DE102019116318B3

DE102019116318B3 - Verfahren zum Betreiben einer Druckspeicheranlage, Druckspeicheranlage, Steuerungsprogramm und computerlesbares Medium

Info

Publication number: DE102019116318B3
Application number: DE102019116318.8A
Authority: DE
Inventors: Sergej Belek; Volker Dreißigacker
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2020-12-03
Anticipated expiration: 2039-06-15
Also published as: DE102019116318B8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Druckspeicheranlage (20), umfassend eine Beladeseite (46), über welche Luft mittels zumindest zweier Verdichtereinrichtungen (22, 30) zu Druckluft verdichtet wird und eine Entladeseite (48), über welche Druckluft unter Energieabgabe mittels zumindest einer Turbineneinrichtung (38, 40) entspannt wird, n Stufen (42, 44), mit n gleich oder größer zwei, mit jeweils zumindest einer auf der Beladeseite (46) angeordneten Verdichtereinrichtung (22, 30) und mit, z. B. jeweils einer, auf der Entladeseite (46) angeordneten Turbineneinrichtung (38, 40), zumindest eine Druckspeichereinrichtung (36) zur Druckluftspeicherung, welche über die Beladeseite (46) in einem Beladebetrieb mit Druckluft beladen wird und über die Entladeseite (48) in einem Entladebetrieb von Druckluft entladen wird, zumindest eine Wärmespeichereinrichtung (32), die in dem Beladebetrieb Wärme aus der Luft aufnimmt und in dem Entladebetrieb Wärme an die Luft abgibt, und eine auf der Beladeseite (46) angeordnete zusätzliche Einrichtung zum Einbringen zusätzlicher Wärme in die Luft bei dem Beladebetrieb. Im Vergleich zum symmetrischen Betrieb ist eine Wirkungsgradsteigerung dadurch erreichbar, dass zumindest eine der Stufen (42, 44) zumindest zeitweise asymmetrisch betrieben wird, wobei sich ein Druckniveau der Druckluft im Beladebetrieb nach Verdichtung von dem Druckniveau im Entladebetrieb vor Entspannung unterscheidet

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Druckspeicheranlage, umfassend eine Beladeseite, über welche Luft mittels zumindest zweier Verdichtereinrichtungen zu Druckluft verdichtet wird und eine Entladeseite, über welche Druckluft unter Energieabgabe mittels zumindest einer Turbineneinrichtung entspannt wird, n Stufen, mit n gleich oder größer zwei, mit jeweils zumindest einer der auf der Beladeseite angeordneten Verdichtereinrichtung und mit, z. B. jeweils einer der, auf der Entladeseite angeordneten Turbineneinrichtung, zumindest eine Druckspeichereinrichtung zur Druckluftspeicherung, welche über die Beladeseite in einem Beladebetrieb mit Druckluft beladen wird und über die Entladeseite in einem Entladebetrieb von Druckluft entladen wird, zumindest eine Wärmespeichereinrichtung (z. B. eine pro Stufe), die in dem Beladebetrieb Wärme aus der Luft aufnimmt und in dem Entladebetrieb Wärme an die Luft abgibt, und eine auf der Beladeseite angeordnete zusätzliche Einrichtung zum Einbringen zusätzlicher Wärme in die Luft bei dem Beladebetrieb, insbesondere eine Heizeinrichtung, bei dem in dem Beladebetrieb die Druckspeichereinrichtung zur Energiespeicherung beladen wird, wobei der Druckluft mittels der zusätzlichen Einrichtung zusätzliche Wärme zugeführt wird, und in einem Entladebetrieb die Druckspeichereinrichtung zur Energieabgabe entladen wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Druckspeicheranlage, ein Steuerungsprogramm und ein computerlesbares Medium.
Der zunehmende Ausbau erneuerbarer Energien erfordert eine deutliche Erhöhung von elektrischen Speicherkapazitäten. Aus dem Stand der Technik bekannte adiabate Druckluftspeicherkraftwerke bergen großes Potenzial zur Deckung von Speicherbedarf im MWh- oder GWh- Maßstab und zur Bereitstellung hoher Regelleistungen. Derartige Kraftwerke weisen vergleichbare Kosten und Wirkungsgrade zu Pumpspeicherkraftwerken auf, bieten jedoch z. B. den Vorteil, dass der Landschaftseingriff wesentlich geringer ausfallen kann.
Bei dem bekannten Verfahren zum Betreiben eines adiabaten Druckspeicherkraftwerks wird Umgebungsluft adiabat verdichtet, wobei die eingebrachte, zu speichernde elektrische Energie in mechanische Energie, genauer potentielle Energie, umgewandelt wird. Die dabei aus der heißen Druckluft anfallende Wärme wird auf geeignete thermische Energiespeicher (z. B. Regeneratoren, Ein- und Zweitankspeicher mit Flüssigsalz) übertragen und zwischengespeichert. Die abgekühlte und unter Druck stehende Luft wird anschließend in einem oder mehreren Druckluftspeicher/n (z. B. Kavernen, Druckröhren) gespeichert. Zur Energieentnahme wird während eines Entladebetriebs die kalte Druckluft aus dem bzw. den Druckluftspeichern entnommen, durch die in den thermischen Energiespeichern zwischengespeicherte Wärme aufgeheizt und in Turbinen unter Auskopplung elektrischer Energie auf Umgebungsdruck entspannt. Unter idealen Bedingungen verläuft der Gesamtprozess isentrop und erreicht einen Speicherwirkungsgrad von 100 %. Vielversprechende Anlagenkonfigurationen verwenden eine mehrstufige Verdichtung und/oder Entspannung der Luft, wobei in der Regel jeweils ein thermischer Energiespeicher pro Stufe vorhanden ist. Um die isentrope Prozessführung zu erreichen, entsprechen sich die Druckniveaus innerhalb der einzelnen Stufen im Be- und im Entladebetrieb (synchrone Druckführung).
Aus der EP 2 574 756 A1 , von der auch die vorliegende Erfindung ausgeht, ist eine Erweiterung des bekannten Prozesses um eine zusätzliche Einrichtung (d. h. zusätzlich zu den Verdichtern) zur Einbringung elektrischer Energie in Form einer elektrischen Zuheizung auf der Beladeseite bekannt. Durch diese Maßnahme lässt sich während des Beladebetriebs zusätzlich elektrische Hochtemperaturwärme erzeugen, wodurch die thermische Speicherdichte der Druckspeicheranlage erhöht werden kann. So ist eine Reduktion der Komponentengrößen (Turbomaschinen, d. h. Verdichter und Turbinen, Druckluftspeicher, thermischer Energiespeicher) bei gleicher Entladeleistung erreichbar, was die Kosteneffizienz und Leistungsfähigkeit verbessert. Nachteilig hierbei ist, dass der Einsatz der elektrischen Zuheizung zu Wirkungsgradeinbußen führt, da die zusätzlich erzeugte Hochtemperaturwärme mit Abwärmeverlusten während des Entladebetriebs verbunden ist.
Ein weiteres Druckspeicherkraftwerk ist in der DE 10 2010 050 428 A1 gezeigt, wobei die Anzahl der Einspeicher-Druckstufen ungleich der Anzahl der Ausspeicher-Druckstufen ist bzw. die Druckstufenanzahlen variiert werden können.
Die DE 10 2010 027 302 B4 zeigt ein Druckluftspeicherkraftwerk mit einer Möglichkeit zur Direkterwärmung von Druckluft innerhalb eines Wärme-Energiespeichersystems, wobei insbesondere mit der näheren Ausgestaltung bzw. Verfahrensführung zur Luftstromerwärmung konkretisiert ist.
