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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 13.
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Der Anteil von erneuerbaren Energien, beispielsweise erzeugt mittels Photovoltaikanlagen und/oder Windkraftanlagen, an der elektrischen Energieerzeugung steigt weltweit kontinuierlich an. Hierbei führt die technologische Weiterentwicklung sowie die Kostendegression zu geringen Stromgestehungskosten. Zudem führen regulatorische Rahmenbedingungen und politische und gesellschaftliche Ziele zum bevorzugten Zubau erneuerbar erzeugter Energieformen im Vergleich zur fossil basierten elektrischen Energieerzeugung.
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Die Energieerzeugung mittels Photovoltaikanlagen und/oder Windkraftanlagen ist wetterbedingten Schwankungen unterworfen. Dadurch wird eine Speicherung der erneuerbar erzeugten Energie immer wichtiger für die Integration dieser fluktuierenden Energiequellen in bestehende Energiesysteme.
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Aus dem Stand der Technik sind mehrere Lösungen zur Speicherung von Energie, insbesondere elektrischem Strom (Strom), bekannt, beispielsweise Batterien, Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicherkraftwerke oder PHP-Anlagen (englisch: Power-to-Heat-to-Power; abgekürzt PHP).
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Bei PHP-Anlagen erfolgt die Einspeicherung durch Aufwendung von elektrischer Energie, die mittels eines Widerstandsheizers in Wärme gewandelt wird. Die erzeugte Wärme kann mittels eines thermischen Energiespeichers, beispielsweise einem Wärmespeicher, gespeichert werden. Somit wird die eingesetzte elektrische Energie in Form von Wärme gespeichert.
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Beim Ausspeichern wird die gespeicherte thermische Energie aus dem thermischen Energiespeicher in Form von Wärme entnommen und typischerweise einem Abhitzedampferzeuger zugeführt. Die Wärme treibt einen Wasser-Dampfkreislauf, beispielsweise einen Rankine-Kreislauf, an, mittels welchem mechanische Energie erzeugt wird. Die mechanische Energie kann wiederum mittels eines elektrischen Generators in elektrische Energie gewandelt werden. Weiterhin kann mittels einer Gegendruckdampfturbine ein hoher Anteil an Wärme, beispielsweise für Fernwärme oder für Prozessdampf, erzeugt werden.
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Aus dem Stand der Technik sind mehrere thermische Energiespeicher bekannt, beispielsweise Flüssigsalzspeicher oder Schüttgutspeicher.
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Der Speicherwirkungsgrad einer PHP-Anlage errechnet sich aus dem Verhältnis aus der elektrischen Energie, die im Dampfkreislauf beim Ausspeichern erzeugt wird, und der elektrischen Energie, die beim Einspeichern im Widerstandsheizer verwendet wurde. Hierbei ist es zwingend erforderlich Pumpen, Lüfter und/oder sonstige Komponenten von Hilfsprozessen beziehungsweise Nebenprozessen bei der Ermittlung des Speicherwirkungsgrades zu berücksichtigen.
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Der Wirkungsgrad beim Einspeichern (Einspeicherwirkungsgrad), das heißt die Wandlung von elektrischer Energie in Wärme mittels des Widerstandsheizers, ist im Wesentlichen verlustfrei. Typischerweise weist der Einspeicherwirkungsgrad einen Wert im Bereich von 0,95 bis 0,99 auf. Bei großskaligen Anlagen beziehungsweise Anwendung sind die Wärmeverluste bei der Speicherung ebenfalls gering und liegen im Bereich von wenigen Prozent pro Tag. Demnach ist der Speicherwirkungsgrad hauptsächlich durch den Wirkungsgrad beim Ausspeichern (Ausspeicherwirkungsgrad) bestimmt. Der Ausspeicherwirkungsgrad wird wiederum maximal durch den physikalisch maximal möglichen Carnot-Wirkungsgrad des Wasser-Dampfkreislaufes beschränkt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Speicherwirkungsgrad einer PHP-Anlage zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 13 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Dampfkreislaufes, wobei der Dampfkreislauf mit einem thermischen Energiespeicher derart über einen Überhitzer thermisch gekoppelt ist, dass Wärme auf ein Arbeitsfluid des Dampfkreislaufes übertragbar ist, ist durch wenigstens die folgenden Schritte gekennzeichnet:
- - Erhitzen des Arbeitsfluids mittels des Überhitzers auf eine erste Temperatur im Bereich von 490 Grad Celsius bis 790 Grad Celsius durch eine Übertragung von Wärme vom thermischen Energiespeicher auf das Arbeitsfluid;
- - Expandieren des überhitzten Arbeitsfluids mittels einer ersten Turbine;
- - erneutes Erhitzen des mittels der ersten Turbine expandierten Arbeitsfluids auf die erste Temperatur mittels des Überhitzers;
- - Aufteilen des erneut erhitzten Arbeitsfluids in einen ersten und zweiten Teilmassenstrom, wobei das Verhältnis von zweitem Teilmassenstrom zu erstem Teilmassenstrom einen Wert im Bereich von 1/9 bis 7/13 aufweist;
- - Expandieren des ersten Teilmassenstroms mittels einer zweiten Turbine;
- - Expandieren des zweiten Teilmassenstroms mittels eines Expanders; und
- - Zusammenführen der expandierten Teilmassenströme zu einem Massenstrom des Arbeitsfluids, wobei der zusammengeführte Massenstrom des Arbeitsfluids wiederum mittels des Überhitzers auf die erste Temperatur erhitzt wird.
