DE102020110560A1

DE102020110560A1 - Verfahren zum Betreiben einer Thermopotentialspeicheranlage, Thermopotentialspeicheranlage, Steuerungsprogramm und computerlesbares Medium

Info

Publication number: DE102020110560A1
Application number: DE102020110560.6A
Authority: DE
Inventors: Sergej Belik
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2020-04-17
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Thermopotentialspeicheranlage (20) zur Speicherung elektrischer Energie unter Umwandlung in thermische Energie, bei dem in einem Beladevorgang unter Nutzung eines Wärmepumpenprozesses mittels eines Arbeitsmediums Niedertemperatur-Wärme aus der Niedertemperatur-Speichereinrichtung (22) entnommen wird und mittels der ersten Verdichter-/Turbinenanordnung (26) unter Zufuhr elektrischer Energie durch Verdichtung des Arbeitsmediums von Niederdruck auf Hochdruck in Hochtemperatur-Wärme, mit einem höheren Temperaturniveau als die Niedertemperatur-Wärme, angehoben wird, die in der Hochtemperatur-Speichereinrichtung (28) gespeichert wird, und in einem Entladevorgang unter Nutzung eines Wärmekraftprozesses die gespeicherte Hochtemperatur-Wärme mittels des Arbeitsmediums aus der Hochtemperatur-Speichereinrichtung (28) entnommen wird und mittels der ersten Verdichter-/Turbinenanordnung (26) unter Freisetzung elektrischer Energie in einer Entspannung des Arbeitsmediums von Hochdruck auf Niederdruck in Niedertemperatur-Wärme umgewandelt wird, die in der Niedertemperatur-Speichereinrichtung (22) gespeichert wird. Eine hohe Betriebsflexibilität und Kosteneffizienz ist dadurch erreichbar, dass die Thermopotentialspeicheranlage (20) auf der Niederdruckseite (38) zwischen der zweiten Verdichter-/Turbinenanordnung (32) und der Niedertemperatur-Speichereinrichtung (22) mit der Umgebung in Strömungsverbindung steht

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Thermopotentialspeicheranlage zur Speicherung elektrischer Energie unter Umwandlung in thermische Energie, umfassend eine auf einer Niederdruckseite angeordnete Niedertemperatur-Speichereinrichtung, eine auf einer Hochdruckseite angeordnete Hochtemperatur-Speichereinrichtung und eine Turbokomponentenanordnung mit einer ersten Verdichter-/Turbinenanordnung und einer zweiten Verdichter-/Turbinenanordnung, bei dem in einem Beladevorgang unter Nutzung eines Wärmepumpenprozesses mittels eines Arbeitsmediums Niedertemperatur-Wärme aus der Niedertemperatur-Speichereinrichtung entnommen wird und mittels der ersten Verdichter-/Turbinenanordnung unter Zufuhr elektrischer Energie durch Verdichtung des Arbeitsmediums von Niederdruck auf Hochdruck in Hochtemperatur-Wärme, mit einem höheren Temperaturniveau als die Niedertemperatur-Wärme, angehoben wird, die in der Hochtemperatur-Speichereinrichtung gespeichert wird, und in einem Entladevorgang unter Nutzung eines Wärmekraftprozesses die gespeicherte Hochtemperatur-Wärme mittels des Arbeitsmediums aus der Hochtemperatur-Speichereinrichtung entnommen wird und mittels der ersten Verdichter-/Turbinenanordnung unter Freisetzung elektrischer Energie in einer Entspannung des Arbeitsmediums von Hochdruck auf Niederdruck in Niedertemperatur-Wärme umgewandelt wird, die in der Niedertemperatur-Speichereinrichtung (zur Entnahme während des Beladevorgangs) gespeichert wird. Die Erfindung umfasst ferner eine Thermopotentialspeicheranlage, ein Steuerungsprogramm und ein computerlesbares Medium mit dem Steuerungsprogramm.
Sogenannte Thermopotentialspeicher (englisch „pumped heat energy storage“ - PHES) bieten ein großes Potenzial, elektrischen Speicherbedarf im Megawattstunden-bis Gigawattstunden-Maßstab zu decken, und dies zu vergleichbaren Kosten und ohne Landschaftseingriff, wie beispielsweise Pumpspeicherkraftwerke. Dennoch sind bei bisherigen Anlagen dieser Art die Kapitalkosten zu hoch, um einen wirtschaftlichen Einsatz unter prognostizierten Rahmenbedingungen zu gewährleisten.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist beispielsweise in der Veröffentlichung DESRUES, T et al. A thermal energy storage process for large scale electric applications. Applied Thermal Engineering, Nr. 30 (2010), S. 425-432 angegeben. Zum Betrieb der Thermopotentialspeicheranlage weist diese Nieder- und Hochtemperaturwärmetauscher auf, um durch Realeffekte (z. B. Reibung etc.) irreversibel erzeugte Wärme (nachstehend kurz „irreversible Wärme“) während des Betriebs aus der Anlage zu entfernen und die Eintrittstemperaturen der Turbokomponenten- (Verdichter- und/oder Turbinen-) Anordnungen auf ihren Sollwerten zu halten.
Weitere Thermopotentialspeicheranlagen sind in der WO 2009/044139 A2 , der CA 2969575 A1 , der WO 2019/013898 A1 und der US 2019/0162482 A1 offenbart.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Thermopotentialspeicheranlage flexibel und kosteneffizient betrieben werden kann, sowie eine flexibel und kosteneffizient betreibbare Thermopotentialspeicheranlage, ein entsprechendes Steuerungsprogramm und computerlesbares Medium mit dem Steuerungsprogramm.
