischendecke eben, so dass beim Wärmeträgereintritt ein Dichtestrom ausbildbar ist und in der ersten und zweiten Speicherzone jeweils eine thermische Schichtung erzeugbar ist.In an advantageous embodiment, the surface of the first and second intermediate ceiling is flat, so that a density flow can be formed when the heat carrier enters and a thermal stratification can be generated in each of the first and second storage zones.

Die Schwimmdecke ist aus flexiblen und/oder starren Bauteilen zusammengesetzt, wobei die Schwimmdecke so konstruiert ist, dass sie sich frei zwischen einem unteren und oberen Totpunkt bewegen kann. Zusätzlich zu der flüssigkeitsdichten und/oder diffusionsdichten Ausgestaltung kann die Schwimmdecke des Weiteren oder alternativ eine Wärmedämmung aufweisen.The floating cover is composed of flexible and / or rigid components, the floating cover being constructed in such a way that it can move freely between a lower and an upper dead center. In addition to the liquid-tight and / or diffusion-tight design, the floating cover can further or alternatively have thermal insulation.

Die Wärmedämmung kann weiterhin verwendet werden, um thermische Verluste in den Dachraum zu unterdrücken und Frostschutz zu gewährleisten. Eine absperrbare Entlüftungseinrichtung stellt eine weitgehende Wasserfüllung sicher.The thermal insulation can still be used to suppress thermal losses in the roof space and to ensure frost protection. A lockable ventilation device ensures that the water is largely filled.

Die erste und zweite Zwischendecke sowie die Schwimmdecke weisen vorzugsweise eine Entgasung/Entlüftung mit einer daran angeschlossenen Leitung auf, wobei die Leitungen einzeln oder gemeinsam installiert sind.The first and second intermediate ceiling and the floating ceiling preferably have a degassing / venting system with a line connected thereto, the lines being installed individually or together.

Vorzugsweise weisen die erste und zweite Speicherzone wenigstens je eine Be- und Entladevorrichtung auf, wobei die Be- und Entladevorrichtung in Form eines Diffusors oder Schichtenladers im Bereich des Tragwerkes der jeweiligen Zwischendecke ausgebildet ist. Die Be- und Entladung ist bei derartigen Speichern mit hohen Volumenströmen verbunden. Mit einer einfachen Verrohrung lässt sich kein notwendiger Schichtungsbetrieb realisieren. Daher erfolgt der Einsatz von radialen oder linearen Diffusoren oder ähnlichen Einrichtungen wie Rohrverteilen direkt an den Zwischendecken oder dem Boden. Nur so ist der beabsichtigte Betrieb sicherzustellen.The first and second storage zones preferably each have at least one loading and unloading device, the loading and unloading device being designed in the form of a diffuser or stratified loader in the area of the supporting structure of the respective intermediate ceiling. The loading and unloading of such accumulators is associated with high volume flows. Stratification operations that are not necessary cannot be implemented with simple piping. For this reason, radial or linear diffusers or similar devices such as pipe distributors are used directly on the false ceilings or the floor. This is the only way to ensure the intended operation.

Es können jedoch auch mehrere Be- und Entladeeinrichtungen pro Speicherzonen installiert sein.However, several loading and unloading devices can also be installed per storage zone.

Die erste und zweite Speicherzone und die Ausgleichszone sind mittels einer außenliegenden Druckausgleichsleitung verbunden, wobei die Druckausgleichsleitung eine oben liegende Verbindung zur Umgebung aufweist derart, dass ein Volumenausgleich durch die thermische Ausdehnung des Wassers ohne eine signifikante Erhöhung des Innendrucks gewährleistet werden kann.The first and second storage zones and the equalization zone are connected by means of an external pressure equalization line, the pressure equalization line having an overhead connection to the environment such that volume equalization can be ensured through the thermal expansion of the water without a significant increase in the internal pressure.