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Eine Anordnung eines weiteren Elementes des Dampfkreislaufes vor oder nach einem Element des Dampfkreislaufes bezieht sich auf die Strömungsrichtung des Dampfkreislaufes. Insbesondere ist ein weiteres Element vor einem Element angeordnet, falls die Strömungsrichtung des Arbeitsfluids innerhalb des Dampfkreislaufes effektiv von dem weiteren Element zum Element gerichtet ist. Insbesondere ist ein weiteres Element nach einem Element angeordnet, falls die Strömungsrichtung des Arbeitsfluids innerhalb des Dampfkreislaufes effektiv von dem Element zum weiteren Element gerichtet ist. Mit anderen Worten können die beiden Elemente durch einen aufsummierten effektiven Strömungsvektor gedanklich miteinander verbunden werden, wobei dieser effektive Strömungsvektor vom Element zum weiteren Element (weiteres Element nach dem Element angeordnet) oder vom weiteren Element zum Element (weiteres Element vor dem Element angeordnet) gerichtet ist. Der aufsummierte effektive Strömungsvektor kennzeichnet somit die Nettoströmungsrichtung vom Element zum weiteren Element oder vom weiteren Element zum Element. Ein weiteres Element ist direkt vor oder direkt nach einem Element angeordnet, falls zwischen den Elementen kein weiteres Element, welches mit dem Arbeitsfluid des Dampfkreislaufes wesentlich wechselwirkt, angeordnet ist. Der Begriff, dass ein weiteres Element vor (nach) einem Element angeordnet ist, umfasst den Begriff, dass das weitere Element direkt vor (nach) dem Element angeordnet ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Zweidruck-Dampfkreislauf verwendet, der eine Aufteilung oder Anzapfung des Gesamtmassenstromes (eingehender Massenstrom) aufweist. Hierbei weist das Verhältnis vom zweiten Teilmassenstrom zum ersten Teilmassenstrom erfindungsgemäß einen Wert im Bereich von 1/9 bis 7/13 auf. Mit anderen Worten beträgt der zweite Teilmassenstrom 10 Prozent bis 35 Prozent des Gesamtmassenstroms. Äquivalent hierzu weist der erste Teilmassenstrom 70 Prozent bis 90 Prozent des Gesamtmassenstromes auf.
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Weiterhin wird das Arbeitsfluid mittels des Überhitzers auf die erste Temperatur im Bereich von 490 Grad Celsius bis 790 Grad erhitzt. Der erfindungsgemäße Temperaturbereich ist auf die Aufteilung des Massenstromes des Arbeitsfluids möglichst optimal im Hinblick auf den Wirkungsgrad beim Ausspeichern angepasst. Durch den Bereich der Aufteilung (1/9 bis 7/13) und dem zugehörigen genannten Temperaturbereich (490 Grad Celsius bis 790 Grad Celsius) wird somit die energetische Effizienz des Verfahrens beziehungsweise der Vorrichtung verbessert. Mit anderen Worten weist das erfindungsgemäße Verfahren ausgewählte und vorteilhafte Prozessparameter auf, die synergetisch zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades beim Ausspeichern und somit zu einer Erhöhung des Speicherwirkungsgrades insgesamt führen. Hierbei muss und soll ein Kompromiss aus Wirkungsgrad und Investitionskosten vorliegen. Die vorliegende Erfindung löst dieses Spannungsfeld durch die erfindungsgemäßen Prozessparameter auf. Die Aufteilung kann ebenfalls als Anzapfung bezeichnet werden, da der Gesamtmassenstrom beziehungsweise Hauptmassenstrom des Arbeitsfluids zur Ausbildung des zweiten Teilmassenstroms angezapft wird.