Die Aufgabe wird für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, für die Thermopotentialspeicheranlage mit den Merkmalen des Anspruchs 7, für das Steuerungsprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und für das computerlesbare Medium mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass die Thermopotentialspeicheranlage (bzw. ein das Arbeitsmedium führendes Leitungssystem) auf der Niederdruckseite zwischen der zweiten Verdichter-/Turbinenanordnung und der Niedertemperatur-Speichereinrichtung mit der Umgebung (d. h. der Atmosphäre außerhalb der Thermopotentialspeicheranlage bzw. des das Arbeitsmedium führenden Leitungssystems) in Strömungsverbindung steht. In diesem sogenannten „offenen Betriebskonzept“ ist das System bzw. die Thermopotentialspeicheranlage geöffnet. Als Wärmesenke während des Beladevorgangs wird die Umgebung genutzt. Bei dem Entladevorgang kann Luft aus der Umgebung an der zweiten Verdichter-/Turbinenanordnung als Arbeitsmedium angesaugt und verdichtet werden. Stromab (bezüglich des Beladevorgangs) bzw. stromauf (bezüglich des Entladevorgangs) der zweiten Verdichter-/Turbinenanordnung liegen in diesem Falle Umgebungsbedingungen vor. Vorteilhafterweise kann so auf eine Kühleinrichtung auf der Hochdruckseite verzichtet werden, was wiederum mit einer Reduktion des Investitionskostenaufwands und der Systemkomplexität einhergeht. Insbesondere in Kombination mit der Anlagenauslegung zur asymmetrischen Betriebsführung mit Verzicht der niederdruckseitigen Kühleinrichtung kann mit dieser Variante eine erhebliche Investitionskostenersparnis erzielt werden, wobei keine Kühleinrichtung erforderlich ist. Zudem wird eine Unabhängigkeit von externen Wärmesenken zur Prozesskühlung einhergehend mit einer Unabhängigkeit von geologischen Gegebenheiten erreicht.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass bei dem Entladevorgang (bei der Entladung) ein größeres Druckverhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck (mittels einer Steuereinrichtung) vorgegeben wird als bei dem Beladevorgang (bei der Beladung). Der Niederdruck bei der Be- und Entladung entspricht dabei in der Regel einander. Durch diese, nachstehend auch als „asymmetrischer Betrieb“ (im Vergleich zum aus dem Stand der Technik bekannten „symmetrischen“ Betrieb, mit gleichen Druckverhältnissen) bezeichnete, Verfahrensführung wird eine erhöhte Betriebsflexibilität erreicht, durch die insbesondere kostenintensive Komponenten, wie beispielsweise Kühleinrichtungen, eingespart werden können. Möglich ist diese Ausführungsvariante auch unabhängig von dem offenen Betriebskonzept, d. h. bei geschlossenem System bzw. Kreislauf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist das Druckverhältnis (zumindest) derart größer, dass ein durch Irreversibilität verursachter Temperaturunterschied zwischen einer Beladeeintrittstemperatur, vor der Verdichtung des Arbeitsmediums während des Beladevorgangs, und einer Entladeaustrittstemperatur, nach der Entspannung des Arbeitsmediums während des Entladevorgangs, zumindest im Wesentlichen ausgeglichen wird. D.h., der Kreisprozess bzw. der Kreislauf wird so ausgelegt, dass die Entladeaustrittstemperatur im Wesentlichen der Beladeeintrittstemperatur entspricht (oder geringer ist). „Im Wesentlichen“ lässt einen geringen Unterschied zwischen den Temperaturen zu, wie sie beispielsweise durch geringfügige, reale Schwankungen im Prozessablauf entstehen können. Die Abweichungen können beispielsweise bis zu +/-10 % betragen. Durch diese Maßnahme wird die irreversible Wärme auf einen anderen Zustand innerhalb des Kreisprozesses „verschoben“, zum Beispiel stromauf und/oder stromab der zweiten Verdichter-/Turbinenanordnung. Eine dort vorhandene Kühleinrichtung kann beispielsweise entsprechend größer dimensioniert werden oder durch andere Maßnahmen, wie nachstehend beschrieben, ersetzt werden. So können die Anzahl der benötigten Kühleinrichtungen und damit verbundene Investitionskosten vorteilhaft reduziert werden.
Bei der Auslegung kann zum Beispiel von einer Thermopotentialspeicheranlage ausgegangen werden, bei welcher die realen Wirkungsgrade der Komponenten, insbesondere der ersten Verdichter-/Turbinenanordnung, bekannt sind. Die realen Wirkungsgrade berücksichtigen Energieverluste aufgrund der Realeffekte. Dadurch ergibt sich der Betrag der irreversiblen Wärme bzw. der daraus resultierende Temperaturunterschied, der bei dem bekannten symmetrischen Betrieb in der Regel durch die entsprechend positionierte und ausgelegte Kühleinrichtung ausgeglichen wird. Anstelle nun eine derartige, entsprechend dimensionierte Kühleinrichtung zum Temperaturausgleich vorzusehen, wie aus dem Stand der Technik für die symmetrische Betriebsführung bekannt, wird unter Verwendung der Gleichung für eine polytrope Zustandsänderung des idealen Gases bestimmt, wie das Druckverhältnis während des Entladevorgangs zu vergrößern ist, um den besagten Temperaturunterschied zumindest im Wesentlichen zu egalisieren.
