DE102020107014A1

DE102020107014A1 - Energiespeichersystem und Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems

Info

Publication number: DE102020107014A1
Application number: DE102020107014.4A
Authority: DE
Inventors: Raoul-Amadeus Lorbeer; Alexander Bonk
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2021-09-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem (100) zum Speichern von thermischer Energie, umfassend- eine Energieeinspeiseeinheit (102),- eine Energietransferkomponente (104),- wenigstens eine Energiespeichereinheit (60),- eine Energieextraktionseinheit (120),- eine Antriebseinheit (112) zum Bewegen der Energietransferkomponente (104),wobei die Energietransferkomponente (104) beim Laden und Entladen einen festen Aggregatzustand aufweist, und als längliches Element ausgebildet ist, das zumindest im bestimmungsgemäßen Betrieb reversibel um wenigstens 45° umlenkbar ist,wobei die Energietransferkomponente (104) einen zumindest temporären Einspeisebereich (106) für thermische Energie, einen zumindest temporären Abgabebereich (108) für thermische Energie sowie einen zumindest temporären Speicherbereich (110) für thermische Energie aufweist.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Energ iespeichersystem s.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem zum Speichern von thermischer Energie sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems zum Speichern von thermischer Energie.
Bei der Betrachtung von Wärmespeichern wird unterschieden zwischen der Speicherung von thermischer Energie als sensible Warme, latente Warme oder thermochemischen Speichern. Hierbei spielen thermochemische Speicher nur eine untergeordnete Rolle, da sie im technischen Maßstab nicht verfügbar oder gar demonstriert sind. Latentwärmespeicher sind weiterentwickelt, aber nur wenige Hochtemperatur (>300°C) Systeme wurden erfolgreich in Industrieprozesse integriert (z.B. 700 kWh Speicher bei der Stadt Carboneras in Spanien und 1.5 MWh_th Speicher bei der Firma steag). Speichersysteme, die kapazitativ darüber hinausgehen sind gegenwärtig nicht bekannt.
Sensible Speicher verschiedenster Art sind als relevanter, skalierbarer Stand der Technik zu bezeichnen. Hier sind im Speziellen adiabate Druckluftspeicher zu nennen, die großtechnisch verschiedentlich untersucht wurden, Nitratsalzspeicher, die in modernen Solarkraftwerken im GWh-Maßstab integriert werden, aber auch sensible Speicher auf Feststoffbasis (z.B. Betonspeicher).
Seit einigen Jahren werden Flüssigsalze kommerziell zum Wärmetransfer und zur Speicherung von Wärme aus Kraftwerken im Großmaßstab und mit hoher Wirtschaftlichkeit genutzt. Stand der Technik ist die Nutzung einer Mischung aus zwei Nitratsalzen, sogenanntes Solarsalz. Diese Mischung hat einen definierten Arbeitsbereich bezüglich der minimalen Temperatur, aufgrund des Schmelzens, sowie der maximalen Temperatur aufgrund der Zersetzung.
Dabei ist aufgrund thermischer Zersetzung die maximale Temperatur auf ca. 565° C begrenzt. Es werden Systeme mit zwei Tanks eingesetzt, üblicherweise ein Heißtank (z.B. max. 560°C bei Solarturmkraftwerken) und ein Kalttank (z.B. 290°C). Je nach Beladezustand ändert sich der Füllstand der Tanks.
Feststoffspeicher sind meist ein Feststoff, der mit einem Wärmetauschersystem ausgestattet wurde, welches entweder Rohre ( DE 4190616 C2 ) oder die thermische Leitfähigkeit von Metallen nutzt, um Wärme aus dem System zu entnehmen und in einem weiteren Schritt auf einen Wärmetauscher zu übertragen.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Energiespeichersystem anzugeben, welches erlaubt, thermische Energie auf möglichst einfache und wirtschaftliche Weise zu speichern.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems anzugeben, welches erlaubt, thermische Energie auf möglichst einfache und wirtschaftliche Weise zu speichern.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Es wird ein Energiespeichersystem zum Speichern von thermischer Energie vorgeschlagen, umfassend eine Energieeinspeiseeinheit, eine Energietransferkomponente, wenigstens eine Energiespeichereinheit, eine Energieextraktionseinheit, sowie eine Antriebseinheit zum Bewegen der Energietransferkomponente. Die Energietransferkomponente weist beim Laden und Entladen einen festen Aggregatzustand auf. Die Energietransferkomponente ist als längliches Element ausgebildet, das zumindest im bestimmungsgemäßen Betrieb reversibel um wenigstens 45° umlenkbar ist. Das Material kann insbesondere kontinuierlich ausgebildet sein, beispielsweise in Form eines bandartigen oder schnurartigen Materials, oder stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig zusammenhängen, beispielsweise in Form einer Kette.
Dabei weist die Energietransferkomponente einen zumindest temporären Einspeisebereich für thermische Energie, einen zumindest temporären Abgabebereich für thermische Energie sowie einen zumindest temporären Speicherbereich für thermische Energie auf.
Die Erfindung bezieht sich auf thermische Energiespeicher und Wärmeträger. Mit dem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem kann beispielsweise elektrische Energie in Form von Wärmeenergie auf einfache und wirtschaftliche Weise gespeichert werden. Hiermit kann bei hohen Leistungsdichten Wärme in einen Festkörper, wie z.B. Stahl, mit Temperaturen von beispielsweise 800°C oder mehr eingekoppelt werden, wobei der untere Temperaturbereich, und damit die Speicherkapazität, lediglich durch die Umgebungstemperatur limitiert ist. Der Festkörper bleibt beim Laden und Entladen der Wärmeenergie im festen Aggregatzustand. So wird ermöglicht, große Mengen an Energie auf kleinem Raum zu speichern, so dass die Kapazitätskosten von z.B. Lithium-Akkumulatoren unterschritten und die Energiedichte, wie z.B. von Wasserkraftwerken, überschritten werden können.
Das beschriebene Energiespeichersystem umfasst beispielsweise einen elektrothermischen Wandler als Energieeinspeiseeinheit, welche elektrische Energie möglichst direkt in einen Festkörper als Energietransferkomponente, welche an dem Wandler vorbeitransportiert wird, deponiert. Eine Antriebseinheit dient zum Transport der Energietransferkomponente.
Vorteilhaft kann die Ladung mit elektrischem Strom schneller erfolgen als die Entladung. Insbesondere können Leistungsspitzen auf dem Netz daher sehr gut aufgenommen werden.
Der elektrothermische Wandler kann beispielsweise eine direkte ohmsche Heizung aufweisen, mittels welcher thermische Energie auf die Energietransferkomponente übertragen werden kann. Alternativ ist auch möglich, bei dem elektrothermischen Wandler eine induktive Heizung vorzusehen, welche eine metallische Energietransferkomponente durch Induktion erwärmen kann.