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Weiterhin können gemäß der vorliegenden Erfindung bekannte Komponenten und Technologien verwendet werden. Es ist im Wesentlichen eine Anpassung der Prozessparameter, das heißt vorliegend wenigstens der Temperatur des Arbeitsfluids nach dem Überhitzer und vor der ersten Turbine und dem Verhältnis der Aufteilung, erforderlich. Dadurch kann der Wirkungsgrad ökonomisch sinnvoll erhöht werden. Zudem liegt eine hohe Prozessdynamik vor. Weiterhin bleiben die Vorteile einer PHP-Anlage bestehen, wie beispielsweise die gleichzeitige Bereitstellung von Wärme und elektrischer Energie und/oder die direkte Verwendung der Wärme aus dem thermischen Energiespeicher.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Arbeitsfluid durch zwei Turbinen (erste und zweite Turbine) auf verschiedenen Druckniveaus entspannt. Demnach ist der Dampfkreislauf als Zweidruck-Dampfkreislauf ausgebildet. Innerhalb eines Zweidruck-Dampfkreislaufes wird zunächst bei hohem Druck (und hoher Temperatur) Dampf erzeugt und mittels der ersten Turbine entspannt. Auf dem Druckniveau nach dieser ersten Entspannung erfolgt dann die Verdampfung von weiterem Arbeitsfluid beziehungsweise eine weitere Überhitzung (erneutes Erhitzen des mittels der ersten Turbine expandierten Arbeitsfluids auf die erste Temperatur). Dieser Dampf wird dann mittels der zweiten Turbine entspannt. Ein Zweidruck-Dampfkreislauf weist vorteilhafterweise einen guten Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Kosten auf.
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Bevorzugt umfasst das Arbeitsfluid Wasser. Besonders bevorzugt ist das Arbeitsfluid Wasser.
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Typischerweise wird für die Ausspeicherung Luft durch den Schüttgutspeicher geführt, die sich dadurch erwärmt. Die erwärmte Luft wird zur Wärmeübertragung auf das Arbeitsfluid zum Überhitzer geleitet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst wenigstens einen Dampfkreislauf, einen thermischen Energiespeicher, einen Überhitzer, eine erste Turbine, eine zweite Turbine und einen Expander, wobei der Dampfkreislauf mit dem thermischen Energiespeicher derart über einen Überhitzer thermisch gekoppelt ist, dass Wärme auf ein Arbeitsfluid des Dampfkreislaufes übertragbar ist. Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfkreislauf und die Kopplung des Dampfkreislaufes mit dem thermischen Energiespeicher derart ausgestaltet ist, dass
- - mittels des Überhitzers das Arbeitsfluid durch eine Übertragung von Wärme vom thermischen Energiespeicher auf das Arbeitsfluid auf eine erste Temperatur im Bereich von 490 Grad Celsius bis 790 Grad Celsius erhitzbar ist;
- - mittels der ersten Turbine das überhitzte Arbeitsfluid expandierbar ist;
- - das mittels der ersten Turbine expandierte Arbeitsfluid auf die erste Temperatur mittels des Überhitzers erneut erhitzbar ist;
- - das erneut erhitzte Arbeitsfluid in einen ersten und zweiten Teilmassenstrom aufteilbar ist, wobei das Verhältnis von zweitem Teilmassenstrom zu erstem Teilmassenstrom einen Wert im Bereich von 1/9 bis 7/13 aufweist;
- - mittels der zweiten Turbine der erste Teilmassenstrom expandierbar ist;
- - mittels des Expanders der zweite Teilmassenstrom expandierbar ist; und
- - die expandierten Teilmassenströme zu einem Massenstrom des Arbeitsfluids zusammenführbar sind, wobei der zusammengeführte Massenstrom des Arbeitsfluids wiederum mittels des Überhitzers auf die erste Temperatur erhitzbar ist.
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Insbesondere ist die Vorrichtung als PHP-Anlage ausgebildet.
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Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile und Ausgestaltungen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Arbeitsfluid mittels des Überhitzers auf eine erste Temperatur im Bereich von 490 Grad Celsius bis 750 Grad Celsius erhitzt.
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Besonders bevorzugt wird das Arbeitsfluid auf eine erste Temperatur im Bereich von 580 Grad Celsius bis 600 Grad Celsius, insbesondere auf eine erste Temperatur von 590 Grad Celsius, oder auf eine erste Temperatur im Bereich von 730 Grad Celsius bis 750 Grad Celsius, insbesondere auf eine erste Temperatur von 740 Grad Celsius, erhitzt.
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Dadurch wird der Wirkungsgrad beim Ausspeichern des thermischen Energiespeichers (Rückverstromung) weiter verbessert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird als thermischer Energiespeicher ein Schüttgutspeicher verwendet.