Die DE 26 15 439 A1 offenbart ein Druckluftspeicherkraftwerk mit einer, zum Beispiel elektrischen, Zuheizung auf der Entladeseite.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer, insbesondere adiabaten, Druckspeicheranlage sowie eine, insbesondere adiabate, Druckspeicheranlage mit einer zusätzlichen Einrichtung zum Einbringen elektrischer Energie mit einem verbesserten Wirkungsgrad bereitzustellen. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Steuerungsprogramm sowie ein computerlesbares Medium bereitzustellen.
Die Aufgabe wird für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass zumindest eine der Stufen zumindest zeitweise asymmetrisch betrieben wird, wobei sich (innerhalb einer Stufe) ein Druckniveau der Druckluft im Beladebetrieb nach Verdichtung (p_b), d. h. stromab der jeweiligen Verdichtereinrichtung, von dem Druckniveau im Entladebetrieb vor Entspannung (p_e), d. h. stromauf der jeweiligen Turbineneinrichtung, unterscheidet, wobei insbesondere das Druckniveau im Beladebetrieb kleiner ist als das Druckniveau im Entladebetrieb. Bei dieser asymmetrischen Druckführung ergibt sich ein asymmetrisches Druckverhältnis, mit p_e/p_b ≠ 1, insbesondere p_e/p_b >1. Beispielsweise kann das Verhältnis zwischen 1,05 und 5 betragen.
Die erste Stufe bildet eine Niederdruckstufe, wobei Luft im Beladebetrieb von dem geringsten Druckniveau der Druckspeicheranlage, vorzugsweise Umgebungsdruck, verdichtet wird. Die zusätzliche Einrichtung zum Einbringen zusätzlicher Wärme wird beispielsweise durch eine Heizeinrichtung gebildet, kann aber auch z. B. eine Wärmepumpenanordnung umfassen. Der Ausdruck „Luft“ wird vorliegend übergeordnet verwendet und umfasst den Ausdruck „Druckluft“, die stromab der ersten Verdichtung bis stromauf der letzten Entspannung (d. h. je innerhalb der ersten Stufe) vorliegt. Bei der Verfahrensführung ist vorzugsweise das Gesamtdruckverhältnis zwischen der Umgebung und der Druckspeichereinrichtung zumindest unter idealisierten Bedingungen konstant. Die Prozessführung wird über eine entsprechend ausgebildete Steuereinrichtung mit einem geeigneten Steuerungsprogramm, umfassend geeignete Steuerungsfunktionen, gesteuert bzw. geregelt. Die Wärmespeichereinrichtung kann Wärme aus der Luft bzw. an die Luft z. B. in direktem oder indirektem Kontakt aufnehmen bzw. abgeben. „Indirekt“ heißt z. B. unter Zwischenschaltung eines Wärmetauschers und Übertragung mittels eines Wärmetauschermediums an einen bzw. von einem externen Wärmespeicher.
Durch die erfindungsgemäße asymmetrische Druckführung lassen sich die Abwärmeverluste (zeitlich) von dem Entladebetrieb auf den Beladebetrieb verlagern.
Während des Beladebetriebs kann die Abwärme weitaus energie- und kosteneffizienter genutzt werden als während des Entladebetriebs, wodurch die vorteilhafte Wirkungsgradverbesserung bei geringem Kostenaufwand erreichbar ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante strömt die Druckluft im Beladebetrieb stromab der letzten, n-ten, Stufe in die Druckspeichereinrichtung und es wird zumindest eine der Stufen 1 bis n-1 asymmetrisch betrieben, z. B. die erste Stufe. Auf diese Weise kann ohne weitere Druckregelungsmaßnahmen ein (zumindest unter idealisierten Bedingungen) konstantes Gesamtdruckverhältnis innerhalb der Druckspeicheranlage, zwischen Umgebungsdruck und dem Speicherdruckniveau innerhalb der Druckspeichereinrichtung, sichergestellt werden, was sich günstig auf die Gesamteffizienz der Druckspeicheranlage auswirkt.
Vorzugsweise wird der Druckluft innerhalb der asymmetrisch betriebenen Stufe auf der Beladeseite, insbesondere stromab der darin angeordneten Verdichtereinrichtung und/oder stromauf der Wärmespeichereinrichtung, zusätzliche Wärme, insbesondere basierend auf einer elektrischen Zuheizung oder fossilen Zufeuerung, mittels der zusätzlichen Einrichtung zum Einbringen zusätzlicher Wärme, insbesondere der Heizeinrichtung, zugeführt. Auf diese Weise kann die zusätzliche Wärme im darauffolgenden Entladebetrieb ohne Wärmeübertragung in eine andere Stufe über die entsprechende Turbineneinrichtung im asymmetrischen Betrieb genutzt werden. Dies ermöglicht eine Systemkonfiguration mit einer vergleichsweise geringen Anzahl an Komponenten, was Kostenvorteile mit sich bringen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird der Grad der Asymmetrie, d. h. der Unterschied (bzw. das Druckverhältnis) zwischen den Druckniveaus (p_b und p_e), in Abhängigkeit der mittels der zusätzlichen Einrichtung eingebrachten zusätzlichen Wärmemenge, insbesondere mittels der Heizeinrichtung zugeführten Wärme, gesteuert oder geregelt. Alternativ oder zusätzlich kann die Menge der zusätzlich eingebrachten Wärme mittels der zusätzlichen Einrichtung, insbesondere die Heizleistung der Heizeinrichtung, in Abhängigkeit des Grades der Asymmetrie gesteuert oder geregelt werden. Zum Zwecke der Steuerung bzw. Regelung ist eine entsprechend ausgebildete Steuereinrichtung vorhanden. Die Steuerung bzw. Regelung kann unter Einbeziehung einer von der zugeführten Wärmemenge abhängigen Grö-ße, z. B. der Heizleistung, erfolgen, die z. B. die Stellgröße für den Grad der Asymmetrie (als Störgröße) darstellen kann. Bei der erstgenannten Alternative kann die asymmetrische Druckführung vorteilhaft auf eine flexible, z. B. (stromnetzseitige) Randbedingungen berücksichtigende, Verfahrensführung, die z. B. mit einer variablen Einkopplungsmenge an zusätzlicher Wärme einhergeht, angepasst werden. Bei der letztgenannten Alternative kann vorteilhaft ein Betrieb in einem optimierten Lastpunkt(-bereich) der Turbineneinrichtung(en) gewährleistet werden, was zu einer Wirkungsgradsteigerung beiträgt. Eine Regelstrategie unter Berücksichtigung einer der beiden Alternativen, oder eine Mischstrategie, ist insbesondere insofern vorteilhaft, als das Druckverhältnis, bei dem das Wirkungsgradmaximum erreicht wird, von dem Grad der Asymmetrie und/oder der Menge der eingekoppelten zusätzlichen Wärme bzw. Heizleistung abhängt, wie Untersuchungen der Erfinder gezeigt haben. Beispielsweise kann bei einer zusätzlichen Heizleistung von 12,5% (bzgl. der Gesamtturbinenleistung der Druckspeicheranlage) das Wirkungsgradmaximum bei einem Druckverhältnis p_e/p_b ≈ 1,4 liegen, während es bei einer zusätzlichen Heizleistung von 50 % bei p_e/p_b ≈ 2,2 liegen kann. Die Lage des Wirkungsgradmaximums ist anlagenspezifisch und jeweils individuell, z. B. auf Basis thermodynamischer Betrachtungen des Kreisprozesses, oder im Versuchsbetrieb, zu ermitteln. Durch diese Steuerung bzw. Regelung kann ein optimiertes Verfahren mit einer vergleichsweise hohen Gesamtwirkungsgradsteigerung bereitgestellt werden.