Die Energietransferkomponente, welche im Gegensatz zu Schüttgut aus einem zusammenhängendem Material gebildet ist, kann beispielsweise einen aufrollbaren Festkörper, wie ein Band, eine Schnur, ein Seil, eine Kette, oder Ähnliches, beispielsweise aus einem metallischen Material, beispielsweise aus Stahl, aufweisen, welcher als Wärmetransfermedium und/oder Energiespeicher dient. Übliche Stähle weisen Schmelztemperaturen von größer 700°C auf. Vorzugsweise können Stähle eingesetzt werden, die Schmelztemperaturen von mehr als 1000°C aufweisen. Die Energietransferkomponente kann damit bei hohen Temperaturen betrieben werden. Alternativ ist es möglich, Graphit als Energietransferkomponente vorzusehen, da Graphit wegen seines hohen Schmelzpunkts bis zu sehr hohen Temperaturen von bis zu 2500°C eingesetzt werden kann.
Eine solche aufrollbare Energietransferkomponente kann auf geringem Bauraum thermische Energie aufnehmen und speichern. Auf diese Weise kann die Energietransferkomponente auch zugleich die Energiespeichereinheit darstellen. Die Energietransferkomponente kann beim Vorbeitransport an der Energieeinspeiseeinheit die thermische Energie aufnehmen und aufgerollt auf einer Rolle auch speichern. Bei Bedarf kann die Energietransferkomponente dann wieder abgerollt werden, um die gespeicherte thermische Energie beim Vorbeitransport an einer Energieextraktionseinheit wieder abzugeben, wo sie dann bei Bedarf auch wieder in elektrischen Strom umgewandelt werden kann.
Vorteile von Festkörpern als Energietransferkomponente bestehen darin, dass hohe Temperaturdifferenzen zwischen beladenem und entladenem Zustand ermöglicht werden und so Energiespeicher mit großer Kapazität realisiert werden können. Es gibt günstigerweise keinen Phasenübergang fest/flüssig, so dass keine Maßnahmen für Flüssigphasen getroffen werden müssen.
Die Betriebstemperaturen von solchen Energietransferkomponenten und Energiespeichern sind ausreichend, um moderne Dampfturbinen effizient betreiben zu können.
Die thermische Energie kann mit hohen Wirkungsgraden zumindest vorübergehend nahezu vollständig gespeichert werden. Der Wirkungsgrad beim Entladen der thermischen Energie ist ebenfalls durchaus konkurrenzfähig mit anderen Energiewandlersystemen.
Die thermische Energie kann beispielsweise mittels eines thermoelektrischen Wandlers als Energieextraktionseinheit, welche aus der an dem Wandler vorbeitransportierten Energietransferkomponente thermische Energie entzieht in elektrische Energie umgewandelt werden.
Wird das Beladen und Entladen der Energietransferkomponente mit thermischer Energie im Gegenstromprinzip betrieben, kann eine hohe Effizienz erreicht werden, da hohe Temperaturdifferenzen auf effiziente Weise operativ umgesetzt werden können. Dadurch lässt sich eine hohe Energiedichte in der Energietransferkomponente erreichen.
Metalle als Wärmeträger und/oder Speichermedium können wegen ihrer vergleichsweise hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit mit hohen Leistungsdichten beladen und entladen werden, wobei die energetischen Verluste durch hohe Wärmetransporteigenschaften minimiert werden können.
Das Speicher- und Transportsystem des Energiespeichersystems kann vorteilhaft auf bestehende Transporttechniken aus der Stahlindustrie aufsetzen, wodurch der Aufwand für eine Installation deutlich abgesenkt werden kann. Auf teure Komponenten für Fluidförderung oder Wärmetausch in klassischen, flüssigkeitsbasierten Speichern (z.B. Nitratsalz) und Wärmetransfersystemen kann verzichtet werden, was die Investitionskosten deutlich senkt.
Ähnlich wie andere Speichermedien sind insbesondere Stähle ein weltweit eingesetztes Produkt, das aber im Gegensatz zu anderen Materialien ohne komplexe Aufreinigung oder Vorbereitung in den Prozess integriert werden kann. Die Modularität, wodurch Speicherelemente, z.B. in Form Stahl-Rollen, einzeln hinzugefügt und entfernt werden können, ermöglicht eine vereinfachte Anpassung des Speichersystems an einen dynamischen Strommarkt.
Die volumetrische Speicherkapazität von Stahl ist extrem hoch aufgrund der hohen Dichte und der erreichbaren Temperaturspreizung. Pro Stahl-Rolle mit einem Gewicht von beispielsweise 25t, ergibt sich, bei einer Temperaturspreizung von 500K und einer mittleren Wärmekapazität von 0,5 kJ/kgK eine Speicherkapazität von 70 kWh/t. Mit lediglich 57 Rollen kann eine Speicherkapazität von 100 MWh_th erreicht werden.
Die Kosten pro Speicherkapazität belaufen sich bei niedriglegierten Stählen mit typischen Preisen von 500 bis 1000€/t auf 6,5 €/kWh bis 13 €/kWh, oder bei Edelstählen mit typischen Preisen von 3 €/kg, auf 40 €/kWh_th.
Der erfindungsgemäße Energiespeicher eignet sich vorteilhaft, um Lastspitzen im Netzbetrieb abzufangen durch kurzzeitige Speicherung elektrischer Energie in Form von Wärme, bzw. kurzzeitigen Abruf von thermischer Energie aus dem Energiespeicher zur Umwandlung in elektrische Energie.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energiespeichersystems kann die Energietransferkomponente als Durchlaufelement, insbesondere als Rolle, oder Umlaufelement oder Endloselement ausgebildet sein, das zumindest die Energieeinspeiseeinheit zur Energieaufnahme und die Energieextraktionseinheit zur Energieabgabe durchläuft. Eine solche Energietransferkomponente kann besonders vorteilhaft zur kurzfristigen Energiespeicherung eingesetzt werden, um beispielsweise Lastspitzen im Netz zwischenzuspeichern. Damit lassen sich auch besonders kompakte Energiespeichersysteme realisieren.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energiespeichersystems kann die Energietransferkomponente als Band, Kette oder Schnur ausgebildet sein. Eine solche Energietransferkomponente mit einem metallischen Band kann beispielsweise auf einfache Weise an einer Energieeinspeiseeinheit und/oder einer Energieextraktionseinheit beispielsweise als Endloselement oder von einer Rolle aus vorbeigeführt werden, um auf diese Weise thermische Energie aufzunehmen oder abzugeben.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energiespeichersystems kann die Energiespeichereinheit in einem Gehäuse angeordnet sein und/oder die Energieeinspeiseeinheit in einem Gehäuse angeordnet sein.