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Mit anderen Worten ist der thermische Energiespeicher bevorzugt als Schüttgutspeicher ausgebildet. Der Schüttgutspeicher weist ein Speichermaterial auf, welches bevorzugt Naturstein, Ziegel und/oder Beton umfasst.
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Weist der Übergang der Wärme (Wärmeübergang) vom Schüttgutspeicher auf das Arbeitsfluid eine Grädigkeit von 10 Kelvin auf, so wird eine durch das Speichermaterial des Schüttgutspeichers erwärmte Luft zur thermischen Kopplung mit einer jeweils 10 Kelvin höheren ersten Speichertemperatur (obere Speichertemperatur) dem Überhitzer zugeführt. Die erste Speichertemperatur weist somit einen Wert im Bereich von 500 Grad Celsius bis 800 Grad Celsius, bevorzugt im Bereich von 600 Grad Celsius bis 760 Grad Celsius, besonders bevorzugt im Bereich von 740 Grad Celsius bis 760 Grad Celsius, insbesondere besonders bevorzugt einen Wert von 600 Grad Celsius oder 750 Grad Celsius, auf.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird somit Luft aus dem thermischen Energiespeicher dem Überhitzer zum Erhitzen des Arbeitsfluids auf die erste Temperatur mit einer ersten Speichertemperatur (obere Speichertemperatur) im Bereich von 500 Grad Celsius bis 800 Grad Celsius, insbesondere mit einer Temperatur im Bereich von 740 Grad Celsius bis 760 Grad Celsius, zugeführt.
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Wird wiederum eine Grädigkeit von 10 Kelvin bei der Übertragung der Wärme von der Luft auf das Arbeitsfluid des Dampfkreislaufes angenommen, so ergibt sich dadurch eine erste Temperatur (Temperatur des Arbeitsfluids nach dem Überhitzer und vor der ersten Turbine) im Bereich von 490 Grad Celsius bis 790 Grad Celsius, bevorzugt im Bereich von 730 Grad Celsius bis 750 Grad Celsius, besonders bevorzugt von 750 Grad Celsius bei einer oberen Speichertemperatur von 760 Grad Celsius.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die nach dem Überhitzen des Arbeitsfluids abgekühlte Luft einem Abhitzedampferzeuger zugeführt, wobei mittels des Abhitzedampferzeugers das Arbeitsfluid vor seiner Überhitzung durch den Überhitzer auf eine Temperatur im Bereich von 300 Grad Celsius bis 400 Grad Celsius, insbesondere auf eine Temperatur im Bereich von 355 Grad Celsius bis 375 Grad Celsius, erwärmt und verdampft wird.
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Mit anderen Worten durchläuft oder durchströmt das Arbeitsfluid vor seiner Zuleitung zum Überhitzer einen Abhitzedampferzeuger, der das Arbeitsfluid zunächst auf eine Zwischentemperatur erwärmt, insbesondere auf Verdampfungstemperatur erhöht, und dann verdampft. Diese Vorwärmung des Arbeitsfluids erfolgt durch die durch die Wärmeübertragung im Überhitzer abgekühlte Luft. Dadurch kann die Luft, das heißt der Schüttgutspeicher, vorteilhafterweise weiter ausgekühlt werden, wodurch die Effizienz der Ausspeicherung weiter verbessert werden kann.
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Der Abhitzedampferzeuger kann einen ersten und zweiten Teilabhitzedampferzeuger umfassen. Mit anderen Worten kann der Abhitzedampferzeuger zweiteilig sein. Mittels des ersten Teilabhitzedampferzeugers wird das Arbeitsfluid zunächst auf seine Verdampfungstemperatur, die abhängig vom vorliegenden Druck ist, erwärmt. Mittels des zweiten Teilabhitzedampferzeugers erfolgt dann die Verdampfung, die im Wesentlichen isotherm ist.
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Es ist besonders bevorzugt, wenn die Luft nach dem Abhitzedampferzeuger eine zweite Speichertemperatur im Bereich von 250 Grad Celsius bis 350 Grad Celsius, insbesondere im Bereich von 290 Grad Celsius bis 310 Grad Celsius, aufweist.