Dabei kann insbesondere der Grad der Asymmetrie und/oder die Menge der zusätzlich eingebrachten Wärme derart gesteuert oder geregelt werden, dass die Eintrittstemperatur der Luft in die erste, der Niederdruck-, Stufe im Beladebetrieb der Austrittstemperatur der Luft aus der ersten, der Niederdruck-, Stufe im Entladebetrieb zumindest im Wesentlichen (z. B. unter Vernachlässigung von Realverlusten (d. h. bzgl. des idealisierten Prozesses)) entspricht. Dies kann durch eine entsprechende Prozessauslegung erreicht werden, wobei die zusätzlich zugeführte Wärme in Abhängigkeit des Unterschieds zwischen den Druckniveaus p_b und p_e über Steuerung bzw. Regelung der der Heizleistung eingeregelt wird. Die Auslegung erfolgt für den idealisierten Prozess mittels der bekannten thermischen Zustandsgleichung idealer Gase. Diese kann, für eine entsprechende Steuerung bzw. Regelung, auch bei realen Prozessen zumindest näherungsweise zugrunde gelegt werden, wobei auch Realeffekte, insbesondere (z. B. anlagenspezifische) Verluste, berücksichtigt werden können. Dies ermöglicht eine optimierte Steigerung des Gesamtwirkungsgrades.
In einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird die Druckluft stromab einer der Verdichtereinrichtungen und der Heizeinrichtung und der Wärmespeichereinrichtung mittels einer Kühleinrichtung unter Wärmeabgabe gekühlt. So kann die aufgrund der asymmetrischen Betriebsführung auf den Beladeprozess verschobene Abwärme aus dem Luftströmungspfad des Prozesses ausgekoppelt werden, wobei die Luft abgekühlt wird. Auf diese Weise kann ein vorhandener Sicherheitskühler in entsprechender Ausbildung zur Gewährleistung des dauerhaft zyklischen Betriebs gleichzeitig als Komponente zur Abwärmeabfuhr beim Beladen durch die asymmetrische Betriebsführung genutzt werden. Dabei ist die Kühleinrichtung entsprechend angeordnet, z. B. in der asymmetrisch betriebenen Stufe, insbesondere stromab der Wärmespeichereinrichtung und stromauf der darauffolgenden Stufe bzw. deren Verdichtereinrichtung. Insbesondere können auch mehrere Kühleinrichtungen, z. B. eine pro Stufe, vorhanden sein. Aus Gründen der Betriebssicherheit kann z. B. jeweils eine Kühleinrichtung stromab einer Wärmespeichereinrichtung vorhanden sein, die bei dieser Verfahrensvariante zur Abwärmenutzung ausgebildet sein kann. Auf diese Weise kann die Druckspeicheranlage bedarfsgerecht, z. B. je nach Nutzung der Abwärme, ausgelegt werden, was wiederum dem Gesamtwirkungsgrad zuträglich ist.
Besonders vorteilhaft wirkt sich dabei auf den Gesamtwirkungsgrad aus, wenn die über die Kühleinrichtung abgegebene Wärme zumindest teilweise in den Prozess zum Betreiben der Druckspeicheranlage wieder eingekoppelt wird. Die Einkopplung kann z. B. synchron, in demselben Zyklus des Beladebetriebs, oder zeitversetzt in einem darauffolgenden Zyklus (dann z. B. unter Zwischenspeicherung in einer (zusätzlichen) Wärmespeichereinrichtung) erfolgen.
Dabei kann in einer bevorzugten Ausführungsvariante die abgegebene Wärme zumindest teilweise der zu verdichtenden Luft im Beladebetrieb auf der Beladeseite stromauf der Heizeinrichtung, insbesondere vor Eintritt in die Verdichtereinrichtung der ersten Stufe, zugeführt werden. Dort herrschen geringe Drücke und/oder Temperaturen, was die Einkopplung in den Prozess vereinfacht. Die Wärme kann beispielsweise mittels einer oder mehrerer aus Betriebssicherheitsgründen vorhandenen (Zwischen-)Kühleinrichtungen übertragen werden. Diese können dann z. B. entsprechend als Wärmetauscheinrichtungen ausgebildet sein und von der zu erwärmenden Luft (oder einem geeigneten Wärmträgermedium) durchströmt werden. So lässt sich mit geringem anlagentechnischem Aufwand eine deutliche Wirkungsgradsteigerung erzielen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird die abgegebene Wärme zumindest teilweise zur Verdampfung eines Arbeitsmediums in einer Wärmepumpenanordnung genutzt. Vorteilhaft kann dabei zumindest eine der vorhandenen Kühleinrichtungen als Wärmequelle ausgebildet sein. Vorzugsweise wird eine Wärmesenke der Wärmepumpenanordnung von der Luft der Druckspeicheranlage zu deren Erwärmung durchströmt. Durch diese Ausbildung bzw. Verfahrensführung kann bei gleichen Leistungen der Verdichtereinrichtungen und Heizleistung der Heizeinrichtung ein höheres Temperaturniveau an dem Austritt der Heizeinrichtung erzielt werden. Damit wird der Energiegehalt des Luftstroms und mithin die Energie- und Leistungsdichte der Druckspeicheranlage deutlich erhöht. Die Erhöhung der Leistungsdichte führt wiederum zu einer Reduktion des Luftmassenstroms und damit der Komponentengrößen der Turbomaschinen (Verdichtereinrichtungen, Turbineneinrichtungen), der Druckspeichereinrichtung und der Wärmespeichereinrichtung/en.
Denkbar wäre bei einer hohen Wärmepumpenleistung ein Verzicht auf die Heizeinrichtung, wobei die zusätzliche Einrichtung zur Einbringung elektrischer Energie durch den Verdichter der Wärmepumpenanordnung gebildet wird. Dadurch ist, je nach Randbedingungen, eine weitere Kostenersparnis erzielbar.
In einer weiteren bevorzugten Alternative kann die abgegebene Wärme zumindest teilweise zur Dampferzeugung genutzt werden. Zu diesem Zwecke ist vorzugsweise ein Verdampfer vorhanden, der, z. B. auch unter Zwischenschaltung einer Wärmepumpenanordnung, mit beladeseitiger Abwärme betrieben werden kann.
Bei dieser Verfahrensvariante wird vorzugsweise der erzeugte Dampf in einer Dampfspeichereinrichtung zwischengespeichert und während des Entladebetriebs zumindest einer der Turbineneinrichtungen, insbesondere zusätzlich zu der zu entspannenden Luft, zugeführt. Geeignete Dampfspeichereinrichtungen sind auch als Ruthsspeicher aus dem Stand der Technik bekannt. Eine geeignete Dampfspeichereinrichtung geht beispielsweise aus der US 2009/0178384 A1 hervor. Während des Entladebetriebs kann der Dampfstrom zumindest einer der Turbineneinrichtungen insbesondere zusätzlich zu der zu entspannenden Luft zugeführt werden. Dadurch erhöht sich vor der Expansion der Luft über die Turbineneinrichtung die Enthalpie des Massenstroms wodurch eine höhere Leistungsabgabe der Turbineneinrichtung erreichbar ist.