Damit kann die Energiespeichereinheit und/oder die Energieeinspeiseeinheit auf effiziente Weise thermisch isoliert werden, um die gespeicherte oder zu speichernde thermische Energie mit geringen Verlusten über eine gewisse Zeit zu speichern oder in die Energietransferkomponente einzuspeisen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energiespeichersystems kann die Energiespeichereinheit wenigstens eine Speicherrolle aufweisen, auf welche die Energietransferkomponente im thermisch beladenen Zustand zumindest mit ihrem Speicherbereich aufgerollt ist, insbesondere in mehreren Lagen aufgerollt ist. Eine solche aufrollbare Energietransferkomponente kann auf geringem Bauraum thermische Energie aufnehmen und speichern. Auf diese Weise kann die Energietransferkomponente auch zugleich die Energiespeichereinheit darstellen.
Die Energietransferkomponente kann beim Vorbeitransport an der Energieeinspeiseeinheit die thermische Energie aufnehmen und aufgerollt auf einer Rolle auch speichern. Bei Bedarf kann die Energietransferkomponente dann wieder abgerollt werden, um die gespeicherte thermische Energie beim Vorbeitransport an einer Energieextraktionseinheit wieder abzugeben, wo sie dann bei Bedarf auch wieder in elektrischen Strom umgewandelt werden kann.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energiespeichersystems kann die Energieeinspeiseeinheit zum thermischen Beladen der Energietransferkomponente in Bewegungsrichtung der Energietransferkomponente vor der Energiespeichereinheit angeordnet sein. Die Energietransferkomponente kann beim Vorbeitransport an der Energieeinspeiseeinheit die thermische Energie aufnehmen und aufgerollt beispielsweise auf einer Rolle als Energiespeichereinheit auch speichern.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energiespeichersystems kann ein thermisch isoliertes Speichergehäuse zur Lagerung einer oder mehrerer thermisch beladener Speicherrollen vorgesehen sein. Als thermische Isolation bieten sich übliche Materialien an wie Glasfasern, silikatbasierte Materialien, mineralische Wärmedämmung. Die Speicherrollen können an normaler Atmosphäre gelagert werden. Bei Bedarf kann jedoch Oxidation der Speicherwerkstoffe durch Lagerung unter Schutzgasatmosphäre verhindert werden. Dabei ist eine ausreichende Gasdichtigkeit des Speichergehäuses von Vorteil. Möglich ist auch, den Lagerbereich mit Schutzgas zu spülen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energiespeichersystems können wenigstens zwei Speicherrollen vorgesehen sein, wobei eine der Speicherrollen zur Aufnahme der Energietransferkomponente mit einer hohen Temperatur und die andere der Speicherrollen zur Aufnahme der Energietransferkomponente mit einer niedrigen Temperatur vorgesehen ist. So kann die Energietransferkomponente in Form eines Bandes von der einen Speicherrolle im kalten Zustand abgerollt werden, um beim Vorbeitransport an der Energieeinspeiseeinheit mit thermischer Energie beladen zu werden und dann auf der zweiten Speicherrolle im heißen Zustand wieder aufgerollt und gelagert zu werden. Umgekehrt kann das heiße Band von der zweiten Speicherrolle wieder abgerollt werden, wenn die thermische Energie in der Energieextraktionseinheit rückgewonnen werden soll und dann im kalten Zustand auf der ersten Speicherrolle wieder gelagert zu werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energiespeichersystems kann wenigstens eine Energiespeichereinheit wenigstens einen Blockspeicher aufweisen, mit welchem die Energietransferkomponente mit ihrem Speicherbereich beim thermischen Beladen in Wirkverbindung, insbesondere mittels thermischer Strahlung, steht. Insbesondere kann die Energieeinspeiseeinheit die Energiespeichereinheit umfassen. Auf diese Weise kann thermische Energie von der Energiespeichereinheit durch thermische Strahlung auf die Energietransferkomponente übertragen werden, wenn die Energietransferkomponente an dem Blockspeicher vorbeitransportiert wird, um dann in einer Energieextraktionseinheit entladen zu werden. Der Blockspeicher kann beispielsweise durch integrierte Heizelemente aufgeheizt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energiespeichersystems kann wenigstens eine Energiespeichereinheit als Speicherwalze ausgebildet sein, mit welcher die Energietransferkomponente mit ihrem Speicherbereich beim thermischen Beladen in Wirkverbindung steht. Insbesondere kann die Energieeinspeiseeinheit die Energiespeichereinheit umfassen. Auf diese Weise kann thermische Energie von der Energiespeichereinheit auf die Energietransferkomponente übertragen werden, wenn die Energietransferkomponente an der Speicherwalze vorbeitransportiert wird, um dann in einer Energieextraktionseinheit entladen zu werden. Die Speicherwalze kann beispielsweise durch integrierte Heizelemente aufgeheizt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energiespeichersystems kann die Energieeinspeiseeinheit als elektrothermischer Wandler ausgebildet sein. Insbesondere kann die Energieeinspeiseeinheit zur Wärmezufuhr in die Energietransfereinheit ein induktives Heizelement und/oder ein direktes Heizelement und/oder eine Lichtquelle aufweisen, und/oder die Energieeinspeiseeinheit zum Einspeisen von Prozesswärme in die Energietransferkomponente ausgebildet sein. Sowohl durch einen elektrothermischen Wandler, wie auch durch eine Lichtquelle ist ein sehr effizientes Aufheizen der Energietransferkomponente möglich. Auch die Verwendung von Prozesswärme beispielsweise eines Kraftwerks kann zur Speicherung von thermischer Energie in der Energietransferkomponente vorteilhaft eingesetzt werden, wenn mit der Prozesswärme ein Bauteil aufgeheizt wird, an dem die Energietransferkomponente vorbeitransportiert werden kann.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energiespeichersystems kann die Energieextraktionseinheit als thermoelektrischer Wandler ausgebildet sein. Insbesondere kann die Energieextraktionseinheit einen Energieübertrager, insbesondere einen Flüssigkeitsübertrager und/oder einen Dampfturbinenkreislauf aufweisen, welcher mit einem Stromgenerator eines Kraftwerks gekoppelt ist. Die gespeicherte thermische Energie kann beim Vorbeitransport an der Energieextraktionseinheit mittels eines Energieübertragers auf effiziente Weise in elektrischen Strom umgewandelt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energiespeichersystems kann die Energieextraktionseinheit und/oder die Energieeinspeiseeinheit eine Walzenanordnung aufweisen, über welche die Energietransferkomponente geführt ist. Die Walzenanordnung kann dabei als Wärmetauscher mit einem ein wärmeaufnehmendes Fluid aufweisenden Rohr ausgebildet sein. Walzen, welche zum Transport der Energietransferkomponente dienen, können mit heißem Fluid effizient aufgeheizt werden und dadurch die Wärme in die Energietransferkomponente einkoppeln. Umgekehrt können die Walzen beim Entladen der Energietransferkomponente durch die mit thermischer Energie beladenen Energietransferkomponente aufgeheizt werden, um so die Walzen durchströmendes Fluid wiederum aufzuheizen und so die Wärme zu übertragen, welche anschließend in einem Generator Strom erzeugen kann.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energiespeichersystems kann die Energieübertragung von der Energieeinspeiseeinheit auf die Energietransferkomponente und von der Energietransferkomponente auf die Energieextraktionseinheit als Wärmefluss nach dem Gegenstromprinzip angeordnet vorgesehen sein. Besonders effizient kann die Wärmeübertragung sowohl beim Beladen der Energietransferkomponente als auch beim Entladen durch Anwenden des Gegenstromprinzips erfolgen, indem die Temperaturdifferenz zwischen dem Einspeisebereich der Energietransferkomponente und der Energieeinspeiseeinheit, bzw. der Energieextraktionseinheit möglichst klein gehalten wird, um so die thermischen Verluste zu reduzieren.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems zum Speichern von thermischer Energie vorgeschlagen, umfassend eine Energieeinspeiseeinheit, eine Energietransferkomponente, wenigstens eine Energiespeichereinheit, eine Energieextraktionseinheit, und eine Antriebseinheit zum Bewegen der Energietransferkomponente. Die Energietransferkomponente weist beim Laden und Entladen einen festen Aggregatzustand auf. Die Energietransferkomponente ist als längliches Element ausgebildet, das zumindest im bestimmungsgemäßen Betrieb reversibel um wenigstens 45° umlenkbar ist. Das Material kann insbesondere kontinuierlich ausgebildet sein, beispielsweise in Form eines bandartigen oder schnurartigen Materials, oder stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig zusammenhängen, beispielsweise in Form einer Kette. Die Energietransferkomponente weist einen zumindest temporären Einspeisebereich für thermische Energie, einen zumindest temporären Abgabebereich für thermische Energie sowie einen zumindest temporären Speicherbereich für thermische Energie auf.