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Mit anderen Worten wird die Luft durch die Übertragung der Wärme auf das Arbeitsfluid auf eine Temperatur im Bereich von 250 Grad Celsius bis 350 Grad Celsius, insbesondere im Bereich von 290 Grad Celsius bis 310 Grad Celsius, ausgekühlt und zum thermischen Energiespeicher rückgeführt. Somit entspricht die zweite Speichertemperatur der unteren Speichertemperatur des thermischen Energiespeichers. Eine noch höhere Auskühlung der Luft und somit des Energiespeichers würde den Wirkungsgrad nachteilig reduzieren. Das bevorzugte obere Speichertemperaturniveau von 500 Grad Celsius bis 800 Grad Celsius und das zugehörige bevorzugte untere Speichertemperaturniveau von 250 Grad Celsius bis 350 Grad Celsius sind somit im Hinblick auf einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei der Ausspeicherung möglichst optimal aufeinander abgestimmt. Mit anderen Worten weist besonders bevorzugt die erste Speichertemperatur (obere Speichertemperatur) einen Wert im Bereich von 500 Grad Celsius bis 800 Grad Celsius und die zweite Speichertemperatur (untere Speichertemperatur) einen Wert im Bereich von 250 Grad Celsius bis 350 Grad Celsius auf. Dadurch kann der Wirkungsgrad bei der Ausspeicherung deutlich verbessert werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das überhitzte Arbeitsfluid mittels der ersten Turbine auf einen Druck im Bereich von 40 bar bis 60 bar, insbesondere auf einen Druck im Bereich von 45 bar bis 55 bar, expandiert.
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Dadurch wird vorteilhafterweise der Druck vom ersten Druckniveau (Druck vor beziehungsweise unmittelbar vor der ersten Turbine) des Zweidruck-Dampfkreislaufes auf das zweite Druckniveau (Druck nach der ersten Turbine und/oder unmittelbar vor der zweiten Turbine) gebracht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Arbeitsfluid des ersten Teilmassenstromes nach seiner Expansion durch die zweite Turbine mittels eines Kondensators kondensiert.
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Der Kondensator führt vorteilhafterweise restliche Wärme vom Arbeitsfluid ab, sodass dieses von seinem dampfförmigen/gasförmigen Aggregatzustand in seinen nahezu flüssigen Aggregatzustand übergeht. Mit anderen Worten wird mittels des Kondensators das Arbeitsfluid vorteilhafterweise verflüssigt, sodass der Kreislauf beziehungsweise Dampfkreislauf grundsätzlich von neuem beginnen kann.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Druck des Arbeitsfluids im ersten Teilmassenstrom nach seiner Kondensation mittels einer ersten Pumpe auf einen Wert im Bereich von 5 bar bis 15 bar, insbesondere auf 10 bar, erhöht.
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Vorteilhafterweise ist dies das Druckniveau des zweiten Teilmassenstromes (gegebenenfalls nach einem Expander), sodass dadurch das Zusammenführen der Teilmassenströme vereinfacht und verbessert wird. Mit anderen Worten ist es vorteilhaft, den Druck des ersten Teilmassenstromes beziehungsweise innerhalb des ersten Teilmassenstromes mittels der ersten Pumpe auf den Druck des zweiten Teilmassenstromes anzupassen. Das ist insbesondere deshalb der Fall, da das Arbeitsfluid innerhalb des ersten Teilmassenstromes nach der zweiten Turbine und vor der Zusammenführung der Teilmassenströme, insbesondere unmittelbar nach der zweiten Turbine, ein geringes Druckniveau, beispielsweise im Bereich von 0 bar bis 0,1 bar, aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Druck des Arbeitsfluids nach dem Zusammenführen seiner Teilmassenströme und vor dem Abhitzedampferzeuger mittels einer zweiten Pumpe auf einen Wert im Bereich von 150 bar bis 250 bar, insbesondere auf einen Wert im Bereich von 190 bar bis 210 bar, besonders bevorzugt auf einen Wert von 200 bar, erhöht.
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Dadurch wird der Druck des Arbeitsfluids vorteilhafterweise auf das zweite Druckniveau des Zweidruck-Dampfkreislaufes gebracht.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Verhältnis von zweitem Teilmassenstrom zu erstem Teilmassenstrom einen Wert im Bereich von 1/9 bis 3/7, insbesondere von 3/7 oder 3/17, auf.
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Dadurch wird vorteilhafterweise der Wirkungsgrad beim Ausspeichern weiter verbessert. Deutlich höhere Werte als 3/7 würden dazu führen, dass das Arbeitsfluid beim Zusammenführen der Teilmassenströme nicht vollständig flüssig wäre.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Temperatur einen Wert im Bereich von 580 Grad Celsius bis 600 Grad Celsius, insbesondere von 590 Grad Celsius, auf.
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Dadurch wird der Wirkungsgrad bei der Ausspeicherung weiter verbessert.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Figur ein schematisiertes Schaltbild einer Vorrichtung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
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Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in der Figur mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
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Die Figur zeigt eine schematisierte Darstellung (Schaltdiagramm) einer Vorrichtung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
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Die Vorrichtung umfasst einen Dampfkreislauf 100, einen Schüttgutspeicher 2 sowie einen zugehörigen Ausspeicherkreislauf 101 auf. Der Dampfkreislauf 100 umfasst einen Abhitzedampferzeuger 3, einen Überhitzer 4, einen Expander 6, einen Kondensator 8, eine erste Turbine 11, eine zweite Turbine 12, eine erste Pumpe 21 sowie eine zweite Pumpe 22. Die Vorrichtung ist somit grundsätzlich als PHP-Anlage ausgebildet.