Durch das Wirken der Wassersäule (zweite Speicherzone und Ausgleichvolumen) beziehungsweise der Druckausgleichsleitung über der ersten Speicherzone können dort höhere Betriebstemperaturen im Vergleich zur Siedetemperatur bei Umgebungsdruck realisiert werden. Durch die außen angeordnete Druckausgleichsleitung und die damit erzeugte Verbindung der einzelnen Speicherzonen ist ein unabhängiger und sicherer Druckausgleich der einzelnen Speicherzonen möglich.The action of the water column (second storage zone and equalization volume) or the pressure equalization line above the first storage zone enables higher operating temperatures to be achieved there compared to the boiling point at ambient pressure. Thanks to the pressure equalization line arranged on the outside and the connection between the individual storage zones that it creates, an independent and reliable pressure equalization of the individual storage zones is possible.

Der Anschluss der Druckausgleichsleitung jeder Zone (erste und zweite Speicherzone und Ausgleichszone) ist im unteren Bereich angeordnet. Vorzugsweise ist je Zone ein Siphon zur Vermeidung/Unterdrückung freier Konvektion in der Druckausgleichsleitung angeordnet.The connection of the pressure equalization line of each zone (first and second storage zone and equalization zone) is arranged in the lower area. A siphon for avoiding / suppressing free convection is preferably arranged in the pressure equalization line for each zone.

Im oberen Bereich befindet sich ein schlankes Gefäß (Länge mindestens vom unteren zum oberen Totpunkt) zur Phasentrennung. Dort erfolgt auch die Überwachung des Füllstands. Alternativ kann auch ein Schutzgas eingesetzt werden. Bei der Nutzung eines Schutzgases sind jedoch weitere Einrichtungen in Form von beispielsweise Schutzgasbereitstellung, Sicherheitstechnik notwendig.In the upper area there is a slim vessel (length at least from bottom to top dead center) for phase separation. The level is also monitored there. Alternatively, a protective gas can also be used. When using a protective gas, however, additional facilities in the form of, for example, protective gas supply and safety technology are necessary.

Der Energiespeicher weist oberhalb der Schwimmdecke einen Dachraum mit einem darüber angeordneten Dach auf, wobei der Dachraum Maßnahmen aufweist, die die Kondensation der Luftfeuchte kompensieren. Diese Maßnahmen umfassen Ventilatoren, Heizlüfter oder auch die Dämmung des Schutzdaches.The energy store has a roof space above the floating ceiling with a roof arranged above, the roof space Has measures that compensate for the condensation of air humidity. These measures include fans, fan heaters or the insulation of the protective roof.

Das Schutzdach unterbindet Wettereinflüsse wie zum Beispiel Niederschlag, Strahlung im Dachraum. Der Dachraum besitzt eine Verbindung zur Umgebung, so dass immer ein Druckausgleich gewährleistet ist.The protective roof prevents weather influences such as precipitation and radiation in the roof space. The roof space has a connection to the environment so that pressure equalization is always guaranteed.

Der Energiespeicher weist vorzugsweise eine erste und zweite Speicherzone auf, es können jedoch auch eine oder mehrere weitere Speicherzonen darüber angeordnet sein, die zwischen der unteren ersten Speicherzone und dem Boden, oder zwischen der ersten und zweiten Speicherzone oder zwischen der zweiten Speicherzone und der Ausgleichszone des Energiespeichers angeordnet sind, wobei die Speicherzone/n mittels einer zugehörigen Zwischendecke flüssigkeitsdicht und wärmegedämmt voneinander getrennt sind.The energy store preferably has a first and second storage zone, but one or more additional storage zones can also be arranged above it, which are located between the lower first storage zone and the ground, or between the first and second storage zones or between the second storage zone and the compensation zone Energy storage are arranged, the storage zone / s are liquid-tight and thermally insulated by means of an associated intermediate ceiling.