Dabei wird thermische Energie in der Energietransferkomponente in einem zumindest temporären Speicherbereich gespeichert, wenn die Energietransferkomponente und die Energieeinspeiseeinheit in einem zumindest temporären Einspeisebereich in engem Kontakt angeordnet sind und relativ zueinander bewegt werden, wobei die thermische Energie von der Energieeinspeiseeinheit auf die Energietransferkomponente übertragen wird.
Weiter wird thermische Energie aus der Energietransferkomponente entzogen, wenn die Energietransferkomponente und die Energieextraktionseinheit in einem zumindest temporären Abgabebereich in engem Kontakt angeordnet sind und relativ zueinander bewegt werden, wobei thermische Energie von der Energietransfereinheit auf die Energieextraktionseinheit übertragen wird. Die thermische Energie wird durch die Energieextraktionseinheit in elektrische Energie umgewandelt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems kann beispielsweise elektrische Energie in Form von Wärmeenergie auf möglichst einfache und wirtschaftliche Weise gespeichert werden. Hiermit kann bei hohen Leistungsdichten Wärme in einen Festkörper wie z.B. Stahl mit Temperaturen von beispielsweise 800°C oder mehr eingekoppelt werden, wobei der untere Temperaturbereich, und damit die Speicherkapazität, lediglich durch die Umgebungstemperatur limitiert ist. Der Festkörper bleibt beim Laden und Entladen der Wärmeenergie im festen Aggregatzustand. So wird ermöglicht, große Mengen an Energie auf kleinem Raum zu speichern, so dass die Kapazitätskosten von z.B. Lithium Akkumulatoren unterschritten und die Energiedichte, wie z.B. von Wasserkraftwerken überschritten werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vorteilhaft, um Lastspitzen im Netzbetrieb abzufangen durch kurzzeitige Speicherung elektrischer Energie in Form von Wärme, bzw. kurzzeitigen Abruf von thermischer Energie aus dem Energiespeicher zur Umwandlung in elektrische Energie.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann die Energietransferkomponente als Durchlaufelement oder Umlaufelement oder Endloselement zwischen der Energieeinspeiseeinheit zur Energieaufnahme und der Energieextraktionseinheit zur Energieabgabe betrieben werden. Ein solcher Betrieb der Energietransferkomponente kann besonders vorteilhaft zur kurzfristigen Energiespeicherung eingesetzt werden, um beispielsweise Lastspitzen im Netz zwischenzuspeichern. Damit lassen sich auch besonders kompakte Energiespeichersysteme realisieren.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann die Energietransferkomponente in einem kontinuierlichen Umlaufbetrieb die Energieeinspeiseeinheit und die Energieextraktionseinheit in Bewegungsrichtung nacheinander durchlaufen oder die Energietransferkomponente über die Energieeinspeiseeinheit als Energiespeicher mit thermischer Energie beladen werden, um zu einem späteren Zeitpunkt über eine Energieextraktionseinheit entladen zu werden. Ein solcher Betrieb der Energietransferkomponente kann besonders vorteilhaft zur kurzfristigen Energiespeicherung eingesetzt werden, um beispielsweise Lastspitzen im Netz zwischenzuspeichern. Damit lassen sich auch besonders kompakte Energiespeichersysteme realisieren.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann die Energietransferkomponente über die Energieeinspeiseeinheit mit Prozesswärme beladen werden. Auch die Verwendung von Prozesswärme beispielsweise eines Kraftwerks kann zur Speicherung von thermischer Energie in der Energietransferkomponente vorteilhaft eingesetzt werden, wenn mit der Prozesswärme ein Bauteil aufgeheizt wird, an dem die Energietransferkomponente vorbeitransportiert werden kann.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann das Energiespeichersystem zur kurzfristigen oder mittelfristigen Zwischenspeicherung, insbesondere im Bereich mehrerer Stunden oder weniger Tage, von elektrischer Energie verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vorteilhaft, um Lastspitzen im Netzbetrieb abzufangen durch kurzzeitige Speicherung elektrischer Energie in Form von Wärme, bzw. kurzzeitigen Abruf von thermischer Energie aus dem Energiespeicher zur Umwandlung in elektrische Energie.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:

1 in einer schematischen Darstellung ein Energiespeichersystem nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Speicherrollen zum Speichern thermischer Energie;
2 in einer schematischen Darstellung ein Energiespeichersystem nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Walzenanordnung zum Speichern thermischer Energie;
3 in einer schematischen Darstellung ein Energiespeichersystem nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Wärmespeicherstruktur mit Blockspeichern zum Speichern thermischer Energie;
4 in einer schematischen Darstellung eine Energieextraktionseinheit eines Energiespeichersystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
5 in einer schematischen Darstellung eine Energieeinspeiseeinheit eines Energiespeichersystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Energiespeichersystem 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei als Speicherrollen 62 ausgebildete Energiespeichereinheiten 60 zum Speichern thermischer Energie.