Für die Druckspeicheranlage wird die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungsvarianten der Druckspeicheranlage sind in Zusammenhang mit den vorteilhaften Ausführungsvarianten des Verfahrens sinngemäß beschrieben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildungsvariante ist die Anzahl der Wärmespeichereinrichtung/en und/oder die Anzahl der Turbineneinrichtung/en kleiner als die Anzahl n der Stufen. Eine derartige Konfiguration kann insbesondere bei verhältnismäßig großen zusätzlichen Leistungen über die zusätzliche Einrichtung zur Einbringung zusätzlicher Wärme zweckmäßig sein. Die Höhe der zusätzlichen Leistungen ist anlagenspezifisch und bei der Auslegung z. B. durch entsprechende Simulation des Prozesses ermittelbar. Auf diese Weise kann die Anzahl der Komponenten, hier insbesondere durch Wegfall einer Niederdruck-Turbineneinrichtung und/oder einer Wärmespeichereinrichtung, reduziert werden. Diese Verfahrensführung bzw. Anlagenkonfiguration kann je nach Randbedingungen Kostenvorteile bringen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Fließschema einer zweistufigen Druckspeicheranlage, die dazu ausgebildet ist, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben zu werden,
2 ein Zustandsdiagramm mit einem idealisierten Verfahren, wie es in der Druckspeicheranlage nach 1 durchgeführt werden kann,
3 ein Zustandsdiagramm mit einem simulierten realen, dreistufigen Verfahren, wie es in einer dreistufigen Druckspeicheranlage durchgeführt werden kann,
4 ein Fließschema einer zweistufigen Druckspeicheranlage gemäß einer alternativen Ausführungsvariante umfassend eine Wärmepumpenanordnung,
5 ein Fließschema einer dreistufigen Druckspeicheranlage gemäß einer alternativen Ausführungsvariante mit einer reduzierten Anzahl an Komponenten und
6 ein Zustandsdiagramm mit drei simulierten realen Verfahrensvarianten mit unterschiedlichen zusätzlichen Heizleistungen, wie sie in der Druckspeicheranlage nach 5 durchgeführt werden können.

1 zeigt eine Druckspeicheranlage 20 zur Speicherung von elektrischer Energie, insbesondere aus einem mit der Druckspeicheranlage 20 in elektrischem Kontakt stehenden Stromnetz, mittels Druckluftspeicherung in einer Druckspeichereinrichtung 36. Zu Speicherzwecken wird elektrische Energie in einem Beladebetrieb in mechanische Energie, genauer potentielle Energie, umgewandelt und dabei in Luft als Speichermedium eingebracht. Die energiebeladene Luft wird als Druckluft in der Druckspeichereinrichtung 36 gespeichert. Zur Energieentnahme wird die mechanische Energie in einem Entladebetrieb wieder in elektrische Energie umgewandelt.
Die Druckspeichereinrichtung 36 weist einen oder mehrere druckdichte Speicherräume auf, die beispielsweise durch eine bzw. mehrere Kaverne/n gebildet sein können. Zur Beladung der Druckspeichereinrichtung 36 umfasst die Druckspeicheranlage 20 eine Beladeseite 46, die im Beladebetrieb betrieben wird. Zur Entladung umfasst die Druckspeicheranlage 20 eine Entladeseite 48, die im Entladebetrieb betrieben wird.
Die in 1 gezeigte Druckspeicheranlage 20 weist beispielhaft zwei Stufen 42, 44 auf, die jeweils auf der Beladeseite 46 eine Verdichtereinrichtung 22, 30 zur Verdichtung der Luft zu Druckluft umfassen. Die erste Stufe 42 bildet die Niederdruckstufe, wobei die Verdichtereinrichtung 22 als Niederdruckverdichter, zur Verdichtung der Luft von Umgebungsdruck auf ein erstes Belade-Druckniveau (z. B. zwischen 5 bar und 20 bar) ausgebildet ist. Die zweite Stufe 44 bildet hier beispielhaft die Hochdruckstufe, wobei die Verdichtereinrichtung 30 als Hochdruckverdichter, zur Verdichtung der Luft von dem ersten Belade-Druckniveau auf ein zweites Druckniveau, ausgebildet ist. Das zweite Druckniveau bildet hierbei das Speicherdruckniveau, das zumindest näherungsweise in der Druckspeichereinrichtung 36 vorliegt, und beträgt z. B. zwischen 20 bar und 100 bar.
Weiterhin umfasst die Druckspeicheranlage 20 vorliegend beispielhaft zwei Turbineneinrichtungen 38, 40, die jeweils in einer der Stufen 44, 42 angeordnet sind. Die Turbineneinrichtungen 38, 40 dienen zur Entspannung der Druckluft unter Umwandlung der mechanischen in elektrische Energie. Dazu weisen die Turbineneinrichtungen 38, 40 jeweils Generatoreinrichtungen auf (hier nicht gezeigt). Die Turbineneinrichtung 38 ist der zweiten Stufe 44 zugeordnet und ist als Hochdruckturbine ausgebildet, zur Entspannung der Luft von dem Speicherdruckniveau auf ein erstes Entlade-Druckniveau. Die Turbineneinrichtung 40 ist der ersten Stufe 42 zugeordnet und ist als Niederdruckturbine ausgebildet, zur Entspannung der Luft auf Umgebungsdruck.
Daneben umfasst die Druckspeicheranlage 20 hier beispielhaft zwei Wärmespeichereinrichtungen 26, 32. Die Wärmespeichereinrichtung 26 ist in der ersten Stufe 42 und die Wärmespeichereinrichtung 32 in der zweiten Stufe 44 angeordnet. Die Wärmespeichereinrichtungen 26, 32 sind derart im Strömungspfad der Luft angeordnet, dass sie auf der Beladeseite 46 jeweils stromab der Verdichtereinrichtungen 22, 30 derselben Stufe, d. h. der ersten bzw. der zweiten Stufe 42, 44, von der Luft durchströmt werden, zur Wärmeabgabe der Luft an die Wärmespeichereinrichtungen 26, 32 nach Verdichtung. Auf der Entladeseite sind die Wärmespeichereinrichtungen 26, 32 jeweils stromauf der Turbineneinrichtungen 38 bzw. 40 angeordnet, zur Wärmeaufnahme der Luft aus den jeweiligen Wärmespeichereinrichtungen 26, 32 vor deren Entspannung. Auf diese Weise dienen die Wärmespeichereinrichtungen 26, 32 zur Aufnahme von Wärme aus der Druckluft im Beladebetrieb und deren Zwischenspeicherung, und zur Abgabe von Wärme an die Druckluft im Entladebetrieb.
Weiterhin umfasst die Druckspeicheranlage 20 eine insbesondere zum Betrieb mit z. B. elektrisch oder fossil zugeführter Energie ausgebildete Heizeinrichtung 24 als zusätzliche Einrichtung zur Einbringung zusätzlicher Wärme, die auf der Beladeseite 46 angeordnet ist. Genauer ist die Heizeinrichtung 24 in dem Strömungspfad der Luft innerhalb der ersten Stufe 42 stromab der Verdichtereinrichtung 22 und stromauf der Wärmespeichereinrichtung 26 angeordnet. Denkbar wäre auch eine andere Anordnung, beispielsweise innerhalb der Wärmespeichereinrichtung 26, oder, bei Vorhandensein mehrerer Stufen, innerhalb einer anderen Stufe. Mittels der Heizeinrichtung 24 ist der Luft im Beladebetrieb zusätzlich Energie in Form von Wärmeenergie zuführbar. So ist eine Reduktion der Komponentengrößen (Turbomaschinen, d.h. Verdichtereinrichtungen 22, 30 und Turbineneinrichtungen 38, 40, Druckluftspeichereinrichtung 36, Wärmespeichereinrichtung 26, 32) bei gleicher Entladeleistung erreichbar, was die Kosteneffizienz und die Leistungsfähigkeit der Druckspeicheranlage 20 verbessert.