Alternativ oder zusätzlich kann das Druckverhältnis derart größer vorgegeben werden, dass ein externer Wärmebedarf (d. h. ein Bedarf an von außerhalb der Thermopotentialspeicheranlage erzeugter Wärme, die der Thermopotentialspeicheranlage zugeführt bzw. in diese eingekoppelt wird) entsteht, der während des Beladevorgangs, insbesondere vor Verdichtung, oder während des Entladevorgangs, insbesondere nach Entspannung, durch Einkopplung externer (Niedertemperatur-)Wärme auf der Niederdruckseite gedeckt wird. Der externe Wärmebedarf entsteht, wenn die Entladeaustrittstemperatur geringer ist als die Beladeeintrittstemperatur. Zur Reduktion der Größe der Niedertemperatur-Speichereinrichtung kann dieser externe Wärmebedarf bzw. Temperaturunterschied insbesondere durch Wärmezufuhr während des Beladevorgangs gedeckt werden. Die Größe des Temperaturunterschieds kann dabei beispielsweise in Abhängigkeit einer zur Einkopplung zur Verfügung stehenden Wärmemenge über ein entsprechendes Druckverhältnis vorgegeben bzw. eingestellt werden. Zur Schließung des Kreisprozesses ist diese Variante insbesondere sinnvoll, wenn außerhalb der Thermopotentialspeicheranlage eine Wärmemenge zur Verfügung steht. Zur Einkopplung der externen Wärme weist die Thermopotentialspeicheranlage dann vorzugsweise eine entsprechende Einrichtung auf, insbesondere eine Wärmetauscheinrichtung. Auf diese Weise kann vorteilhaft die Größe der Niedertemperatur-Speichereinrichtung und/oder der Betriebsdruck und damit der Aufwand der Behälterkonstruktionen für die Speichereinrichtung/en reduziert werden.
Vorzugsweise wird das Druckverhältnis bei dem Beladevorgang und/oder bei dem Entladevorgang, z. B. in Abhängigkeit des Betrags (der Höhe) des externen Wärmebedarfs, gesteuert und/oder geregelt. So kann die Höhe des Unterschieds der Druckverhältnisse, d. h. die Höhe der Asymmetrie, bedarfsgerecht angepasst werden. Die Steuereinrichtung der Thermopotentialspeicheranlage umfasst dabei ein entsprechendes Steuerungsprogramm zur Durchführung des Verfahrens. So kann beispielsweise bei einer Thermopotentialspeicheranlage ohne eine auf der Niederdruckseite angeordnete Kühleinrichtung das Druckverhältnis so geregelt werden, dass der Temperaturunterschied egalisiert wird und/oder, bei entsprechender von außen zur Verfügung stehender Wärme, das Druckverhältnis noch weiter voneinander abweicht, um einen externen Wärmebedarf zu erzeugen. Das Druckverhältnis kann dann zum Beispiel in Abhängigkeit des Vorhandenseins bzw. der Höhe des externen Wärmebedarfs gesteuert bzw. geregelt werden. Auf diese Weise wird eine hohe Flexibilität des Anlagenbetriebs erreicht, wodurch zur Verfügung stehende Energien optimiert nutzbar sind. So kann externe Wärme beispielsweise aus einem Industrieprozess und/oder einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem in die Thermopotentialspeicheranlage eingekoppelt und bei deren Entladung verstromt werden.
In einer weiteren Verfahrensvariante wird bei dem Beladevorgang nach der Verdichtung und vor der Speicherung in der Hochtemperatur-Speichereinrichtung isobar (zum Beispiel elektrisch und/oder fossil) zugeheizt. Dabei wird der Thermopotentialspeicheranlage bzw. dem Kreislauf Hochtemperatur-Wärme (Wärme auf der Hochdruckseite) zugeführt. Zu diesem Zweck umfasst die Thermopotentialspeicheranlage eine entsprechende Einrichtung, beispielsweise eine Wärmeerzeugungseinrichtung, wie einen Brenner und/oder eine elektrischen Zuheizung, und/oder eine Übertragungseinrichtung zur Übertragung von innerhalb der Thermopotentialspeicheranlage und/oder extern erzeugter Wärme. Durch diese Maßnahme kann die Speicherdichte erhöht werden, wodurch bei gleicher Leistung der Turbokomponenten eine kompaktere Hochtemperatur-Speichereinrichtung verwendbar ist. Weiterhin wird der benötigte Massenstrom reduziert, wodurch die Größe der Turbokomponenten einhergehend mit einer Reduktion der Komponentenkosten verringert werden kann.
Zur Kosteneffizienz und einfachen Anlagengestaltung trägt bei, wenn als Arbeitsmedium Luft verwendet wird.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine Thermopotentialspeicheranlage zur Speicherung elektrischer Energie unter Umwandlung thermische Energie, umfassend eine auf einer Niederdruckseite angeordnete Niedertemperatur-Speichereinrichtung, eine auf einer Hochdruckseite angeordnete Hochtemperatur-Speichereinrichtung, eine Turbokomponentenanordnung mit einer ersten Verdichter-/Turbinenanordnung und einer zweiten Verdichter-/Turbinenanordnung, und eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das vorstehend angegebene Verfahren durchzuführen.
Ausführungsvarianten der Thermopotentialspeicheranlage sind in Zusammenhang mit dem vorstehend angegebenen erfindungsgemäßen Verfahren sinngemäß beschrieben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Fließschema einer Thermopotentialspeicheranlage gemäß dem Stand der Technik,
2 ein Zustandsdiagramm mit einem simulierten Verfahren gemäß dem Stand der Technik, wie es mit der Thermopotentialspeicheranlage gemäß 1 durchgeführt werden kann,
3 ein Fließschema einer erfindungsgemäßen Thermopotentialspeicheranlage, die auf der Niederdruckseite eine Strömungsverbindung zur Umgebung aufweist,
4 ein Zustandsdiagramm mit einem erfindungsgemäßen Verfahren, wie es mit der Thermopotentialspeicheranlage gemäß 3 durchgeführt werden kann,
5 ein Zustandsdiagramm mit einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie es mit der Thermopotentialspeicheranlage gemäß 3 durchgeführt werden kann, und
6 ein Zustandsdiagramm mit einem simulierten Verfahren mit asymmetrischer Betriebsführung, wie es mit einer Thermopotentialspeicheranlage gemäß 1 mit entsprechend ausgebildeter Steuereinrichtung durchgeführt werden kann.