Das Energiespeichersystem 100 umfasst eine Energieeinspeiseeinheit 102, eine Energietransferkomponente 104, zwei Energiespeichereinheiten 60 in Form von Speicherrollen 62, eine Energieextraktionseinheit 120, und eine Antriebseinheit 112 zum Bewegen der Energietransferkomponente 104. Die Energietransferkomponente 104 weist beim Laden und Entladen einen festen Aggregatzustand auf. Die Energietransferkomponente 104 ist als längliches Element ausgebildet, das zumindest im bestimmungsgemäßen Betrieb reversibel umlenkbar ist. Die Energietransferkomponente 104, welche beispielsweise als Stahlband ausgebildet sein kann, weist weiter einen zumindest temporären Einspeisebereich 106 für thermische Energie, einen zumindest temporären Abgabebereich 108 für thermische Energie sowie einen zumindest temporären Speicherbereich 110 für thermische Energie auf.
Bei der Energietransferkomponente 104 kann es sich um einen aufrollbaren Körper, beispielsweise ein Band, ein Seil, eine Schnur oder eine Kette handeln. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Stahl-Coil verwendet, welches in einer auf- und abwickelbaren Stärke vorliegt, ab hier auch als „Band 10“ bezeichnet. Als elektrothermischer Wandler bietet sich dann ein induktives Heizelement oder eine direkte Heizung mittels Ohm'schem Verlust an, womit elektrische Energie direkt in das Stahlband induziert werden kann. Dieses Band 10 wird dann über ein Rollensystem mit Umlenkrollen 40 an dem Heizelement vorbeitransportiert und in einem thermisch isolierten Bereich aufgewickelt. Die Speicherrollen 62 werden jeweils mit einer Antriebseinheit 112 gedreht. Zusätzlich oder alternativ können die Umlenkrollen 40 mit einer Antriebseinheit 112 ausgestattet sein. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Band 10 auf den beiden Speicherrollen 62 jeweils im umgekehrten Wickelsinn aufgerollt. Alternativ ist jedoch auch möglich, einen jeweils gleichsinnigen Wickelsinn der Speicherrollen 62 vorzusehen, um das Band 10 jeweils in derselben Richtung umzulenken, insbesondere reversibel zu biegen oder reversibel zu verformen, was auf die Materialbeständigkeit u.U. eine positive Auswirkung haben kann.
Im thermisch isolierten Bereich kann das aufgewickelte Band 10 für längere Zeit, insbesondere im Bereich von mehreren Stunden oder von wenigen Tagen, gelagert werden, ohne dass ein nennenswerter Wärmeverlust auftritt. Soll die Energie wieder abgerufen werden, wird das Stahlband über wärmetauschende Rollen abgewickelt, die die thermische Energie z.B. auf einen Flüssigkeitsübertrager und/oder Dampfturbinenkreislauf übertragen, der auf bekannte Weise daraus Strom generiert.
Thermische Energie wird in der Energietransferkomponente 104 in dem zumindest temporären Speicherbereich 110 gespeichert, wenn die Energietransferkomponente 104 und die Energieeinspeiseeinheit 102 in einem zumindest temporären Einspeisebereich 106 in engem Kontakt angeordnet sind und relativ zueinander bewegt werden, wobei die thermische Energie von der Energieeinspeiseeinheit 102 auf die Energietransferkomponente 104 übertragen wird.
Die gespeicherte thermische Energie kann aus der Energietransferkomponente 104 wieder entzogen werden, wenn die Energietransferkomponente 104 und die Energieextraktionseinheit 120 in dem zumindest temporären Abgabebereich 108 in engem Kontakt angeordnet sind und relativ zueinander bewegt werden, wobei thermische Energie von der Energietransfereinheit 104 auf die Energieextraktionseinheit 120 übertragen wird und die thermische Energie durch die Energieextraktionseinheit 120 in elektrische Energie umgewandelt wird.
Die Energietransferkomponente 104 wird so als Energiespeicher 60 über die Energieeinspeiseeinheit 102 mit thermischer Energie beladen, um zu einem späteren Zeitpunkt über eine Energieextraktionseinheit 120 entladen zu werden. So kann das Energiespeichersystem 100 zur kurzfristigen oder mittelfristigen Zwischenspeicherung von elektrischer Energie verwendet werden.
Die Energietransferkomponente 104 kann beispielsweise als Kette, Schnur oder Band 10, ausgebildet sein, um zwischen den beiden Speicherrollen 62 vor und zurück transportiert zu werden bzw. von diesen abgerollt und auf diese aufgerollt zu werden.
Die Speicherrollen 62 als Energiespeichereinheiten 60 sind jeweils in einem Gehäuse 50 angeordnet, wobei die Energieeinspeiseeinheit 102 ebenfalls in dem einen der beiden Gehäuse 50 angeordnet ist. Das Speichergehäuse 52 zur Lagerung einer oder mehrerer thermisch beladener Speicherrollen 62 ist thermisch isoliert.
Auf einer der beiden Speicherrollen 62 ist die Energietransferkomponente 104 im thermisch beladenen Zustand zumindest mit ihrem Speicherbereich 110 in mehreren Lagen aufgerollt. Es sind wenigstens zwei Speicherrollen 62 vorgesehen, wobei eine der Speicherrollen 62 zur Aufnahme der Energietransferkomponente 104 mit einer hohen Temperatur und die andere der Speicherrollen 62 zur Aufnahme der Energietransferkomponente 104 mit einer niedrigen Temperatur vorgesehen ist.
Die Energieeinspeiseeinheit 102 zum thermischen Beladen der Energietransferkomponente 104 ist in Bewegungsrichtung der Energietransferkomponente 104 vor der Energiespeichereinheit 60 angeordnet.
Die Energieeinspeiseeinheit 102 ist als elektrothermischer Wandler ausgebildet. Insbesondere kann die Energieeinspeiseeinheit 102 zur Wärmezufuhr in die Energietransfereinheit 104 ein induktives Heizelement 26 und/oder ein direktes Heizelement aufweisen. Alternativ kann die Energieeinspeiseeinheit 102 auch eine Lichtquelle zum Aufheizen der Energietransferkomponente 104 aufweisen.
Die Energieextraktionseinheit 120, auch als Power Extractor (PE) bezeichnet, ist als thermoelektrischer Wandler ausgebildet. Insbesondere kann die Energieextraktionseinheit 120 einen Energieübertrager, insbesondere einen Flüssigkeitsübertrager und/oder einen Dampfturbinenkreislauf aufweisen, welcher mit einem Stromgenerator eines Kraftwerks 32, als Power Plant (PP) bezeichnet, gekoppelt ist. In 1 ist das Kraftwerk 32 über Rohre 20 mit der Energieextraktionseinheit 120 verbunden, welche beispielsweise zum Transport von heißem Dampf vorgesehen sein können. Energieextraktionseinheit 120 und Kraftwerk 32 bilden zusammen die Energieabgabeeinheit 130.