Der Druckspeicheranlage 20 sind auf der Beladeseite 46 zudem zwei Kühleinrichtungen 28, 34, jeweils eine pro Stufe 44, 42, zugeordnet, die aus Gründen der Betriebssicherheit jeweils stromab der Wärmespeichereinrichtungen 26, 32 angeordnet sind. Auf diese Weise kann bei einer erschöpften Speicherkapazität der Wärmespeichereinrichtung 26 und/oder der Wärmespeichereinrichtung 32 die nicht mehr speicherbare Wärme durch die jeweils stromab angeordnete Kühleinrichtung 28, 34 abgeführt werden.
Zur Steuerung bzw. Regelung der Druckspeicheranlage 20 ist zudem eine (hier nicht gezeigte) Steuereinrichtung vorhanden, die mit den einzelnen zu steuernden bzw. zu regelnden Komponenten der Druckspeicheranlage 20 in Datenübertragungsverbindung steht.
In 1 sind Zustände 1 bis 11 von im Betrieb durch die Druckspeicheranlage 20 geführter Luft angegeben, deren genauen Spezifikationen 2 entnehmbar sind, wie nachstehend beschrieben.
Ein Kerngedanke der Erfindung liegt in der Prozess- bzw. Verfahrensführung innerhalb der in 1 gezeigten Druckspeicheranlage 20, die eine asymmetrische Druckführung aufweist. Demgemäß wird zumindest eine der Stufen 42, 44 asymmetrisch betrieben, wobei sich das Druckniveau der Druckluft im Beladebetrieb nach Verdichtung, d. h. stromab der Verdichtereinrichtung 22, 30, von dem Drucknivieau im Entladebetrieb vor Entspannung, d. h. stromauf der Turbineneinrichtung 40, 38, unterscheidet. Vorliegend ist das erste Belade-Druckniveau p₂ (bei Zustand 2) im Beladebetrieb geringer als das erste Entlade-Druckniveau P₁₀ (bei Zustand 10) im Entladebetrieb, sodass sich ein Druckverhältnis von p₁₀/p₂ von größer 1 ergibt. Das Gesamtdruckverhältnis zwischen Umgebungsluft und Druckspeichereinrichtung 36, p₁/p₆ auf der Beladeseite 46 und P₇/P₁₁ auf der Entladeseite 48, ist, zumindest unter idealisierten Bedingungen, konstant. Die Prozessführung wird über eine entsprechend ausgebildete Steuereinrichtung gesteuert bzw. geregelt, die die Turbineneinrichtungen 38, 40 entsprechend steuert bzw. regelt.
Anhand 2 wird diese Prozessführung genauer erläutert. 2 zeigt einen beispielhaften, idealisierten Betrieb der Druckspeicheranlage 20 aus 1, d. h. ohne Berücksichtigung von Realverlusten, in einem Enthalpie 60 (h [kJ/kg]) -Entropie 62 (s [kj/kgK]) - Diagramm. Zusätzlich zu der spezifischen Enthalpie 60 und der spezifischen Entropie 62 sind in dem Diagramm Isothermen 64, bezeichnend Zustandsänderungen mit konstanter Temperatur in [°C], und Isobaren 66, bezeichnend Zustandsänderungen mit konstantem Druck in [bar], angegeben.
Bei dem Verfahrensablauf wird Luft nacheinander in die in 2 gezeigten Zustände 1 bis 11 überführt. Die die jeweiligen Zustandsänderungen bewirkenden Komponenten sind 1 entnehmbar, wo die Zustände 1 bis 11 den entsprechenden Stellen in dem Fließschema zugeordnet sind. In 2 ist der Beladebetrieb (Zustände 1 bis 6) in einer durchgezogenen Linie 70 und der Entladebetrieb (Zustände 7 bis 11 bzw. 11') in einer gepunkteten Linie 72 dargestellt.
In dem beispielhaften Betrieb wird die Druckspeichereinrichtung 36 zunächst in dem Beladebetrieb mit Druckluft beladen. Dabei wird Umgebungsluft innerhalb der ersten Stufe 42 zunächst über die Verdichtereinrichtung 22 von einem Zustand 1, mit hier beispielhaft einer Temperatur T_1\ = 10 °C und einem Druck p₁ = 1 bar, auf einen Zustand 2 verdichtet. Die so erhaltene Druckluft weist ein erstes Belade-Druckniveau p₂ = 10 bar auf.
Nach der Verdichtung wird der Luft bzw. Druckluft zusätzliche Energie in Form von Wärme mittels der Heizeinrichtung 24 zugeführt, wobei die Luft isobar von dem Zustand 2 auf einen Zustand 3 um etwa 50 K erwärmt wird. Die Menge der über die Heizeinrichtung 24 eingebrachten Wärmeenergie kann z. B. von einer Steuer- bzw. Regelgröße abhängen, die z. B. an einen Überschuss der in dem Stromnetz verfügbaren und/oder erwarteten elektrischen Energie gekoppelt sein kann. Die Steuerung bzw. Regelung erfolgt mittels der Steuereinrichtung, die unter Hinterlegung geeigneter Steuer- bzw. Regelfunktionen entsprechend ausgebildet ist.
Von dem Zustand 3 ausgehend wird die Luft isobar auf einen Zustand 4 zwischengekühlt, wobei die Luft Wärmeenergie innerhalb der Wärmespeichereinrichtung 26 und/oder innerhalb der Kühleinrichtung 28 abgibt.
Anschließend strömt die Luft in die zweite Stufe 44, wobei sie zunächst unter Temperaturerhöhung über die zweite Verdichtereinrichtung 30 von dem Druck p₄ = 10 bar, gemäß Zustand 4, auf einen Druck p₅ = 75 bar, gemäß einem Zustand 5, verdichtet wird. Von dem Zustand 5 ausgehend wird die Luft isobar auf einen Zustand 6 gekühlt, wobei die Luft Wärmeenergie innerhalb der zweiten Wärmespeichereinrichtung 32 und/oder innerhalb der Kühleinrichtung 34 abgibt. Die Luft liegt nun als Druckluft mit dem gewünschten Speicherzustand vor, mit dem gewünschten Speicherdruckniveau von hier beispielhaft p₆ = 75 bar und einer Temperatur von 10 °C. In diesem Zustand wird die Luft bzw. Druckluft nun in der Druckspeichereinrichtung 36 gespeichert.
In dem Entladebetrieb (gepunktete Linie 72) liegt die entnommene Luft bzw. Druckluft (idealisiert) zunächst in einem Zustand 7 entsprechend Zustand 6 vor. Ausgehend hiervon wird die Druckluft nun schrittweise über die Stufen 44 und 42 wieder auf Umgebungsdruck entspannt, wobei die gespeicherte Energie über die Tubineneinrichtungen 38, 40 von mechanischer in elektrische Energie umgewandelt wird. Das Gesamtdruckniveau im Entladebetrieb p₇-₁₁ entspricht dem Gesamtdruckniveau p₁-₆ im Beladebetrieb, wobei im realen Betrieb Energieverluste in Form von Druckverlusten auftreten. Erfindungsgemäß unterscheidet sich die Druckführung im Entladebetrieb von der Druckführung im Beladebetrieb, wie nachfolgend dargestellt.