1 zeigt ein Fließschema einer Thermopotentialspeicheranlage 20 gemäß dem Stand der Technik, wie sie zur Speicherung elektrischer Energie unter Umwandlung in thermische Energie verwendet wird. Dabei wird Energie in Form von Hochtemperatur-Wärme eingespeichert, die bei Entnahme unter Transformation von Hochtemperatur- in Niedertemperatur-Wärme (mit einer geringeren Temperatur als die Hochtemperatur-Wärme) wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird. Idealisiert betrachtet sieht das Arbeitsprinzip einer derartigen Thermopotentialspeicheranlage 20 bei der Beladung einen linksläufigen und bei der Entladung einen rechtsläufigen Carnot-Prozess vor. Als im Kreis geführtes Arbeitsmedium wird insbesondere Luft verwendet.
In dem in 1 gezeigten Fließschema sind vier Quadranten bezeichnet, in denen das Arbeitsmedium in einem thermodynamischen Zustand 1, 2, 3 oder 4 (Beladevorgang) bzw. 1', 2', 3' oder 4' (Entladevorgang) vorliegt. Die Flussrichtung des Arbeitsmediums bzw. von Energieströmen ist mit Pfeilen (Beladevorgang: durchgezogene Pfeile, Entladevorgang: gestrichelte Pfeile) veranschaulicht.
Die Thermopotentialspeicheranlage 20 weist eine Niederdruckseite 36 und eine Hochdruckseite 38 auf. Auf der Niederdruckseite 36 umfasst die Thermopotentialspeicheranlage 20 eine Niedertemperatur-Speichereinrichtung 22 zur Speicherung von Niedertemperatur-Wärme. Die Niedertemperatur-Speichereinrichtung 22 weist insbesondere eine Niedertemperatur-Speicherkomponente 220 und eine Wärmetauscheinrichtung 222 auf, mittels der im Betrieb Niedertemperatur-Wärme 224, 226 zwischen dem Arbeitsmedium und der Niedertemperatur-Speicherkomponente 220 übertragen wird.
Auf der Hochdruckseite 38 umfasst die Thermopotentialspeicheranlage 20 eine Hochtemperatur-Speichereinrichtung 28 zur Speicherung von Hochtemperatur-Wärme. Die Hochtemperatur-Speichereinrichtung 28 ist vorzugsweise als Regeneratorspeicher ausgebildet, der unmittelbar von dem Arbeitsmedium durchströmt wird und somit keine zwischengeschaltete Wärmetauscheinrichtung 282 benötigt (hier nicht gezeigt). Alternativ kann die Hochtemperatur-Speichereinrichtung 28 eine Hochtemperatur-Speicherkomponente 280 und die Wärmetauscheinrichtung 282 aufweisen, mittels der im Betrieb Hochtemperatur-Wärme 284, 286 zwischen dem Arbeitsmedium und der Hochtemperatur-Speicherkomponente 280 übertragen wird.
Zur Änderung des Arbeitsdrucks von einem Niederdruck auf einen Hochdruck (oberhalb des Niederdrucks) bzw. umgekehrt weist die Thermopotentialspeicheranlage 20 eine Turbokomponentenanordnung 27 auf.
Die Turbokomponentenanordnung 27 umfasst eine erste Verdichter-/Turbinenanordnung 26 mit einer Verdichter-/Turbinenkomponente 260 zur Verdichtung bzw. Entspannung des Arbeitsmediums und mit einer Motor-/Generatoreinrichtung 262 zur Einkopplung von Verdichterarbeit 264 bzw. Auskopplung von Turbinenenergie 266 im Betrieb. Die erste Verdichter-/Turbinenanordnung 26 überführt das Arbeitsmedium im Betrieb von Niederdruck auf Hochdruck bzw. dem Zustand 4 auf den Zustand 3 (Beladevorgang) oder von Hochdruck auf Niederdruck bzw. den Zustand 3 auf den Zustand 4 (Entladevorgang).
Weiterhin umfasst die Turbokomponentenanordnung 27 eine zweite Verdichter-/Turbinenanordnung 32 mit einer Verdichter-/Turbinenkomponente 320 zur Verdichtung bzw. Entspannung des Arbeitsmediums und mit einer Motor-/Generatoreinrichtung 322 zur Einkopplung von Verdichterarbeit 326 bzw. Auskopplung von Turbinenarbeit 324 im Betrieb. Die zweite Verdichter-/Turbinenanordnung 32 überführt das Arbeitsmedium im Betrieb von Hochdruck auf Niederdruck bzw. dem Zustand 2 auf den Zustand 1 (Beladevorgang) oder von Niederdruck auf Hochdruck bzw. dem Zustand 1' auf den Zustand 2' (Entladevorgang).
Die erste Verdichter-/Turbinenanordnung 26 und die zweite Verdichter-/Turbinenanordnung 32 sind zweckmäßigerweise mit einer Koppeleinrichtung 34, insbesondere einer Welle, miteinander mechanisch gekoppelt, so das mechanische Energie zwischen den beiden Verdichter-Turbinenanordnungen 26, 32 übertragbar ist. Insbesondere kann die Turbinenarbeit 324 als ein Teil der Verdichterarbeit 264 zum Betrieb der ersten Verdichter-/Turbinenkomponente 260 eingekoppelt werden, bzw. die Turbinenarbeit 266 teilweise als Verdichterarbeit 326 zum Betrieb der zweiten Verdichter-/Turbinenkomponente 260.