Der erfindungsgemäße thermische Energiespeicher bietet die Vorteile der Erhöhung der Betriebstemperaturen sowie der gleichzeitigen Nutzung einer kostengünstigen Speicherkonstruktionen, vorzugsweise in Form einer Flachbodentank-Bauweise mit relativ geringen Errichtungskosten, großen Volumina und einer günstigen Speicherbetriebsweise. Durch die Temperaturerhöhung erweitert sich der Einsatzbereich z. B. in Bezug auf den Einsatz in bestehenden Versorgungssystemen, Fernwärme, technologische Prozesse oder die Speicherung von Überschüssen in solarthermischen Systemen. Weiterhin kann die neue Speicherkonstruktion als Wärmequelle-Wärmesenken-System eingesetzt werden. Hier können Wärmepumpen eine Zone abkühlen und eine andere Zone zum Beispiel auf Soll-Temperatur des Netzes aufheizen. In die kalte Zone können Niedertemperatur-Quellen gut eingebunden werden. Im Gegensatz zur Speicherkonstruktion sind die thermischen Verluste von der unteren Zone an eine obere Zone wiedergewinnbar. Die kalte Zone könnte auch der Kälteversorgung dienen.The thermal energy store according to the invention offers the advantages of increasing the operating temperatures and the simultaneous use of an inexpensive storage structure, preferably in the form of a flat-bottom tank construction with relatively low construction costs, large volumes and a favorable storage mode of operation. Due to the increase in temperature, the area of application expands, for. B. in relation to the use in existing supply systems, district heating, technological processes or the storage of surpluses in solar thermal systems. Furthermore, the new storage structure can be used as a heat source heat sink system. Here, heat pumps can cool down one zone and heat another zone, for example to the network's setpoint temperature. Low-temperature sources can be integrated well into the cold zone. In contrast to the storage tank construction, the thermal losses can be recovered from the lower zone to an upper zone. The cold zone could also be used to supply cold.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment and associated drawings.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energiespeichers mit zwei Speicherzonen,
2 eine schematische Ausgestaltung der Beladung und/oder Entladung eines thermischen Energiespeichers,
3 eine schematische Ausgestaltung der Beladung und/oder Entladung eines thermischen Energiespeichers mit zwei Temperaturzonen und wahlweiser Verschaltung der Zonen zum Be- und Entladen,
4 den Einsatz einer Wärmepumpe oder mehrerer Wärmepumpen zur Nutzung des Speichers zum beladen und/oder entladen als Wärmequelle und Wärmesenke.

Show it:

1 a schematic representation of an energy store according to the invention with two storage zones,
2 a schematic configuration of the loading and / or unloading of a thermal energy store,
3 a schematic configuration of the loading and / or unloading of a thermal energy store with two temperature zones and optional interconnection of the zones for loading and unloading,
4th the use of a heat pump or several heat pumps to use the storage tank for charging and / or discharging as a heat source and heat sink.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen thermischen Energiespeichers. Der Speicher ist gemäß eines typischen Flachbodentanks aufgebaut und umfasst einen Boden 1, einen Zylindermantel 2 und ein Dach 3. Der Boden, der Zylindermantel und das Dach übernehmen die Hauptfunktionen in Form von Dichten, Tragen, Dämmen und Schützen. Das Fundament beziehungsweise der Boden sowie die Seitenwand/Zylinderwand weisen eine Wärmedämmung auf, das Dach in Form eines Schutzdaches unterbindet Wettereinflüsse wie zum Beispiel Niederschlag und Strahlung. Der thermische Energiespeicher besitzt mindestens zwei Speicherzonen S1, S2 in einem Tank, wobei die erste Speicherzone S1 über dem Boden/Fundament 1 und die zweite Speicherzone S2 über der ersten Speicherzone S1 angeordnet ist. Die erste und zweite Speicherzone S1, S2 sind mittels einer ersten fest angeordneten Zwischendecke Z1 flüssigkeitsdicht und wärmegedämmt voneinander getrennt. Über der zweiten Speicherzone S2 ist eine, die Speicherzone oben begrenzende weitere zweite flüssigkeitsdichte und wärmegedämmte Zwischendecke Z2 angeordnet. 1 shows a schematic representation of a thermal energy store according to the invention. The reservoir is constructed according to a typical flat-bottom tank and comprises a floor 1 , a cylinder jacket 2 and a roof 3 . The floor, the cylinder jacket and the roof take on the main functions in the form of sealing, carrying, insulating and protecting. The foundation or the floor as well as the side wall / cylinder wall have thermal insulation, the roof in the form of a protective roof prevents weather influences such as precipitation and radiation. The thermal energy store has at least two storage zones S1 , S2 in a tank, the first storage zone S1 above the ground / foundation 1 and the second storage zone S2 above the first storage zone S1 is arranged. The first and second storage zones S1 , S2 are by means of a first fixed false ceiling Z1 separated from each other in a liquid-tight and thermally insulated manner. Above the second storage zone S2 is a second, liquid-tight and thermally insulated false ceiling that delimits the storage zone at the top Z2 arranged.