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Weiterhin umfasst der Dampfkreislauf 100 eine Aufteilung 102 mittels welcher der Massenstrom eines Arbeitsfluids des Dampfkreislaufes 100 in einen ersten Teilmassenstrom 41 und einen zweiten Teilmassenstrom 42 aufgeteilt wird. Mit anderen Worten umfasst der Dampfkreislauf 100 beziehungsweise die Vorrichtung eine Bypassleitung 43. Die Pfeile in der Figur verdeutlichen jeweils die lokale Strömungsrichtung des Arbeitsfluids.
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Beim Einspeichern, das heißt beim Beladen des Schüttgutspeichers 2, wird Luft mit etwa 303 Grad Celsius mittels eines Widerstandsheizers auf etwa 600 Grad Celsius erwärmt. Diese erwärmte Luft wird in den Schüttgutspeicher geleitet und dort in thermischen Kontakt mit einem Speichermaterial des Schüttgutspeichers gebracht. Die erwärmte/heiße Luft gibt seine Wärme wenigstens teilweise an das Speichermaterial ab, sodass dadurch die Luft abkühlt, insbesondere auf 286 Grad Celsius. Die Temperatur der abgekühlten Luft entspricht der zweiten Speichertemperatur (untere Speichertemperatur) des Schüttgutspeichers beim Ausspeichern. Um den Druckverlust der Luft von etwa 100 mbar auszugleichen und die Luft durch den Schüttgutspeicher zu bewegen, wird ein elektrischer Lüfter verwendet. Durch den Lüfter wird die zirkulierende Luft von 286 Grad Celsius auf 303 Grad Celsius erwärmt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Widerstandheizer die Luft von dem höheren Temperaturniveau (303 Grad Celsius) auf etwa 600 Grad Celsius oder höher erwärmen muss. Dadurch kann viel Energie, insbesondere im Hinblick auf eine Erwärmung von Umgebungstemperatur ausgehend, eingespart werden.
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Beim Ausspeichern wird die Luft ebenfalls in einem geschlossenen Kreislauf (Ausspeicherkreislauf 101) geführt, damit der Schüttgutspeicher nicht unter eine bestimmte Temperatur auskühlt. Dadurch wird das genannte vorteilhafte Verfahren zur Einspeicherung ermöglicht. Somit ist das untere Temperaturniveau von 250 Grad Celsius bis 350 Grad Celsius, bevorzugt 300 Grad Celsius von besonderem Vorteil.
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Beim Ausspeichern wird die Luft von 600 Grad Celsius auf 290 Grad Celsius abgekühlt. Mit anderen Worten ist die obere Speichertemperatur 600 Grad Celsius und die untere Speichertemperatur 290 Grad Celsius. Hierzu wird die Luft mittels des Lüfters 9 durch den Überhitzer 4 und anschließend durch den Abhitzedampferzeuger 3 geleitet. Dadurch wird Wärme vom Schüttgutspeicher 2 auf das Arbeitsfluid des Dampfkreislaufes 100 übertragen. Für das vorliegende Ausführungsbeispiel wird als Arbeitsfluid Wasser verwendet.
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Auf der Seite des Dampfkreislaufes 100 liegt zunächst im Massenstrom 204 ein Kondensat des Arbeitsfluids vor. Dieses wird mittels der ersten Pumpe 21 auf 10 bar gepumpt. Hierbei bleibt die Temperatur des Arbeitsfluids im Wesentlichen unverändert. Mittels der Anzapfung 104 (Zusammenführen der Teilmassenströme 41, 42) wird das Arbeitsfluid anschließend auf einer Temperatur von 175 Grad Celsius vorgewärmt (Vorwärmung). Nach dem Zusammenführen 104 der Teilmassenströme 41, 42 wird das Arbeitsfluid mittels der zweiten Pumpe 22 auf einen Druck von 200 bar gepumpt. Anschließend wird das Arbeitsfluid mit einer Temperatur von 175 Grad Celsius und einem Druck von 200 bar zum Abhitzedampferzeuger 3 geleitet (Massenstrom 207).