Die Energietransferkomponente 104, welche beispielsweise als Stahlband 10 ausgebildet sein kann, ist auf den beiden Speicherrollen 62 der Energiespeichereinheit 60 aufgerollt und wird bei Bedarf zwischen den beiden Speicherrollen 62 vor und zurück transportiert. Das Band 10 ist beispielsweise auf der in der Figur unteren Speicherrolle 62 im kalten Zustand und wird über die Umlenkrollen 40, welche eine integrierte oder angekoppelte Antriebseinheit 112 aufweisen, in das Gehäuse 50 der oberen Speicherrolle 62 transportiert. Dabei durchläuft das Band 10 die mit einem Heizelement 26 versehene Energieeinspeiseeinheit 102, über welche jeweils ein Einspeisebereich 106 des Bandes 10 mit thermischer Energie beladen wird. Das heiße Band 10 wird auf die obere Speicherrolle 62 aufgerollt. Das Gehäuse 50 ist zu dem Zweck als thermisch isoliertes Gehäuse 52 ausgebildet. Auf diese Weise kann elektrische Energie in Form von thermischer Energie gespeichert werden.
Soll die elektrische Energie zurückgewonnen werden, wird das Band 10 in die andere Richtung transportiert, nämlich von der oberen Speicherrolle 62 abgerollt und auf die untere Speicherrolle 62 wieder aufgerollt. Dabei durchläuft das heiße Band 10 die Energieextraktionseinheit 120 der Energieabgabeeinheit 130, wo dem Band 10 in einem Abgabebereich 108 die Wärme entzogen wird, um beispielsweise damit Wasserdampf zu erzeugen. Dieser Wasserdampf wird über Rohre 20 in den Stromgenerator des Kraftwerks 32 geleitet, wo in Dampfturbinen elektrischer Strom 34 (als „PO“ bezeichnet) erzeugt wird. Das Band 10 tritt mit einer hohen Temperatur, mit „H“ symbolisiert in Transportrichtung, mit dem Pfeil gekennzeichnet, in die Energieextraktionseinheit 120 und verlässt diese mit einer niedrigen Temperatur, mit „C“ symbolisiert.
Über die Rollgeschwindigkeit des Bandes 10 kann die einspeisbare und abführbare Leistung über einen großen Leistungsbereich hinweg variiert werden. Beispielsweise kann ein Band 10 als Stahl-Coil (25t) mit einer Bandbreite von 1.5m und einer Dicke von 2mm wird für die Speicherung verwendet werden. Pro gefördertem Meter Stahlband 10 können somit 1,5 kWh Wärme (bei einer Temperaturdifferenz ΔT = 500K, und einer Wärmekapazität C_p = 0,5 kJ/kgK) beladen werden. Bei einer Fördergeschwindigkeit von 3 m/s entspricht dies einer Be- und Entladeleistung von 18 MW_th. Die Leistung kann durch eine Erhöhung der Fördergeschwindigkeit oder eine parallele Anordnung von mehreren Speichersystemen vervielfacht werden. Die thermisch beladenen Stahlbänder können in einem kompakten, thermisch isolierten Tanksystem gespeichert werden, in dem Verluste von typischerweise -1 %/Tag auftreten.
In einer weiteren Variante ist es vorteilhaft, einen auf die Betriebstemperatur angepassten Edelstahl als Band 10 einzusetzen, um Korrosion zu vermeiden. Alternativ kann das Energiespeichersystem 100 auch unter Schutzgasatmosphäre betrieben werden.
Um die Kosten für das Wärmespeichermaterial zu senken, ist es möglich, die thermische Energie zunächst elektrisch in einem Walzensystem 70 zu deponieren. Das Band 10 wird dann an allen Walzen 64 vorbeigeführt und kann so deren thermische Energie aufnehmen. Die Walzen selber verfügen potentiell über ein eigenes Heizelement und einen vor Korrosion geschützten Innenraum. In dem Innenraum kann somit ein preiswerter Wärmespeicher untergebracht sein, der vorzugsweise auch als Festkörper vorliegt.
In 2 ist in einer schematischen Darstellung ein Energiespeichersystem 100 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Walzenanordnung 70 zum Speichern thermischer Energie dargestellt.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform weist die Energieeinspeiseeinheit 102 die Walzenanordnung 70 auf, über welche die Energietransferkomponente 104 geführt ist. Die Energiespeichereinheiten 60 sind dabei als Speicherwalzen 64 ausgebildet, mit welcher die Energietransferkomponente 104 mit ihrem Speicherbereich 110 beim thermischen Beladen in Wirkverbindung steht. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Energieeinspeiseeinheit 102 die Energiespeichereinheit 60.
Die Energietransferkomponente 104 ist als Durchlaufelement oder Umlaufelement oder Endloselement ausgebildet, das zumindest die Energieeinspeiseeinheit 102 zur Energieaufnahme und die Energieextraktionseinheit 120 zur Energieabgabe durchläuft. Die Energietransferkomponente 104 durchläuft in einem kontinuierlichen Umlaufbetrieb die Energieeinspeiseeinheit 102 und die Energieextraktionseinheit 120 in Bewegungsrichtung nacheinander. Das Band 10 wird beim Passieren der Speicherwalzen 64 mehrfach umgelenkt.
Die Speicherwalzen 64 weisen integrierte Heizelemente 26 auf, welche die Speicherwalzen 64 aufheizen. Beim Transport der als Band 10 ausgebildeten Energietransferkomponente 104 über die Speicherwalzen 64 heizen diese das Band 10 in dem Einspeisebereich 106 auf. Dadurch werden Speicherbereiche 110 auf dem Band 10 mit thermischer Energie beladen, welche aus elektrischem Strom über die Heizelemente 26 umgewandelt wird.
Optional können auch eine oder mehrere der Speicherwalzen 64 zusätzlich oder alternativ zu den Umlenkrollen 40 eine Antriebseinheit 112 aufweisen.
Die Entnahme der thermischen Energie aus dem Energiespeichersystem 100 und Rückumwandlung in elektrischen Strom kann auf dieselbe Weise erfolgen, wie in 1 bereits dargestellt. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird deshalb auf die Beschreibung in 1 verwiesen.