Von dem Zustand 7 ausgehend wird die Luft zunächst isobar auf einen Zustand 8 (idealisiert entsprechend Zustand 5) erwärmt. Dabei nimmt die Luft innerhalb der Wärmespeichereinrichtung 32 die Wärmeenergie aus der Wärmespeichereinrichtung 32 auf, die in dem Beladebetrieb durch die Luft zur Zwischenspeicherung abgegeben wurde.
Von dem Zustand 8 wird die Luft nun über die Hochdruck-Turbineneinrichtung 38 der zweiten Stufe 44 auf ein erstes Entlade-Druckniveau Druck pg, entsprechend dem Zustand 9, entspannt. pg ist geringer als p₄ und beträgt hier beispielhaft 15 bar.
Die Luft strömt nun in die, asymmetrisch betriebene, erste Stufe 42, wo sie zunächst von dem Zustand 9 isobar auf einen Zustand 10 erwärmt wird. Dabei nimmt die Luft innerhalb der Wärmespeichereinrichtung 26 die Wärmeenergie aus der Wärmespeichereinrichtung 26 auf, die in dem Beladebetrieb durch die Luft zur Zwischenspeicherung abgegeben wurde.
Stromab der Wärmespeichereinrichtung 26 wird die Luft über die Niederdruck-Turbineneinrichtung 40 von dem ersten Entlade-Druckniveau p₁₀ = p₉ = 15 bar auf den Umgebungsdruck p₁₁ entspannt. Das Druckniveau p₁₀ = 15 bar in dem Entladebetrieb, auf der Entladeseite 48, ist größer als das Druckniveau p₂ = 10 bar in dem Beladebetrieb, auf der Beladeseite 46. So wird eine höhere Leistung an der Niederdruck-Turbineneinrichtung 40 ausgekoppelt als bei der symmetrischen Druckführung.
Zum Vergleich mit der erfindungsgemäßen Prozessführung, mit der asymmetrischen Druckführung, zeigt 2 zusätzlich einen Endzustand 11' einer symmetrischen Druckführung gemäß dem Stand der Technik. Bei der symmetrischen Druckführung deckt sich die Prozessführung in dem Entladebetrieb (idealisiert) reversibel mit der Prozessführung in dem Beladebetrieb bis zu einem Zustand 10', der dem Zustand 3 entspricht. Bei der nun erfolgenden Entspannung auf Umgebungsdruck (gestrichelte Linie 74) ergibt sich der Endzustand 11'. Der Endzustand 11' weist eine höhere Temperatur auf als der Zustand 1. Dieser Temperaturunterschied T _1-11' bildet eine Verlustenergie in Form von Abwärme, die sich aufgrund der zusätzlichen Zufuhr von Wärmeenergie mittels der Heizeinrichtung 24 zwischen dem Zustand 2 und dem Zustand 3 im Beladebetrieb, auf der Beladeseite 46, ergibt.
Wie 2 zeigt, bewirkt die asymmetrische Druckführung, dass der Temperaturunterschied T_1-11 gegenüber T_1-11' verringert wird. Der beispielhaft in 2 gezeigte, idealisierte Prozess ist so ausgelegt, dass der Temperaturunterschied T _1-11 = 0 beträgt. Dies kann durch eine entsprechende Prozessauslegung erreicht werden, wobei der Unterschied zwischen den Druckniveaus p₂ und p₁₀ in Abhängigkeit der zugeführten Heizleistung zwischen den Zuständen 2 und 3 entsprechend eingeregelt wird, und/oder die Heizleistung in Abhängigkeit des Unterschiedes zwischen den Druckniveaus p₂ und p₁₀ eingeregelt wird. Die Auslegung erfolgt für den idealisierten Prozess mittels der bekannten thermischen Zustandsgleichungen idealer Gase. Diese kann, für eine entsprechende Steuerung bzw. Regelung, auch bei realen Prozessen zumindest näherungsweise zugrunde gelegt werden, wobei auch Realeffekte, insbesondere (z. B. anlagenspezifische) Verluste und Trägheiten, berücksichtigt werden können.
3 zeigt beispielhaft eine simulierte dreistufige reale Prozessführung, wobei eine dritte Stufe 45 die Hochdruckstufe darstellt. Die zweite Stufe 44 bildet die Mitteldruckstufe. Aufgrund der realen Verluste und der damit verbundenen Entropieerhöhung während der Verdichtung und Entspannung ergeben sich Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Zuständen. Die Druckführung erfolgt derart, dass sich innerhalb der Stufe 44 und 45 jeweils ein gleicher Druck bei der isobaren Zwischenkühlung bzw. Wärmeaufnahme einstellt (vgl. deckungsgleiche Bereiche der durchgezogenen und gepunkteten Linien auf den Isobaren 66). Die Asymmetrie in der Druckführung liegt bei dieser Prozessführung ebenfalls innerhalb der ersten Stufe 42 vor. Dabei erfolgt innerhalb der zweiten, hier mittleren, Stufe 44 die Entspannung auf ein erstes Entlade-Druckniveau von rund p = 8 bar, das höher ist als das erste Belade-Druckniveau von p = 6 bar. In der ersten Stufe 42 erfolgt dann die Entspannung von p = 8 bar auf Umgebungsdruck. Wie 3 zeigt, ist bei dieser beispielhaften Prozessführung die Verlustwärme an den Endpunkten (auf der Isobaren p = 1 bar) nicht vollständig eliminiert, jedoch kleiner, als sie sich bei einer symmetrischen Druckführung gemäß dem Stand der Technik ergeben würde (vgl. gestrichelte Linie 74).
Durch die asymmetrische Druckführung wird die Verlustenergie von der Entladeseite 48, wo sie bei dem Stand der Technik in Form der Verlustwärme T_1-11' auftritt, auf die Beladeseite 46, d. h. zeitlich in den Beladebetrieb, verlagert. In dem in 1 und 2 gezeigten beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahren fällt die Verlustwärme innerhalb der Zustandsänderung von dem Zustand 3 auf den Zustand 4 stromab der Wärmespeichereinrichtung 26 an der Kühleinrichtung 28 ab. Dies rührt daher, dass sich aufgrund der asymmetrischen Druckführung in der Wärmespeichereinrichtung 26 ein höheres Temperaturniveau ergibt, mit einem höheren geringsten Temperaturniveau, verglichen mit der symmetrischen Druckführung. Dieser Temperaturunterschied stellt eine Verlustwärme dar, die mit der Kühleinrichtung 28 zumindest teilweise abgeführt und ausgeglichen wird. So stellt sich z. B. an dem Zustand 4 das gleiche Temperaturniveau ein, wie es sich in der entsprechenden Prozessführung mit symmetrischer Druckführung einstellen würde.
Es hat sich gezeigt, dass die Verlustwärme in dem Beladebetrieb, auf der Beladeseite 46, effizienter nutzbar ist als in dem Entladebetrieb. Auf diese Weise kann bei einem asymmetrischen Betrieb mit gleichzeitiger Verwendung einer zusätzlichen Heizeinrichtung 24 auf der Beladeseite mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung ein höherer Gesamtwirkungsgrad der Druckspeicheranlage 20 erreicht werden als bei der symmetrischen Verfahrensführung gemäß dem Stand der Technik. Der Gesamtwirkungsgrad erhöht sich insbesondere mit einem höheren Anteil (bzgl. der eingekoppelten gesamten Energiemenge) der Heizleistung, die über die Heizeinrichtung 24 in den Prozess eingebracht wird.