Zur Abfuhr von durch Realverluste (insbesondere Reibung) entstehender, irreversibel erzeugter Wärme (nachfolgend kurz „irreversible Wärme“) umfasst die Thermopotentialspeicheranlage 20 zudem vorliegend beispielhaft zwei Kühleinrichtungen 24, 30, jeweils einen auf der Hochdruck-Seite 38 und einen auf der Niederdruck-Seite 36. Die Kühleinrichtungen 24, 30 dienen, für eine sichere, zyklische Betriebsführung, dazu, die durch einzelne Komponenten (insbesondere der Turbokomponentenanordnung 27) erzeugte irreversible Wärme aus der Thermopotentialspeicheranlage 20 abzuführen.
Ferner umfasst die Thermopotentialspeicheranlage 20 eine hier nicht gezeigte Steuereinrichtung zur Steuerung des Verfahrens während des Belade- und/oder Entladevorgangs.
Der Beladevorgang bei Beladung und der Entladevorgang bei Entladung der Thermopotentialspeicheranlage 20 sind in 2 in einem Temperatur(T)-Entropie(s)-Zustandsdiagramm 40 veranschaulicht. Neben einer Temperatur 42 in °C und einer Entropie 44 in kJ/kgK zeigt das Zustandsdiagramm 40 Linien konstanten Drucks (Isobaren 46), wobei die Höhe des Drucks in bar angegeben ist. Die Zustandsänderungen zwischen den Zuständen 1, 2, 3 und 4 sind für den Beladevorgang in durchgezogenen Linien und für den Entladevorgang, zwischen den Zuständen 1', 2', 3' und 4', in gestrichelten Linien dargestellt. Die Zustandsgrößen Temperatur T und Druck p werden nachfolgend für den Beladevorgang mit dem Index „bel“ und für den Entladevorgang mit dem Index „ent“ gekennzeichnet.
Bei dem Beladevorgang wird ein Wärmepumpenprozess genutzt, wobei in dem Kreislauf in 2 die Zustände 1, 4, 3, 2 aufeinanderfolgen. Zunächst liegt das Arbeitsmedium in dem Zustand 1 vor, der beispielhaft eine Temperatur T_1,bel von etwa -100 °C und einem Druck p_1,bel von 1 bar aufweist. Der Druck p_1,bel entspricht dem Niederdruck. Ausgehend von dem Zustand 1 wird mittels des Arbeitsmediums Niedertemperatur-Wärme aus der Niedertemperatur-Speichereinrichtung 22 entnommen, wobei eine isobare Zustandsänderung 1-4 auf den Zustand 4, mit einer Temperatur T_4,bel des Arbeitsmediums von hier beispielhaft etwa 310 °C, erfolgt.
Mit der Temperatur T_4,bel, auch als Beladeeintrittstemperatur bezeichnet, tritt das Arbeitsmedium in die erste Verdichter-/Turbinenanordnung 26 ein. Mittels der ersten Verdichter-/Turbinenanordnung 26 erfolgt in einer Zustandsänderung 4-3 unter Zufuhr von Energie bzw. Verdichterarbeit 264 eine polytrope Verdichtung des Arbeitsmediums zur Umwandlung der Niedertemperatur-Wärme in Hochtemperatur-Wärme.
In dem so erreichten Zustand 3 weist das Arbeitsmedium hier beispielhaft eine Temperatur T_3,bel von etwa 1000 °C und einen Druck p_3,bel von 15 bar auf. Der Druck p_3,bel entspricht dem Hochdruck.
Die Hochtemperatur-Wärme wird in einer isobaren Zustandsänderung 3-2 an die Hochtemperatur-Speichereinrichtung 28 übertragen, wo sie bis zur Entnahme über den Entnahmevorgang gespeichert wird. In dem Zustand 2 beträgt die Temperatur T_2,bel des Arbeitsmediums hier beispielhaft etwa 50 °C.
Zur Schließung des Kreisprozesses erfolgt anschließend eine polytrope Expansion bzw. Entspannung des Arbeitsmediums mittels der zweiten Verdichter-/Turbinenanordnung 32 in einer Zustandsänderung 2-1 auf den Zustand 1. Der Zustand 1 am Ende des Kreislaufes bei der Beladung kann von dem Zustand 1' zu Beginn des Kreislaufes bei der Entladung aufgrund von Irreversibilität einhergehend mit einer Temperaturerhöhung abweichen. Derartige Effekte können an anderer Stelle mittels der Kühleinrichtung 30 ausgeglichen werden.
Bei dem Entladevorgang wird ein Joule-basierter Wärmekraftprozess genutzt, wobei in dem Kreislauf nun, gegenläufig zu dem Beladevorgang, die Zustände 1', 2', 3', 4' aufeinanderfolgen. Ausgehend von dem Zustand 1', mit T_1',ent von z. B. etwa -80 °C und p_1',_ent von 1 bar, wird das Arbeitsmedium mittels der zweiten Verdichter-/Turbinenanordnung 32 unter Zufuhr von Energie bzw. Verdichterarbeit 324, die vorzugsweise zumindest teilweise als Turbinenenergie aus der Verdichter-/Turbinenanordnung 26 ausgekoppelt wird, auf Hochdruck in dem Zustand 2 gebracht. Dabei wird aufgrund von Irreversibilität bei der polytropen Verdichtung zunächst der Zustand 2' erreicht, mit einer Temperatur T_2',ent von etwa 130 °C. Die irreversible Wärme, die hier beispielhaft in einem Temperaturunterschied T_2',ent - T_2,bel von etwa 80 K resultiert, wird mittels der Kühleinrichtung 30 abgeführt, um den Zustand 2 entsprechend dem Beladevorgang zu erreichen, mit einer Temperatur T₂ von etwa 50 °C. Der Druck p_2',ent = p_2,ent entspricht dem Hochdruck beim Beladevorgang p_2,bel (= p_3,bel) von hier beispielhaft 15 bar, so dass symmetrische Druckverhältnisse zwischen Hochdruck und Niederdruck (symmetrische Betriebsführung) vorliegen.