Die Zwischendecken Z1, Z2 sind derart aufgebaut, dass sie einen Anschluss zur Entgasung/Entlüftung E aufweisen. Des Weiteren ist die Oberfläche der ersten und zweiten Zwischendecke vorzugweise eben, so dass sich ein Dichtestrom gut ausbilden kann. Die Be- und Entladung des Energiespeichers erfolgt vorzugsweise mittels am Tragwerk der Zwischendecken Z1, Z2 direkt befestigter Diffusoren 4, wobei diese einen möglichst geringen Abstand zu der Zwischendecke aufweisen. In den Speicherzonen S1, S2 wird jeweils ein Betrieb mit thermischer Schichtung angestrebt.The false ceilings Z1 , Z2 are constructed in such a way that they have a connection for degassing / venting E. exhibit. Furthermore, the surface of the first and second intermediate ceiling is preferably flat so that a density flow can develop well. The energy store is preferably charged and discharged by means of the supporting structure of the false ceilings Z1 , Z2 directly attached diffusers 4th , these being as small as possible from the false ceiling. In the storage zones S1 , S2 an operation with thermal stratification is sought in each case.

Die Speicherzonen S1, S2 können über getrennte Vorrichtungen be- und entladen werden. Neben dem Einsatz von (radialen) Diffusoren können auch Schichtenlader eingesetzt werden. Des Weiteren können auch mehrere Be- und Entladeeinrichtungen pro Speicherzone installiert sein.The storage zones S1 , S2 can be loaded and unloaded via separate devices. In addition to the use of (radial) diffusers, stratified chargers can also be used. In addition, several loading and unloading devices can be installed per storage zone.

Über der zweiten Zwischendecke Z2 ist eine Ausgleichszone A angeordnet, wobei die Ausgleichszone A nach oben von einer darauf angeordneten Schwimmdecke SD begrenzt ist. Die Schwimmdecke SD ist ebenfalls flüssigkeitsdicht und/oder diffusionsdicht ausgebildet und weist bevorzugt eine Wärmedämmung auf. Die Wärmedämmung kann weiterhin verwendet werden, um thermische Verluste in den Dachraum zu unterdrücken und Frostschutz zu gewährleisten.Above the second false ceiling Z2 is a compensation zone A. arranged, the compensation zone A. upwards from a floating cover arranged on it SD is limited. The floating blanket SD is also liquid-tight and / or diffusion-tight and preferably has thermal insulation. The thermal insulation can continue can be used to suppress thermal losses in the roof space and to ensure frost protection.

Die Schwimmdecke SD besteht aus flexiblen und starren Bauteilen und ist so konstruiert, dass sie sich frei zwischen einem unteren Totpunkt T1 und einem oberen Totpunkt T2 bewegen kann.The floating blanket SD consists of flexible and rigid components and is designed so that it can move freely between a bottom dead center T1 and a top dead center T2 can move.

Die Ausgleichszone ist unabhängig der Anzahl der darunter angeordneten Speicherzonen, sodass diese Ausgleichszone die oberste Zone bildet und dem Ausgleich des Wasservolumens dient, welches durch die thermische Ausdehnung des Speicherwassers und/oder des Netzwassers entsteht.The equalization zone is independent of the number of storage zones arranged below it, so that this equalization zone forms the uppermost zone and serves to equalize the water volume that arises from the thermal expansion of the storage water and / or the network water.

Die Druckbeaufschlagung ist bei einem derartigen Speicher viel geringer, das heißt hier erfolgt die Druckauflastung für die Speicherzone S1 durch die Speicherzone S2 und die Ausgleichszone A.The application of pressure is much lower in such a memory, that is, here the pressure is increased for the memory zone S1 through the storage zone S2 and the balance zone A. .

Oberhalb der Ausgleichszone A ist ein Dachraum D angeordnet, der eine Verbindung V zur Umgebung aufweist, so dass immer ein Druckausgleich gewährleistet ist.Above the compensation zone A. is an attic D. arranged of a connection V to the environment, so that pressure equalization is always guaranteed.