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Der Abhitzedampferzeuger 3 ist vorliegend zweiteilig ausgestaltet, das heißt dieser umfasst einen ersten und zweiten Teilabhitzedampferzeuger 31, 32. Mittels des ersten Teilabhitzedampferzeugers 31 wird das Arbeitsfluid durch die bereits im Überhitzer 4 abgekühlte Luft auf eine Temperatur von 365 Grad Celsius erwärmt. Hierbei kühlt die Luft weiter auf die untere Speichertemperatur von 290 Grad Celsius ab und wird anschließend zurück zum Schüttgutspeicher 2 geführt. Die Temperatur von 365 Grad Celsius entspricht der Siedetemperatur des Arbeitsfluids (Wasser) bei einem Druck von 200 bar. Mit anderen Worten wird mittels des ersten Teilabhitzedampferzeugers 31 das Arbeitsfluid durch eine Wärmeübertragung von der Luft auf das Arbeitsfluid auf seine Siedetemperatur erwärmt. Mittels des zweiten Teilabhitzedampferzeugers 32 wird das Arbeitsfluid, wiederum durch eine Wärmeübertragung von der Luft auf das Arbeitsfluid, verdampft. Hierbei bleibt die Temperatur des Arbeitsfluids im Wesentlichen konstant. Das verdampfte Arbeitsfluid wird anschließend zum Überhitzer 4 geleitet (Massenstrom 208).
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Mittels des Überhitzers 4 wird der mittels des zweiten Teilabhitzedampferzeugers 32 erzeugte Dampf auf eine Temperatur von 590 Grad Celsius überhitzt. Dies erfolgt wiederum durch eine Wärmeübertragung von der Luft auf das dampfförmige Arbeitsfluid des Dampfkreislaufes 100. Mit anderen Worten wird die Luft des Schüttgutspeichers unter der Annahme einer Grädigkeit von 10 Kelvin zum Überhitzer 4 mit einer Temperatur von 600 Grad Celsius (obere Speichertemperatur) geführt. Innerhalb beziehungsweise mittels des Überhitzers 4 erfolgt eine thermische Kopplung zwischen der Luft und dem Arbeitsfluid. Durch diese thermische Kopplung wird Wärme von der Luft auf das Arbeitsfluid übertragen, sodass dadurch die Luft abkühlt und das Arbeitsfluid überhitzt wird, vorliegend auf eine Temperatur von 590 Grad Celsius.
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Nach dem Überhitzer 4 wird das überhitze dampfförmige Arbeitsfluid (überhitzter Dampf) zur ersten Turbine 11 geleitet (Massenstrom 209). Mittels der ersten Turbine 11 wird der überhitzte Dampf auf 50 bar expandiert.
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Nach der ersten Turbine 11 wird der mittels der ersten Turbine 11 expandierte Dampf zum Überhitzer 4 rückgeführt (Massenstrom 210). Dadurch wird der expandierte Dampf erneut auf die erste Temperatur, das heißt vorliegend etwa 590 Grad Celsius, überhitzt.
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Anschließend, das heißt nach der genannten erneuten Überhitzung des Arbeitsfluids auf 590 Grad Celsius, wird der Massenstrom (Gesamtmassenstrom 211) des Arbeitsfluid in den ersten und zweiten Teilmassenstrom 41, 42 aufgeteilt. Diese Aufteilung ist mit dem Bezugszeichen 102 gekennzeichnet.
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Das Verhältnis von zweitem Teilmassenstrom 42 zu erstem Teilmassenstrom 41 weist erfindungsgemäß einen Wert im Bereich von 1/9 bis 7/13 auf. Mit anderen Worten ist der zweite Teilmassenstrom 42 10 Prozent bis 35 Prozent des eingehenden Massenstroms (Massenstrom 211), und der erste Teilmassenstrom 41 entsprechend 90 Prozent bis 65 Prozent des eingehenden Massenstroms 211. Wird der erste Teilmassenstrom 41 als ṁ1 = dm1/dt und der zweite Teilmassenstrom 42 analog als ṁ2 bezeichnet, so ist das Verhältnis durch ṁ2/m1 gegeben. Die Anzapfrate α, das heißt der Anteil der Anzapfung ist dann durch ṁ2 = α·ṁin definiert, wobei ṁin den eingehenden Massenstrom (Massenstrom 211) kennzeichnet. Es gilt dann ṁ2/ṁ1 = α/(1-α). Die Anzapfrate α weist somit einen Wert im Bereich von 10 Prozent bis 35 Prozent auf.
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Der zweite Teilmassenstrom 42 wird zum Expander 6 geführt. Mittels des Expanders 6 wird das Arbeitsfluid innerhalb des zweiten Teilmassenstroms 42 auf einen Druck von 10 bar und eine zugehörige Temperatur von 359 Grad Celsius expandiert. Hierbei verbleibt das Arbeitsfluid nahezu vollständig gasförmig. Der mittels des Expanders 6 expandierte zweite Teilmassenstrom 42 beziehungsweise die Bypass-Leitung 43 wird zum Vorwärmen des oben genannten Kondensats (Massenstrom 205 beziehungsweise Massenstrom 204) verwendet (siehe Zusammenführung 104).