Anschließend wird mittels des Arbeitsmediums in einer isobaren Zustandsänderung 2-3' Hochtemperatur-Wärme aus der Hochtemperatur-Speichereinrichtung 28 entnommen, wobei das Arbeitsmedium eine Temperatur T_3',ent von hier beispielhaft etwa 970 °C aufweist.
In einer polytropen Entspannung bzw. Expansion mittels der ersten Verdichter-/Turbinenanordnung 26 wird das Arbeitsmedium in einer polytropen Zustandsänderung 3'- 4' entspannt, wobei unter Wirken der Motor-/ Generatoreinrichtung 262 elektrische Energie zur Auskopplung und weiteren Nutzung aus der Thermopotentialspeicheranlage 20 freigesetzt wird. Stromab der ersten Verdichter-/Turbinenanordnung 26 liegt das Arbeitsmedium in dem Zustand 4' vor, in dem es die Temperatur T_4',ent, oder Entladeaustrittstemperatur, von etwa 400 °C aufweist. Die Entladeaustrittstemperatur ist aufgrund von Irreversibilität größer als die Temperatur T_4,bel in dem Zustand 4, wobei vorliegend beispielhaft ein Temperaturunterschied T_4',_ent - T_4,bel von etwa 90 K resultiert. Mittels der Kühleinrichtung 24 wird die überschüssige Wärme abgeführt und das Arbeitsmedium auf die Temperatur T_4,ent entsprechend T_4,bel von etwa 310 °C überführt.
Die in dem Arbeitsmedium enthaltene Niedertemperatur-Wärme wird anschließend in der Niedertemperatur-Speichereinrichtung 22 gespeichert.
Wie vorstehend beschrieben, kommt es insbesondere bei Verdichtung bzw. Entspannung innerhalb des Verfahrens zur Erzeugung irreversibler Wärme. Der Anteil dieser Wärmeerzeugung hängt auch von den verwendeten Komponenten, insbesondere der ersten und zweiten Verdichter-/Turbinenanordnung 26 und 32, ab. Die irreversible Wärme wird bei der in 1 gezeigten Thermopotentialspeicheranlage 20 mittels der Kühleinrichtung 24 und/oder der Kühleinrichtung 30 aus der Thermopotentialspeicheranlage 20 entfernt, um eine zyklische Aufheizung zu verhindern.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht mit dem sogenannten „offenen Betriebskonzept“ einen anderen Ansatz vor, um die irreversible Wärme zumindest teilweise zu verringern bzw. deren Energiegehalt innerhalb des Kreislaufes zu verschieben. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Thermopotentialspeicheranlage 20 entsprechend ausgebildet ist. Wie in 1 ist die Flussrichtung des Arbeitsmediums bzw. von Energieströmen mit Pfeilen (Beladevorgang: durchgezogene Pfeile, Entladevorgang: gestrichelte Pfeile) veranschaulicht.
Bei dem „offenen Betriebskonzept“ steht die Thermopotentialspeicheranlage 20 auf der Niederdruckseite 36 zwischen der zweiten Verdichter-/Turbinenanordnung 32 und der Niedertemperatur-Speichereinrichtung 22 mit der Umgebung in Strömungsverbindung. Es entsteht ein offener Kreislauf, wobei die Umgebung als Wärmesenke dient.
4 veranschaulicht einen beispielhaften Be- und Entladevorgang der Thermopotentialspeicheranlage 20 gemäß 3 in einem T- s- Zustandsdiagramm 41. Das Verfahren wurde bespielhaft für einen Prozess mit identischen Randbedingungen zum Prozess aus 2 simuliert.
Im Unterschied zu dem Verfahren gemäß 2 entspricht Zustandspunkt 1 im Beladevorgang, stromauf der Niedertemperatur-Speichereinrichtung 22, Umgebungsbedingungen, wobei Umgebungsluft als Arbeitsmedium angesaugt wird. Nach Kreisführung erfolgt die polytrope Expansion in einer Zustandsänderung 2-1" von dem Zustand 2 auf einen Zustand 1". Das Arbeitsmedium tritt in dem Zustand 1" stromab der zweiten Verdichter-/Turbinenanordnung 32 an die Umgebung aus. Der Zustand 1" weist aufgrund von Realeffekten bzw. Entladeverlusten eine höhere Temperatur T_1",bel auf als T_1,bel, hier beispielhaft etwa 100 °C. Diese irreversible Wärme wird an die Umgebung abgegeben.
Bei dem Entladevorgang entsprich der Zustand 1' ebenfalls Umgebungsbedingungen, wobei stromauf der Verdichteranordnung-/Turbinenanordnung 32 Umgebungsluft angesaugt wird.
Vorteilhafterweise kann mit dieser Verfahrensführung auf die Kühleinrichtung 30 (vgl. 1) verzichtet werden, was mit einer Reduktion des Investitionskostenaufwandes und der Systemkomplexität einhergeht.
Um zu vermeiden, dass Entladeverluste der zweiten Verdichter-/Turbinenanordnung 32 während des Beladevorgangs ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden, kann bei der Zustandsänderung 2-1'' ein Rekuperator eingesetzt werden, mittels dessen die freiwerdende irreversible Niedertemperatur-Wärme an einen Wärmeträger zur Nutzung abgegeben werden kann (hier nicht gezeigt).
In einer weiteren, in 5 gezeigten Verfahrensvariante kann das offene Betriebskonzept mit einer sogenannten „asymmetrischen Betriebsführung“ kombiniert werden. Je nach Auslegung der asymmetrischen Betriebsführung (Höhe des Druckverhältnisses) lassen sich so beide Kühleinrichtungen 24, 30 vermeiden. Neben den genannten Vorteilen der geringeren Investitionskosten und Systemkomplexität lässt sich dadurch eine Unabhängigkeit von geologischen Gegebenheiten mit externen Wärmesenken, wie beispielsweise Gewässern, zur Prozesskühlung erreichen.