Die Entlüftungseinrichtung/Entgasung E der Speicherzonen S1, S2 sowie der Ausgleichszone A ist vorzugsweiseabsperrbare und stellt eine weitgehende Wasserfüllung sicher. Die Entlüftung E der einzelnen Zonen S1, S2 kann in einer gemeinsamen Leitung oder in Einzelleitungen je Zone ausgebildet sein. Eine Einbindung in den Behälter zur Phasentrennung ist ebenfalls möglich. Die Leitungen E können auch absperrbar ausgeführt sein, beispielsweise zum Schließen nach Inbetriebnahme.The ventilation device / degassing E. of the storage zones S1 , S2 as well as the compensation zone A. is preferably lockable and ensures that it is largely filled with water. The vent E. of the individual zones S1 , S2 can be formed in a common line or in individual lines per zone. Integration into the container for phase separation is also possible. The lines E. can also be designed to be lockable, for example to close after commissioning.

Die erste und zweite Speicherzone S1, S2 sowie die Ausgleichszone A sind mittels einer Druckausgleichsleitung L verbunden. Diese stellt die hydraulische Kommunikation zwischen allen Zonen S1, S2, A sicher und besitzt eine oben liegende Verbindung zur Umgebung. Die Druckausgleichsleitung L gewährleistet einen Volumenausgleich, der vorwiegend durch die thermische Ausdehnung des Wassers entsteht. Durch das Wirken der Wassersäule (Speicherzone S2 und Ausgleichszone A) über der Speicherzone S1 können dort höhere Betriebstemperaturen im Vergleich zur Siedetemperatur bei Umgebungsdruck realisiert werden. Durch die konstruktive Ausgestaltung soll freie Konvektion in der Druckausgleichsleitung vermieden werden. Deswegen sind die Anschlüsse im unteren Bereich mit jeweils einem Siphon 5 zur Vermeidung freier Konvektion vorgesehen. Im oberen Bereich befindet sich ein schlankes Gefäß 6 mit einer Länge mindestens vom unteren Totpunkt T1 zum oberen Totpunkt T2 zur Phasentrennung. In diesem Gefäß 6 erfolgt ebenfalls die Überwachung des Füllstands.The first and second storage zones S1 , S2 as well as the compensation zone A. are by means of a pressure equalization line L. connected. This provides the hydraulic communication between all zones S1 , S2 , A. safe and has an overhead connection to the environment. The pressure equalization line L. guarantees a volume equalization, which is mainly caused by the thermal expansion of the water. Through the action of the water column (storage zone S2 and compensation zone A. ) above the storage zone S1 higher operating temperatures can be achieved there compared to the boiling point at ambient pressure. The structural design is intended to avoid free convection in the pressure equalization line. That is why the connections in the lower area are each with a siphon 5 intended to avoid free convection. In the upper area there is a slim vessel 6th with a length at least from bottom dead center T1 to top dead center T2 for phase separation. In this vessel 6th the level is also monitored.

In einer alternativen Ausgestaltung kann auch ein Schutzgas eingesetzt werden, wobei dann weitere Einrichtungen wie zum Beispiel Schutzgasbereitstellung und Sicherheitstechnik notwendig sind.In an alternative embodiment, a protective gas can also be used, in which case further devices such as protective gas supply and safety technology are necessary.

Um den Energiespeicher gegen Umwelteinflüsse zu schützen, kann die Frostsicherheit beispielsweise mittels elektrischer Begleitheizungen gewährleistet werden.In order to protect the energy storage device against environmental influences, frost protection can be ensured, for example, by means of electrical trace heating.

Im, über der Ausgleichszone A angeordneten Dachraum können Maßnahmen die Kondensation der Luftfeuchte kompensieren. Diese Maßnahmen umfassen beispielsweise Ventilatoren, Heizlüfter und Dämmung des Schutzdaches.In, above the compensation zone A. arranged attic space, measures can compensate for the condensation of air humidity. These measures include, for example, fans, fan heaters and insulation of the protective roof.