Bei großen Energiespeichersystemen 100 ist es auch möglich, die Energie über Wärmestrahlung aus dem Wärmespeicher zu entziehen. Hierfür wird das Band 10 an einer baulichen Wärmespeicherstruktur 80 aus festem Material in mäanderförmiger Form über Walzen 12 vorbeigefuhrt. Das Band 10 steht nicht im direkten Kontakt mit der Wärmespeicherstruktur 80, wird allerdings nach einem Durchlauf auf die Innentemperatur des Wärmespeichers aufgeheizt, ähnlich einem Steinofen. Die Deposition der hierfür notwendigen Energie erfolgt gleichmäßig verteilt über die Wärmespeicherstruktur 80 durch z.B. Ohm'sche Verlustwärme.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Energiespeichersystem 100 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Wärmespeicherstruktur 80 mit Blockspeichern 66 als Energiespeichereinheit 60 zum Speichern thermischer Energie.
Eine Energiespeichereinheit 60 weist dabei wenigstens einen Blockspeicher 66 auf, in diesem Beispiel neun Blockspeicher 66, mit welchem die Energietransferkomponente 104 mit ihrem Speicherbereich 110 beim thermischen Beladen in Wirkverbindung, insbesondere mittels thermischer Strahlung, steht. Die Energieeinspeiseeinheit 102, welche beispielsweise als Heizelemente 26 ausgebildet ist, umfasst die Energiespeichereinheit 60, da die Heizelemente 26 in dem Blockspeicher 66 integriert sind.
Das Band 10 tritt in kaltem Zustand in die Wärmespeicherstruktur 80 ein und wird zwischen den Blockspeichern 66 geführt und mehrfach an Walzen 12 umgelenkt Dabei wird das Band 10 in dem Einspeisebereich 106 über die mit den Heizelementen 26 aufgeheizten Blockspeicher 66 mittels thermischer Strahlung aufgeheizt. Dadurch werden Speicherbereiche 110 auf dem Band 10 mit thermischer Energie beladen, welche aus elektrischem Strom über die Heizelemente 26 umgewandelt wird.
Optional können auch eine oder mehrere der Walzen 12 zusätzlich oder alternativ zu den Umlenkrollen 40 eine Antriebseinheit 112 aufweisen.
Die Entnahme der thermischen Energie aus dem Energiespeichersystem 100 und Rückumwandlung in elektrischen Strom kann auf dieselbe Weise erfolgen, wie in 1 bereits dargestellt. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird deshalb auf die Beschreibung in 1 verwiesen.
In 4 ist in einer schematischen Darstellung eine Energieextraktionseinheit 120 eines Energiespeichersystems 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dabei weist die Energieextraktionseinheit 120 eine Walzenanordnung 36 auf, über welche die Energietransferkomponente 104 geführt ist. Die Walzenanordnung 36 ist als Wärmetauscher mit einem ein wärmeaufnehmendes Fluid aufweisenden Rohr 20 ausgebildet.
Die beispielsweise als Band 10 ausgebildete Energietransferkomponente 104 tritt mit hoher Temperatur („H“) an einem Eingang 14 in die Energieextraktionseinheit 120 ein. Das Band 10 wird in der Energieextraktionseinheit 120 über Walzen 12 geführt. Die Walzen 12 sind beispielsweise über ihre Naben 13 mit einem Rohr 20 verbunden, welches von einem wärmeaufnehmenden Fluid durchströmt ist.
Das Rohr 20 ist mit einem Stromgenerator eines Kraftwerks 32 verbunden und tritt mit kaltem Fluid („C“) an einem Einlass 22 in die Energieextraktionseinheit 120 ein. Die Walzen 12 werden im Abgabebereich 108 des heißen Bandes 10 aufgewärmt und übertragen die Wärme auf das in dem Rohr 20 strömende Fluid. Das heiße Fluid („H“) verlässt über das Rohr 20 an dem Auslass 24 die Energieextraktionseinheit 120 und treibt beispielsweise eine Dampfturbine im Stromgenerator des Kraftwerks 32 an. Das Band 10 hat sich dadurch, dass es während dem Transport über die Walzen 12 Wärme an das Fluid abgegeben hat, abgekühlt und tritt in kaltem Zustand („C“) am Ausgang 16 aus der Energieextraktionseinheit 120 wieder aus.
Die Energieübertragung von der Energietransferkomponente 104 auf die Energieextraktionseinheit 120 ist dabei als Wärmefluss nach dem Gegenstromprinzip angeordnet vorgesehen, um die Energieumwandlung von thermischer Energie in elektrischen Strom möglichst effizient zu gestalten.
In ähnlicher Weise lässt sich auch eine Energieeinspeiseeinheit 102 eines Energiespeichersystems 100 mittels der Versorgung mit Prozesswärme darstellen.
5 zeigt in einer schematischen Darstellung eine solche Energieeinspeiseeinheit 102 eines Energiespeichersystems 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei weist die Energieeinspeiseeinheit 102 eine Walzenanordnung 36 auf, über welche die Energietransferkomponente 104 geführt ist. Die Walzenanordnung 36 ist als Wärmetauscher mit einem ein wärmeaufnehmendes Fluid aufweisenden Rohr 20 ausgebildet.
Dabei wird das Rohr 20 mit Prozesswärme aus einem Kraftwerk 32 versorgt, sodass heißes Fluid („H“) im Rohr 20 am Einlass 22 der Energieeinspeiseeinheit 102 eintritt. Die Walzen 12 sind über ihre Naben 13 mit dem Rohr 20 verbunden, welches von dem heißen Fluid durchströmt ist und werden von dem Fluid aufgeheizt.
Das Band 10 tritt in kaltem Zustand („C“) am Eingang 14 in die Energieeinspeiseeinheit 102 ein und wird über die Walzen 12 im Einspeisebereich 106 des Bandes 10 wiederum aufgeheizt. Das Band 10 erhitzt sich beim Transport über die Walzen 12 sukzessive und tritt in heißem Zustand („H“) am Ausgang 16 wieder aus der Energieeinspeiseeinheit 102 aus. Die Energietransferkomponente 104 kann so über die Energieeinspeiseeinheit 102 mit Prozesswärme beladen werden.
Das Fluid im Rohr 20 hat sich durch den Wärmetransfer abgekühlt und tritt kalt am Auslass 24 aus der Energieeinspeiseeinheit 102 aus, von wo es zum Kraftwerk 32 zurückströmt.
Die Energieübertragung von der Energietransferkomponente 104 auf die Energieextraktionseinheit 120 ist auch hier als Wärmefluss nach dem Gegenstromprinzip angeordnet vorgesehen, um die Energieumwandlung von thermischer Energie in elektrischen Strom möglichst effizient zu gestalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4190616 C2 [0006]

Claims

Energiespeichersystem (100) zum Speichern von thermischer Energie, umfassend - eine Energieeinspeiseeinheit (102), - eine Energietransferkomponente (104), - wenigstens eine Energiespeichereinheit (60), - eine Energieextraktionseinheit (120), - eine Antriebseinheit (112) zum Bewegen der Energietransferkomponente (104), wobei die Energietransferkomponente (104) beim Laden und Entladen einen festen Aggregatzustand aufweist, und als längliches Element ausgebildet ist, das zumindest im bestimmungsgemäßen Betrieb reversibel um wenigstens 45° umlenkbar ist, wobei die Energietransferkomponente (104) einen zumindest temporären Einspeisebereich (106) für thermische Energie, einen zumindest temporären Abgabebereich (108) für thermische Energie sowie einen zumindest temporären Speicherbereich (110) für thermische Energie aufweist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 1, wobei die Energietransferkomponente (104) als Durchlaufelement oder Umlaufelement oder Endloselement ausgebildet ist, das zumindest die Energieeinspeiseeinheit (102) zur Energieaufnahme und die Energieextraktionseinheit (120) zur Energieabgabe durchläuft.
Energiespeichersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Energietransferkomponente (104) als Band, Kette oder Schnur ausgebildet ist.
Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energiespeichereinheit (60) in einem Gehäuse (50) angeordnet ist und/oder wobei die Energieeinspeiseeinheit (102) in einem Gehäuse (50) angeordnet ist.
Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energiespeichereinheit (60) wenigstens eine Speicherrolle (62) aufweist, auf welche die Energietransferkomponente (104) im thermisch beladenen Zustand zumindest mit ihrem Speicherbereich (110) aufgerollt ist, insbesondere in mehreren Lagen aufgerollt ist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 5, wobei die Energieeinspeiseeinheit (102) zum thermischen Beladen der Energietransferkomponente (104) in Bewegungsrichtung der Energietransferkomponente (104) vor der Energiespeichereinheit (60) angeordnet ist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein thermisch isoliertes Speichergehäuse (52) zur Lagerung einer oder mehrerer thermisch beladener Speicherrollen (62) vorgesehen ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei wenigstens zwei Speicherrollen (62) vorgesehen sind, wobei eine der Speicherrollen (62) zur Aufnahme der Energietransferkomponente (104) mit einer hohen Temperatur und die andere der Speicherrollen (62) zur Aufnahme der Energietransferkomponente (104) mit einer niedrigen Temperatur vorgesehen ist.
Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Energiespeichereinheit (60) wenigstens einen Blockspeicher (66) aufweist, mit welchem die Energietransferkomponente (104) mit ihrem Speicherbereich (110) beim thermischen Beladen in Wirkverbindung, insbesondere mittels thermischer Strahlung, steht, insbesondere wobei die Energieeinspeiseeinheit (102) die Energiespeichereinheit (60) umfasst.
Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Energiespeichereinheit (60) als Speicherwalze (64) ausgebildet ist, mit welcher die Energietransferkomponente (104) mit ihrem Speicherbereich (110) beim thermischen Beladen in Wirkverbindung steht, insbesondere wobei die Energieeinspeiseeinheit (102) die Energiespeichereinheit (60) umfasst.
Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energieeinspeiseeinheit (102) als elektrothermischer Wandler ausgebildet ist, insbesondere wobei die Energieeinspeiseeinheit (102) zur Wärmezufuhr in die Energietransfereinheit (104) ein induktives Heizelement (26) und/oder ein direktes Heizelement und/oder eine Lichtquelle aufweist, und/oder wobei die Energieeinspeiseeinheit (102) zum Einspeisen von Prozesswärme in die Energietransferkomponente (104) ausgebildet ist.
Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energieextraktionseinheit (120) als thermoelektrischer Wandler ausgebildet ist, insbesondere wobei die Energieextraktionseinheit (120) einen Energieübertrager, insbesondere einen Flüssigkeitsübertrager und/oder einen Dampfturbinenkreislauf aufweist, welcher mit einem Stromgenerator 32 gekoppelt ist.
Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energieextraktionseinheit (120) und/oder die Energieeinspeiseeinheit (102) eine Walzenanordnung (36) aufweist, über welche die Energietransferkomponente (104) geführt ist und wobei die Walzenanordnung (36) als Wärmetauscher mit einem ein wärmeaufnehmendes Fluid aufweisenden Rohr (20) ausgebildet ist.
Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energieübertragung von der Energieeinspeiseeinheit (102) auf die Energietransferkomponente (104) und von der Energietransferkomponente (104) auf die Energieextraktionseinheit (120) als Wärmefluss nach dem Gegenstromprinzip angeordnet vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Speichern von thermischer Energie, umfassend eine Energieeinspeiseeinheit (102), eine Energietransferkomponente (104), wenigstens eine Energiespeichereinheit (60), eine Energieextraktionseinheit (120), eine Antriebseinheit (112) zum Bewegen der Energietransferkomponente (104), wobei die Energietransferkomponente (104) beim Laden und Entladen einen festen Aggregatzustand aufweist und als längliches Element ausgebildet ist, das zumindest im bestimmungsgemäßen Betrieb reversibel um wenigstens 45° umlenkbar ist, wobei thermische Energie in der Energietransferkomponente (104) in einem zumindest temporären Speicherbereich (110) gespeichert wird, wenn die Energietransferkomponente (104) und die Energieeinspeiseeinheit (102) in einem zumindest temporären Einspeisebereich (106) in engem Kontakt angeordnet sind und relativ zueinander bewegt werden, wobei die thermische Energie von der Energieeinspeiseeinheit (102) auf die Energietransferkomponente (104) übertragen wird und wobei thermische Energie aus der Energietransferkomponente (104) entzogen wird, wenn die Energietransferkomponente (104) und die Energieextraktionseinheit (120) in einem zumindest temporären Abgabebereich (108) in engem Kontakt angeordnet sind und relativ zueinander bewegt werden, wobei thermische Energie von der Energietransfereinheit (104) auf die Energieextraktionseinheit (120) übertragen wird und wobei die thermische Energie durch die Energieextraktionseinheit (120) in elektrische Energie umgewandelt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems (100) nach Anspruch 15, wobei die Energietransferkomponente (104) als Durchlaufelement oder Umlaufelement oder Endloselement zwischen der Energieeinspeiseeinheit (102) zur Energieaufnahme und der Energieextraktionseinheit (120) zur Energieabgabe betrieben wird.
Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems (100) nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Energietransferkomponente (104) in einem kontinuierlichen Umlaufbetrieb die Energieeinspeiseeinheit (102) und die Energieextraktionseinheit (120) in Bewegungsrichtung nacheinander durchläuft oder wobei die Energietransferkomponente (104) über die Energieeinspeiseeinheit (102) als Energiespeicher (60) mit thermischer Energie beladen wird, um zu einem späteren Zeitpunkt über eine Energieextraktionseinheit (120) entladen zu werden.
Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems (100) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Energietransferkomponente (104) über die Energieeinspeiseeinheit (102) mit Prozesswärme beladen wird.
Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichersystems (100) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei das Energiespeichersystem (100) zur kurzfristigen oder mittelfristigen Zwischenspeicherung, insbesondere im Bereich von mehreren Stunden oder von wenigen Tagen, von elektrischer Energie verwendet wird.