Das in 5 gezeigte Verfahren wurde bespielhaft für einen Prozess mit identischen Randbedingungen zum Prozess aus 4 simuliert. Dabei liegt ein sogenanntes asymmetrisches Druckverhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck vor, mit einem größeren Druckverhältnis während des Entladevorgangs als während des Beladevorgangs. In 5 beträgt das Entlade-Druckverhältnis beispielhaft 13, während das Belade-Druckverhältnis beispielhaft 9 beträgt. Entsprechend weist der Zustand 3 bei dem Beladevorgang einen Druck p_3,bel von rund 9 bar auf, während in dem Zustand 3' bei dem Entladevorgang ein Druck p_3',ent von 13 bar herrscht. Die Temperaturen der Zustände 3 und 3' entsprechen idealerweise einander bzw. weichen aufgrund von Realverlusten nur geringfügig voneinander ab (zum Beispiel bis zu +/-10 % oder bis zu +/-5 %), um in dem Entladevorgang eine möglichst vollständige thermische Entladung der Hochtemperatur-Speichereinrichtung 28, verbunden mit einer möglichst vollständigen Energierückgewinnung, zu erreichen.
In dem in 5 gezeigten Beispiel ist das Druckverhältnis derart vergrößert, dass nach der Entspannung während des Entladevorgangs die Entladeaustrittstemperatur T_4',ent zumindest im Wesentlichen der Beladeeintrittstemperatur T_4,bel von hier beispielhaft 300 °C entspricht. Bei der Auslegung kann zum Beispiel von einer Thermopotentialspeicheranlage 20 ausgegangen werden, bei welcher die realen Wirkungsgrade der Komponenten, insbesondere der ersten Verdichter-/Turbinenanordnung 26, bekannt sind, wie beispielsweise in 1 und 2, oder auch 3, gezeigt. Dadurch ergibt sich der Betrag der irreversiblen Wärme bzw. der Temperaturunterschied zwischen T_4,bel und T_4',ent bei symmetrischen Druckverhältnissen. Anstelle nun eine entsprechend dimensionierte Kühleinrichtung 24 (vgl. 1 und 3) vorzusehen, wie aus dem Stand der Technik bekannt, wird unter Verwendung der Gleichung für polytrope Zustandsänderung des idealen Gases bestimmt, wie das Druckverhältnis während des Entladevorgangs zu erhöhen ist, um T_4',ent = T_4,ent = T_4,bel ohne Wärmeabfuhr zu erreichen.
Je nach Auslegung kann so vorteilhaft auf die Kühleinrichtung 24, die in den in 1 und 3 gezeigten Beispielen zur Abfuhr der bei der Entspannung erzeugten irreversiblen Wärme dient, verzichtet werden. Dies reduziert den Investitionskostenaufwand und die Komplexität der Thermopotentialspeicheranlage 20. Zudem entfallen benötigte Hilfsenergien (z. B. Gebläse-/Pumpleistung), die zum Betrieb der Kühleinrichtung 24 benötigt werden.
In einer weiteren, hier nicht gezeigten, Variante der asymmetrischen Betriebsführung kann das Druckverhältnis derart erhöht werden, dass ein Zustand 4'' erreicht wird, wobei die Temperatur des Arbeitsmediums T_4",ent unterhalb T_4,bel liegt. So wird in dem Zustand 4 eine „negative Kühlleistung“, entsprechend einer notwendigen Wärmezufuhr in den Kreislauf, erzeugt. Dabei kann in die Niedertemperatur-Speichereinrichtung 22 eine entsprechend geringere Wärmemenge eingespeichert werden als während des Beladevorgangs benötigt wird. Die fehlende Wärmemenge, die im Beladevorgang zum Erreichen der Temperatur T_4,bel benötigt wird, kann während des Beladevorgangs z. B. in Form von Niedertemperatur-Wärme wieder zugeführt werden. Dies ermöglicht die Einkopplung externer Wärme, um die fehlende Wärmemenge während des Beladevorgangs wieder zuzuführen. Vorteilhaft ist diese Variante insbesondere, wenn zumindest zeitweise eine geeignete externe Wärmequelle zur Verfügung steht. Weiterhin sind mit dieser Variante auch bei niedrigeren Beladebetriebsdrücken, welche je nach Asymmetrie z. B. zwischen 5 und 12 bar betragen können, und daher mit kostengünstigen Behälterkonstruktionen verbunden sind, vergleichsweise hohe Speicherwirkungsgrade erreichbar.
Durch eine geeignete Steuerung bzw. Regelung des Verfahrens, z. B. in Abhängigkeit von (voraussichtlich) zur Verfügung stehender externer Wärme, kann das Druckverhältnis, insbesondere in unterschiedlichen Be- und/oder Entladevorgängen, unterschiedlich eingestellt (gesteuert bzw. geregelt) werden.
Weiterhin kann die Thermopotentialspeicheranlage 20 um eine isobare Zuheizung während des Beladevorgangs im Zustand 3, zur Zufuhr von Hochtemperatur-Wärme nach der polytropen Verdichtung (Zustandsänderung 4-3) erweitert werden (hier nicht gezeigt). Hierzu kann zum Beispiel eine geeignete externe Wärmequelle, wie etwa ein Brenner oder eine elektrische Heizeinrichtung, verwendet werden. Diese Zuheizung führt zu höheren Speichertemperaturen in der Hochtemperatur-Speichereinrichtung 28, was eine höhere Speicherdichte und somit ein/e kompaktere/s Speichersystem bzw. Hochtemperatur-Speichereinrichtung 28 bedingt. Dies ist verbunden mit einem geringeren benötigten Massenstrom des Arbeitsmediums bei gleicher Nennleistung der Thermopotentialspeicheranlage 20. Dies wiederum führt zur Reduktion der Größe der Komponenten (Turbokomponentenanordnung 27 und Speichereinrichtungen 22, 28), was mit einer Kostenreduktion einhergeht. Zusätzlich wird eine erhöhte Flexibilität in der Betriebsführung erreicht.