2 zeigt eine Ausgestaltung, bei der eine oder mehrere Wärmequellen für die Be- und Entladung von zwei Speicherzonen zur Verfügung stehen. In diesem Fall schwankt nicht nur der Wärmeüberschuss im System. Wärme ist oft auch mit verschiedenen Temperaturen verfügbar. Ein Beispiel für ein derartiges System sind solarthermische Systeme. Die beiden Speicherzonen S1, S2 können nach der Temperatur beladen werden. Der Betriebsbereich erhöht sich und damit die höheren zulässigen Temperaturen in der Speicherzone 1. Ungünstige Stagnationsfälle können vermieden werden. Des Weiteren ermöglichen beide Speicherzonen S1, S2 auch eine temperaturabhängige Entladung. 2 shows an embodiment in which one or more heat sources are available for loading and unloading two storage zones. In this case, not only does the excess heat fluctuate in the system. Heat is often also available at different temperatures. An example of such a system are solar thermal systems. The two storage zones S1 , S2 can be loaded according to the temperature. The operating range increases and with it the higher permissible temperatures in the storage zone 1 . Unfavorable stagnation cases can be avoided. Furthermore, both storage zones allow S1 , S2 also a temperature-dependent discharge.

Gemäß 3 ist eine schematische Ausgestaltung der Beladung eines thermischen Energiespeichers mit zwei Temperaturzonen und wahlweiser Verschaltung der Zonen zum Be- und Entladen dargestellt. Die zwei Speicherzonen S1, S2 lassen sich extern auch so verschalten, dass die Speicherzonen S1, S2 wie eine Zone bezüglich der Beladung und/oder Entladung agieren.According to 3 shows a schematic configuration of the loading of a thermal energy store with two temperature zones and optional interconnection of the zones for loading and unloading. The two storage zones S1 , S2 can also be interconnected externally so that the storage zones S1 , S2 act like a zone with regard to loading and / or unloading.

Der Einsatz einer Wärmepumpe oder mehrerer Wärmepumpen zur Nutzung des Speichers als Wärmequelle und Wärmesenke ist in 4 dargestellt. Oft muss Niedertemperatur-Wärme auf das Temperaturniveau der Wärmesenkenseite (zum Beispiel in Form des Netzes) gehoben werden. Dafür kommen Wärmepumpen zum Einsatz. Vorzugsweise dient Speicherzone S2 als Wärmequelle (Entladung). Die Wärmepumpe belädt dann die Speicherzone S1. Es können aber auch andere Kombinationen gewählt werden. Des Weiteren kann die kalte Zone auch für Kühlzwecke eingesetzt werden.The use of a heat pump or several heat pumps to use the storage tank as a heat source and heat sink is in 4th shown. Often, low-temperature heat has to be raised to the temperature level of the heat sink side (for example in the form of the network). Heat pumps are used for this. Storage zone is preferably used S2 as a heat source (discharge). The heat pump then charges the storage zone S1 . However, other combinations can also be selected. The cold zone can also be used for cooling purposes.

Der erfindungsgemäße thermische Energiespeicher bietet im Vergleich zum Stand der Technik einige Vorteile. So kann ein Betrieb mit mindestens zwei Temperaturniveaus genutzt werden, wobei ein unabhängiger Betrieb der Speicherzonen möglich ist. Des Weiteren ist jede Speicherzone unabhängig entlüftbar. Der thermischer Energiespeicher ist insbesondere in Form eines Mehrzonenspeichers in Form eines Flachbodentanks mit einer Größe von vorzugsweise zwischen 500 m³ bis ca. 40.000 m³ ausgebildet.The thermal energy store according to the invention offers several advantages compared to the prior art. Operation with at least two temperature levels can thus be used, whereby independent operation of the storage zones is possible. Furthermore, each storage zone can be vented independently. The thermal energy storage is in particular in the form of a multi-zone storage tank in the form of a flat-bottom tank with a size of preferably between 500 m ³ to approx. 40,000 m ³ .