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Grundsätzlich gilt, je größer der zweite Teilmassenstrom 42, das heißt je größer das oben genannte Verhältnis der Teilmassenströme 41,42, desto höher ist der Wirkungsgrad der Ausspeicherung. Vorliegend ist durch die exemplarischen Drücke und Temperaturen (Prozessparametern) der zweite Teilmassenstrom 42 auf 30 Prozent des eingehenden Massestromes 211 begrenzt. Mit anderen Worten ist der Wert des Verhältnisses der Teilmassenströme 41, 42 auf maximal 3/7 begrenzt. Bei höheren Anzapfraten als 30 Prozent würde das Arbeitsfluid nach der Zusammenführung 104 nicht vollständig flüssig sein, da dann flüssiges Arbeitsfluid des Massenstromes 205 mit dem dampfförmigen beziehungsweise gasförmigen Arbeitsfluid aus dem Massenstrom 212 gemischt werden würde. Dadurch könnte das Arbeitsfluid des Massenstromes 206 nicht mehr ohne hohen Energieaufwand auf den Druck von 200 bar mittels der zweiten Pumpe 22 gepumpt werden. Ein höherer Druck als 200 bar ist aufgrund der Nähe zum kritischen Druck von Wasser und/oder aufgrund der Materialanforderungen nicht vorteilhaft. Dies ist jedoch vom verwendeten Arbeitsfluid abhängig.
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Wird eine höhere obere Speichertemperatur von etwa 750 Grad Celsius verwendet, so wird die Anzapfrate bevorzugt auf 15 Prozent begrenzt.
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Der erste Teilmassenstrom 41, der den eigentlichen Hauptmassenstrom des Dampfkreislaufes 100 ausbildet (der zweite Teilmassenstrom 42 bildet diesbezüglich den Bypass 43 aus), wird der zweiten Turbine 12 zugeführt. Mittels der zweiten Turbine 12 wird das Arbeitsfluid auf einen Druck von etwa 0,047 bar expandiert, wobei sich hierbei eine Temperatur von etwa 35 Grad Celsius einstellt. Der Dampfgehalt beträgt weiterhin 92 Prozent, sodass der Kondensator 8 vorgesehen ist, der das Arbeitsfluid durch Wärmeabfuhr nahezu vollständig verflüssigt. Nach dem Kondensator 8 wird das verflüssigte Arbeitsfluid wieder zur ersten Pumpe 21 rückgeführt (Massenstrom 204), sodass der beschriebene Kreislauf beziehungsweise Dampfkreislauf 100 von neuem beginnen kann.
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Mit dem obenstehend beschriebenen Verfahren und den genannten Prozessparametern wird ein Wirkungsgrad der Ausspeicherung (Ausspeicherungswirkungsgrad) von 40,6 Prozent erreicht. Mit einem Einspeicherwirkungsgrad von 99 Prozent ergibt sich somit ein Speicherwirkungsgrad von 40,2 Prozent. Hierbei wurde für die Turbinen 11, 12 ein isentroper Wirkungsgrad von 85 Prozent festgelegt beziehungsweise angenommen.
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Wird zusätzlich eine Wärmeauskopplung in der ersten und/oder zweiten Turbine vorgenommen, beispielsweise Dampf bei 140 Grad Celsius, so ergibt sich ein elektrischer Speicherwirkungsgrad von 24,2 Prozent und ein Gesamtwirkungsgrad (Strom und Wärme) von 85,6 Prozent.
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Bei einer oberen Speichertemperatur von 750 Grad Celsius und einer maximalen Anzapfrate von 15 Prozent, ergibt sich ein Speicherwirkungsgrad von 42,8 Prozent. Aufgrund der höheren Temperaturen und Drücke, sind jedoch die voraussichtlichen leistungsspezifischen Investitionskosten etwas höher.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dampfkreislauf
- 2
- Flüssigsalzspeicher
- 3
- Abhitzedampferzeuger
- 4
- Überhitzer
- 6
- Expander
- 8
- Kondensator
- 9
- Lüfter
- 11
- erste Turbine
- 12
- zweite Turbine
- 21
- erste Pumpe
- 22
- zweite Pumpe
- 31
- erster Teilabhitzedampferzeuger
- 32
- zweiter Teilabhitzedampferzeuger
- 41
- erster Massenstrom
- 42
- zweiter Massenstrom
- 100
- Dampfkreislauf
- 101
- Entladekreislauf
- 102
- Aufteilung des Massenstroms
- 104
- Zusammenführen der Teilmassenströme
- 204,...,212
- Massenstrom