6 zeigt einer T-s-Zustandsdiagramm 45 für ein Verfahren, bei dem die asymmetrische Betriebsführung ohne das offene Betriebskonzept durchgeführt wird, wie beispielsweise auch in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel möglich, falls eine dort vorhandene Steuereinrichtung entsprechend angepasst wird bzw. ausgebildet ist. Das in 6 gezeigte Verfahren wurde bespielhaft für einen Prozess mit einer identischen Leistung und Be-/Entladedauer vglw. mit Prozess aus 4 und 5 simuliert. Dabei beträgt das Entlade-Druckverhältnis beispielhaft 27, während das Belade-Druckverhältnis beispielhaft 9 beträgt. Wie in dem in 5 gezeigten Beispiel ist das Druckverhältnis derart vergrößert, dass nach der Entspannung während des Entladevorgangs die Entladeaustrittstemperatur T_4',ent zumindest im Wesentlichen der Beladeeintrittstemperatur T_4,bel von hier beispielhaft 300 °C entspricht. Auch die weiteren angegebenen Ausführungsvarianten, insbesondere bezüglich der asymmetrischen Betriebsführung, sind hierbei anwendbar.
Zusammenfassend lässt sich durch die genannten Maßnahmen, einzeln oder in (unterschiedlichen) Kombination(en), eine Thermopotentialspeicheranlage 20 bzw. ein Verfahren bereitstellen, mittels der/dem eine hohe Flexibilität in der Betriebsführung und/oder Kosteneffizienz und/oder eine Standortunabhängigkeit erreichbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/044139 A2 [0004]
CA 2969575 A1 [0004]
WO 2019/013898 A1 [0004]
US 2019/0162482 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Thermopotentialspeicheranlage (20) zur Speicherung elektrischer Energie unter Umwandlung in thermische Energie, umfassend - eine auf einer Niederdruckseite (36) angeordnete Niedertemperatur-Speichereinrichtung (22), - eine auf einer Hochdruckseite (38) angeordnete Hochtemperatur-Speichereinrichtung (28) und - eine Turbokomponentenanordnung (27) mit einer ersten Verdichter-/Turbinenanordnung (26) und einer zweiten Verdichter-/Turbinenanordnung (32), bei dem in einem Beladevorgang unter Nutzung eines Wärmepumpenprozesses mittels eines Arbeitsmediums Niedertemperatur-Wärme aus der Niedertemperatur-Speichereinrichtung (22) entnommen wird und mittels der ersten Verdichter-/Turbinenanordnung (26) unter Zufuhr elektrischer Energie durch Verdichtung des Arbeitsmediums von Niederdruck auf Hochdruck in Hochtemperatur-Wärme, mit einem höheren Temperaturniveau als die Niedertemperatur-Wärme, angehoben wird, die in der Hochtemperatur-Speichereinrichtung (28) gespeichert wird, und in einem Entladevorgang unter Nutzung eines Wärmekraftprozesses die gespeicherte Hochtemperatur-Wärme mittels des Arbeitsmediums aus der Hochtemperatur-Speichereinrichtung (28) entnommen wird und mittels der ersten Verdichter-/Turbinenanordnung (26) unter Freisetzung elektrischer Energie in einer Entspannung des Arbeitsmediums von Hochdruck auf Niederdruck in Niedertemperatur-Wärme umgewandelt wird, die in der Niedertemperatur-Speichereinrichtung (22) gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermopotentialspeicheranlage (20) auf der Niederdruckseite (38) zwischen der zweiten Verdichter-/Turbinenanordnung (32) und der Niedertemperatur-Speichereinrichtung (22) mit der Umgebung in Strömungsverbindung steht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Entladevorgang ein größeres Druckverhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck vorgegeben wird als bei dem Beladevorgang.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverhältnis derart größer vorgegeben wird, dass ein durch Irreversibilität verursachter Temperaturunterschied zwischen einer Beladeeintrittstemperatur, vor der Verdichtung des Arbeitsmediums während des Beladevorgangs, und einer Entladeaustrittstemperatur, nach der Entspannung des Arbeitsmediums während des Entladevorgangs, zumindest im Wesentlichen ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverhältnis derart größer vorgegeben wird, dass ein externer Wärmebedarf entsteht, der während des Beladevorgangs und/oder während des Entladevorgangs durch Einkopplung externer Wärme auf der Niederdruckseite gedeckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverhältnis bei dem Beladevorgang und/oder bei dem Entladevorgang, z. B. in Abhängigkeit des Betrags des externen Wärmebedarfs, gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Beladevorgang nach der Verdichtung und vor der Speicherung in der Hochtemperatur-Speichereinrichtung (28) isobar zugeheizt wird.
Thermopotentialspeicheranlage (20) zur Speicherung elektrischer Energie unter Umwandlung in thermische Energie, umfassend - eine auf einer Niederdruckseite (36) angeordnete Niedertemperatur-Speichereinrichtung (22), - eine auf einer Hochdruckseite (38) angeordnete Hochtemperatur-Speichereinrichtung (28), - eine Turbokomponentenanordnung (27) mit einer ersten Verdichter-/Turbinenanordnung (26) und einer zweiten Verdichter-/Turbinenanordnung (32), und - eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
Steuerungsprogramm für eine Steuereinrichtung umfassend Funktionen, die bewirken, dass eine Steuereinrichtung die Thermopotentialspeicheranlage (20) nach Anspruch 7 derart steuert und/oder regelt, dass ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchgeführt wird.
Computerlesbares Medium, auf dem ein Steuerungsprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.