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: Bodenground
22: Zylindermantel/Wandaufbau in ZylinderformCylinder jacket / wall structure in cylinder shape
33: Dachtop, roof
44th: DiffusorDiffuser
55: Siphonsiphon
66th: Gefäß vessel
AA.: AusgleichszoneCompensation zone
DD.: DachraumAttic
EE.: Entgasung/EntlüftungDegassing / venting
LL.: DruckausgleichsleitungPressure equalization line
S1S1: erste Speicherzonefirst storage zone
S2S2: zweite Speicherzonesecond storage zone
SDSD: SchwimmdeckeFloating cover
VV: Verbindungconnection
Z1Z1: erste Zwischendeckefirst false ceiling
Z2Z2: zweite Zwischendeckesecond false ceiling

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 4305867 A1 [0008]
DE 102013111543 A1 [0009]
EP 0067428 A1 [0013]
DE 102012013625 A1 [0015]
DE 102016100649 A1 [0016]
WO 2015/024765 A2 [0017, 0027, 0028]

Claims

Thermal energy storage, in particular multi-zone storage in the form of a flat bottom tank, having a floor (1) in the form of a foundation, a roof (3) and a wall structure in the form of a cylinder (2) arranged between the floor (1) and the roof (3), characterized in that, that the energy store has at least two storage zones (S1, S2) for storing a heat transfer medium (water), a lower first storage zone (S1) and a second storage zone (S2) being arranged above the first storage zone (S1), the first and second Storage zones (S1, S2) are separated from one another in a liquid-tight and thermally insulated manner by means of a first fixed intermediate ceiling (Z1) and that a further second liquid-tight and thermally insulated intermediate ceiling (Z2) delimiting the storage zone (S2) at the top is arranged above the second storage zone (S2) and above the second false ceiling (Z2) there is a fluid-filled (heat transfer medium / water) compensation zone (A), the weight of which is based on di e second storage zone (S2) acts and that a floating cover (SD) is arranged on the compensation zone (A).

Thermal energy storage according to Claim 1 , characterized in that the temperature of the first storage zone (S1) is greater than the temperature of the second storage zone (S2), the storage zone below the top storage zone being operable at temperatures above the boiling point of the heat carrier.

Thermal energy storage according to Claim 1 or 2 , characterized in that the surface of the first and second intermediate ceiling (Z1, Z2) is flat, so that a density flow can be formed at the heat carrier outlet and a thermal stratification can be generated in each of the first and second storage zones (S1, S2).

Thermal energy storage according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the floating cover (SD) is liquid-tight and / or diffusion-tight and / or has thermal insulation.

Thermal energy storage according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the first and second intermediate ceiling (Z1, Z2) and the floating ceiling (SD) have a degassing / venting (E) with a line connected to it, the lines being installed individually or together.

Thermal energy storage according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the first and second storage zones (S1, S2) each have at least one loading and unloading device (4), the loading and unloading device (4) in the form of a diffuser or stratified loader in the area of the supporting structure of the respective intermediate ceiling and / or the bottom (Z1, Z2, 1) is formed.

Thermal energy storage according to one of the Claims 1 to 6th , characterized in that the floating ceiling (SD) is formed from flexible and / or rigid components and that the floating ceiling (SD) can move freely between a bottom dead center (T1) and top dead center (T2).

Thermal energy storage according to one of the Claims 1 to 7th , characterized in that the first and second storage zone (S1, S2) and the equalization zone (A) are connected by means of a pressure equalization line (L), the pressure equalization line (L) having an overhead connection to the environment such that a volume equalization through the thermal expansion of the water can be generated.

Thermal energy storage according to Claim 8 , characterized in that the connection of the pressure equalization line (L) of each zone is arranged in the lower area and that a siphon (5) for each zone is arranged in the pressure equalization line (L) to avoid free convection.

Thermal energy storage according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that the energy store has a roof space (D) above the floating ceiling (SD), the roof space (D) having measures that compensate for the condensation of the air humidity.

Thermal energy storage according to one of the Claims 1 to 10 , characterized in that the roof space (D) has a connection (V) to the environment in such a way that pressure equalization is ensured.

Thermal energy storage according to Claim 1 , characterized in that the energy store has one or more further storage zones, which are arranged between the lower first storage zone (S1) and the bottom (1) of the energy store, the storage zone (s) being separated from each other in a liquid-tight and thermally insulated manner by means of an associated intermediate ceiling.