Der Gesamtwirkungsgrad lässt sich insbesondere dann erhöhen, wenn die über die Kühleinrichtung 28 abgegebene Wärme zumindest teilweise in den Prozess zum Betreiben der Druckspeicheranlage 20 wieder eingekoppelt wird. So kann beispielsweise die abgegebene Wärme zumindest teilweise der zu verdichtenden Luft auf der Beladeseite 46 stromauf der Heizeinrichtung 24, insbesondere vor Eintritt in die Verdichtereinrichtung 22 der ersten Stufe 42 zugeführt werden. Dabei kann beispielsweise die vorhandene Kühleinrichtung 24 und/oder 30 als geeigneter Wärmetauscher bzw. Rekuperator ausgebildet sein, durch den die Luft stromauf der Verdichtereinrichtung 22 geführt wird. Die Einkopplung kann kontinuierlich, oder zeitversetzt, z. B. in einem Folgezyklus der Druckspeicheranlage 20, erfolgen. Die Wärmeenergie kann zwischenzeitlich beispielsweise in einem (zusätzlichen) Wärmespeicher zwischengespeichert werden.
Untersuchungen der Erfinder anhand einer derartigen Konfiguration, mit einer Prozessführung wie in 3 dargestellt, zeigen bei einer derartigen Nutzung beträchtliche Wirkungsgradsteigerungen. Das Maximum der Wirkungsgradsteigerung verschiebt sich dabei mit steigender eingekoppelter Heizleistung hin zu höheren asymmetrischen Druckverhältnissen. Beispielsweise beträgt die Wirkungsgradsteigerung bei einem asymmetrischen Druckverhältnis von zwei und einer Heizleistung von 50 % der Gesamtleistung der Turbineneinrichtungen 38, 40 etwa 2 %. Dies stellt bei Anlagen mit einem Leistungsvermögen in Megawatt-Bereich eine beträchtliche eingesparte Energiemenge dar.
4 zeigt eine weitere Variante zur Wiedereinkopplung der abgegebenen Wärmeenergie während des Beladeprozesses im asymmetrischen Betrieb. Dabei umfasst die Druckspeicheranlage 20 zusätzlich eine Wärmepumpenanordnung 50. Die Wärmepumpenanordnung 50 weist eine Verdichtereinrichtung 54 zur Verdichtung von Arbeitsmedium und eine Expansionseinrichtung 56 zur Entspannung des Arbeitsmediums auf. Die Kühleinrichtung 28 und/oder die Kühleinrichtung 34 dienen als Wärmequellen bzw. Verdampfereinrichtung/en, wobei die abgegebene Wärmeenergie zumindest teilweise als Verdampfungsenergie in der Wärmepumpenanordnung 50 zur Verdampfung des Arbeitsmediums genutzt wird.
Der Wärmepumpenprozess läuft vorzugsweise synchron mit dem Beladebetrieb ab. Das Arbeitsmedium wird nach Wärmeaufnahme unter Zufuhr von zusätzlicher elektrischer Energie mittels der Verdichtereinrichtung 54 verdichtet. Anschließend gibt das Wärmespeichermedium Wärme über eine als Wärmesenke fungierende Wärmetauscheinrichtung 52 der Wärmepumpenanordnung 50 ab, z. B. an die Umgebungsluft vor Eintreten in die Verdichtereinrichtung 22 und/oder an einen (nicht gezeigten) zusätzlichen (Wärme-)Speicher. Durch diese Ausbildung bzw. Verfahrensführung kann bei gleichen Leistungen der Verdichtereinrichtungen 22, 30 und Heizleistung der Heizeinrichtung 24 ein höheres Temperaturniveau an dem Austritt der Heizeinrichtung 24 erzielt werden. Damit wird der Energiegehalt des Luftstroms und mithin die Leistungsdichte der Druckspeicheranlage 20 deutlich erhöht. Die Erhöhung der Leistungsdichte führt wiederum zu einer Reduktion des Luftmassenstroms und damit der Komponentengrößen der Turbomaschinen (Verdichtereinrichtungen, Turbineneinrichtungen) der Druckspeichereinrichtung 36 und der Wärmespeichereinrichtungen 26, 32. Denkbar wäre bei einer hohen Wärmepumpenleistung ein Verzicht auf die Heizeinrichtung 24, wodurch je nach Randbedingungen eine weitere Kostenersparnis erzielbar sein kann.
In einer weiteren, hier nicht gezeigten Ausführungsvariante kann die abgegebene Wärme zumindest teilweise zur Dampferzeugung genutzt werden. Der erzeugte Dampf kann in einer zusätzlich vorhandenen, z. B. als Ruths-Speicher ausgebildeten, Dampfspeichereinrichtung zwischengespeichert werden. Geeignete Dampfspeichereinrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Eine geeignete Dampfspeichereinrichtung geht beispielsweise aus der US 2009/0178384 A1 hervor. Während des Entladebetriebs kann der Dampfstrom zumindest einer der Turbineneinrichtungen 38, 40 insbesondere zusätzlich zu der zu entspannenden Luft zugeführt werden. Dadurch erhöht sich der Massenstrom, welcher über die Turbineneinrichtung 38, 40 entspannt wird, wodurch eine höhere Leistungsabgabe der Turbineneinrichtung 38, 40 erreichbar ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante der Druckspeicheranlage 20 ist in 5 gezeigt. Die Druckspeicheranlage 20 umfasst drei Stufen 42, 44 und 45, die eine Niederdruckstufe, eine Mitteldruckstufe und eine Hochdruckstufe bilden und die jeweils eine Verdichtereinrichtung 22 (Niederdruckverdichter), 30 (Mitteldruckverdichter) und 31 (Hochdruckverdichter) aufweisen. Bei dieser vorteilhaften Ausbildungsvariante ist die Anzahl der Turbineneinrichtungen 40, 41 geringer als die Anzahl der Stufen 42, 44, 45 bzw. die Anzahl der Verdichtereinrichtungen 22, 30 und 31. Konkret ist lediglich eine Hochdruck-Turbineneinrichtung 41, in der Stufe 45, und eine Mitteldruck-Turbineneinrichtung 40, in der Stufe 44, vorhanden. Die Kühleinrichtung 28 ist stromab der Verdichtereinrichtung 22 in der ersten Stufe 42 angeordnet. Eine Heizeinrichtung 25 ist stromab der Verdichtereinrichtung 30 und stromauf der Wärmespeichereinrichtung 32 angeordnet. Die erste Stufe 42 weist keine Wärmespeichereinrichtung und keine Turbineneinrichtung auf. Somit ist sowohl die Anzahl der Turbineneinrichtungen 41, 40 als auch die Anzahl der Wärmespeichereinrichtungen 33, 32 geringer als die Anzahl der Stufen 42, 44, 45 bzw. der Verdichtereinrichtungen 22, 30, 31.
Eine Konfiguration wie in 5 gezeigt ist insbesondere bei verhältnismäßig großen Heizleistungen über die Heizeinrichtung 25 zweckmäßig. Dies zeigt 6 an beispielhaften Verfahrensvarianten, die in der in 5 gezeigten Druckspeicheranlage 20 durchgeführt werden können, in einem h-s-Diagramm. Ab einer bestimmten Höhe der Heizleistung, im vorliegenden Fall z. B. ab einer Heizleistung von 6 MW (gepunktete Linie 80), oder auch bei höheren Heizleistungen, hier von beispielhaft 8 MW (gestrichelte Linie 82) oder 10 MW (Strichpunktelinie 84) kann die Entspannung auf Umgebungsdruck im Entladebetrieb vollständig über die Mitteldruck-Turbineneinrichtung 40 erfolgen. Die genaue Höhe der Heizleistung, ab der diese Ausführungsvariante zweckmäßig ist, ist anlagenspezifisch und z. B. über eine Prozesssimulation ermittelbar. Bei dieser Variante können Komponenten, hier insbesondere eine Niederdruck-Turbineneinrichtung und eine Wärmespeichereinrichtung, eingespart werden. Diese Verfahrensführung bzw. Anlagenkonfiguration kann je nach Randbedingungen Kostenvorteile bringen.
Wie die vorstehenden, nicht abschließenden, Ausführungsbeispiele zeigen, ergeben sich unter Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensführung eine Vielzahl von Verfahrens- und Druckspeicheranlagenvarianten, bei der - unter Verwendung einer zusätzlichen Einrichtung zum Einkoppeln zusätzlicher Wärme, insbesondere einer elektrischen Heizeinrichtung - der Gesamtwirkungsgrad gegenüber der bekannten, symmetrischen Druckführung erhöht werden kann.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Druckspeicheranlage (20), umfassend - eine Beladeseite (46), über welche Luft mittels zumindest zweier Verdichtereinrichtungen (22, 30) zu Druckluft verdichtet wird und eine Entladeseite (48), über welche Druckluft unter Energieabgabe mittels zumindest einer Turbineneinrichtung (38, 40) entspannt wird, - n Stufen (42, 44), mit n gleich oder größer zwei, mit jeweils zumindest einer der auf der Beladeseite (46) angeordneten Verdichtereinrichtung (22, 30) und mit der auf der Entladeseite (46) angeordneten Turbineneinrichtung (38, 40), - zumindest eine Druckspeichereinrichtung (36) zur Druckluftspeicherung, welche über die Beladeseite (46) in einem Beladebetrieb mit Druckluft beladen wird und über die Entladeseite (48) in einem Entladebetrieb von Druckluft entladen wird, - zumindest eine Wärmespeichereinrichtung (32), die in dem Beladebetrieb Wärme aus der Luft aufnimmt und in dem Entladebetrieb Wärme an die Luft abgibt, und - eine auf der Beladeseite (46) angeordnete zusätzliche Einrichtung zum Einbringen zusätzlicher Wärme in die Luft bei dem Beladebetrieb, bei dem in dem Beladebetrieb die Druckspeichereinrichtung (36) zur Energiespeicherung beladen wird, wobei der Druckluft mittels der zusätzlichen Einrichtung zusätzliche Wärme zugeführt wird, und in einem Entladebetrieb die Druckspeichereinrichtung (36) zur Energieabgabe entladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Stufen (42, 44) zumindest zeitweise asymmetrisch betrieben wird, wobei sich ein Druckniveau der Druckluft im Beladebetrieb nach Verdichtung, d. h. stromab der jeweiligen Verdichtereinrichtung (22, 30), von dem Druckniveau im Entladebetrieb vor Entspannung, d. h. stromauf der jeweiligen Turbineneinrichtung (40, 38), unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft im Beladebetrieb stromab der letzten, n-ten, Stufe (44) in die Druckspeichereinrichtung (36) strömt und dass zumindest eine der Stufen (42) 1 bis n-1 asymmetrisch betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluft innerhalb der asymmetrisch betriebenen Stufe (42) auf der Beladeseite (46) zusätzliche Wärme mittels der zusätzlichen Einrichtung zum Einbringen zusätzlicher Wärme zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Asymmetrie, d. h. der Unterschied zwischen den Druckniveaus, in Abhängigkeit der mittels der zusätzlichen Einrichtung eingebrachten zusätzlichen Wärmemenge gesteuert oder geregelt wird und/oder dass die Menge der zusätzlich eingebrachten Wärme mittels der zusätzlichen Einrichtung in Abhängigkeit des Grades der Asymmetrie gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Asymmetrie und/oder die Menge der zusätzlich eingebrachten Wärme derart gesteuert oder geregelt wird, dass zumindest im Wesentlichen die Eintrittstemperatur der Luft in die erste, die Niederdruck-, Stufe im Beladebetrieb der Austrittstemperatur der Luft aus der ersten, der Niederdruck-, Stufe im Entladebetrieb entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft stromab einer der Verdichtereinrichtungen (22, 30) und/oder der Heizeinrichtung (24) und/oder der Wärmespeichereinrichtung (26) mittels einer Kühleinrichtung (28) unter Wärmeabgabe gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die über die Kühleinrichtung abgegebene Wärme zumindest teilweise in den Prozess zum Betreiben der Druckspeicheranlage (20) wieder eingekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die abgegebene Wärme zumindest teilweise der zu verdichtenden Luft im Beladebetrieb auf der Beladeseite (46) stromauf der Heizeinrichtung (24) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die abgegebene Wärme zumindest teilweise zur Verdampfung eines Arbeitsmediums in einer Wärmepumpenanordnung (50) genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmesenke (52) der Wärmepumpenanordnung (50) von der Luft der Druckspeicheranlage (20) zu deren Erwärmung durchströmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die abgegebene Wärme zumindest teilweise zur Dampferzeugung genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Dampf in einer Dampfspeichereinrichtung zwischengespeichert wird und während des Entladebetriebs zumindest einer der Turbineneinrichtungen (38, 40) zugeführt wird.
Druckspeicheranlage (20) zur Speicherung von Energie mittels Druckluftspeicherung, umfassend - eine Beladeseite (46) zur Verdichtung von Luft zu Druckluft mittels zumindest zweier Verdichtereinrichtungen (22, 30) und eine Entladeseite (48) zur Entspannung von Druckluft unter Energieabgabe mittels zumindest einer Turbineneinrichtung (38, 40), - n Stufen (42, 44), mit n gleich oder größer zwei, mit jeweils zumindest einer der auf der Beladeseite (46) angeordneten Verdichtereinrichtung (22, 30) und mit der auf der Entladeseite (46) angeordneten Turbineneinrichtung (38, 40), - zumindest eine Druckspeichereinrichtung (36) zur Druckluftspeicherung, zur Beladung mit Druckluft über die Beladeseite (46) in einem Beladebetrieb und zur Entladung von Druckluft über die Entladeseite (48) in einem Entladebetrieb, - zumindest eine Wärmespeichereinrichtung (32) zur Aufnahme von Wärme aus der Druckluft im Beladebetrieb und Abgabe von Wärme in die Druckluft im Entladebetrieb, - eine auf der Beladeseite (46) angeordnete zusätzliche Einrichtung zum Einbringen zusätzlicher Wärme in die Luft bei dem Beladebetrieb und - eine Steuereinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Druckspeicheranlage (20) wobei die Druckspeicheranlage (20) mit der Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Druckspeicheranlage (20) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Wärmespeichereinrichtungen (26, 32) und/oder die Anzahl der Turbineneinrichtungen (38, 40) kleiner ist als die Anzahl n der Stufen (42, 44).
Druckspeicheranlage (20) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (24) zur Zufuhr von Wärme in die Druckluft mittels zugeführter Energie ausgebildet ist.
Steuerungsprogramm für eine Steuereinrichtung umfassend Funktionen, die bewirken, dass die Steuereinrichtung die Druckspeicheranlage (20) nach einem der Ansprüche 13 bis 15 derart steuert und/oder regelt, dass das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgeführt wird.
Computerlesbares Medium, auf dem das Steuerungsprogramm nach Anspruch 16 gespeichert ist.