DE102020129902A1

DE102020129902A1 - Thermischer Energiespeicher zur Speicherung elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102020129902A1
Application number: DE102020129902.8A
Authority: DE
Inventors: Aiko Bernehed
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2022-05-12
Also published as: WO2022101348A1; EP4244470A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung elektrischer Energie mittels thermischer Energiespeicher sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung elektrischer Energie mittels thermischer Energiespeicher sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Im Rahmen des Klimaschutzes rückt die Energieversorgung zunehmend in den Fokus der Forschung. Regenerative Energien, wie Windenergie oder Solarenergie, stehen nicht konstant zur Verfügung, was jedoch essenziell ist, um eine konstante Versorgung mit Energie sicher zu stellen. Anlagen zur Energiespeicherung stellen somit eine wesentliche Entwicklung dar, um Energie aus erneuerbaren Quellen als Standard-Energiequelle zu nutzen.
Ein Ansatz, an dem derzeit geforscht wird, sind sogenannte „Pumped Thermal Energy Storage“ (PTES) Systeme. Dabei wird mithilfe einer mechanisch oder elektrisch betriebenen Wärmepumpe einem kalten Reservoir Wärme entzogen und einem heißen Reservoir zugeführt. Diese Kälte und Hitze können in entsprechenden thermischen Speichern gespeichert werden und zu einem späteren Zeitpunkt verwendet werden, um wieder mechanische/elektrische Energie zu erzeugen. Das besondere an PTES Systemen ist, dass sie theoretisch elektrische Speicherwirkungsgrade von bis zu 100% erreichen können, obwohl sowohl der Belade- und Entladezyklus dem thermischen Carnot-Limit unterliegen.
Das Arbeitsprinzip eines PTES-Systems funktioniert im Brayton-Zyklus wie folgt:

Zunächst erfolgt der Schritt des Beladens:
1. 1. Gas (Arbeitsmittel) bei Umgebungsdruck und -temperatur wird isentrop in einem Kompressor verdichtet. Dabei wird externe (elektrische) Energie verwendet, um das Gas zu hohem Druck und hoher Temperatur zu führen.
2. 2. Die thermische Energie des heißen Gases wird in einem Heißspeicher gespeichert, dabei kühlt sich das Gas isobar ab.
3. 3. Das kalte, druckbehaftete Gas wird über eine Turbine isentrop entspannt, wobei dem Gas Energie entzogen wird. Die gewonnene kinetische Energie ist weniger als im Kompressor (unter 1.) benötigt wird, sodass Netto Energie in den Speichern verbleibt. Das Gas liegt nun drucklos (Umgebungsdruck) bei niedrigen Temperaturen vor. Dabei sind theoretisch auch Temperaturen von -100°C und weniger möglich.
4. 4. Das Gas wird in einem Kaltspeicher isobar aufgewärmt, sodass diesem thermische Energie entzogen wird. Dabei kühlt sich der Speicher ab. Anschaulich wird die „Kälte“ gespeichert. Das Gas liegt nun wieder bei Umgebungsdruck und -temperatur vor, sodass wieder bei 1. begonnen werden kann.

Nun stehen also eine beladener heißer und ein beladener kalter Speicher zur Verfügung, wobei zur Deckung der Temperaturen zwischen den Schritten 2 und 3 bzw. 4 und 1 ein Wärmeübertrager genutzt werden kann. Zum Entladen wird der Zyklus anders herum durchlaufen:

1. Druckloses Gas bei Umgebungstemperatur wird dem Kaltspeicher zugeführt und gibt an diesen isobar Wärme ab, wobei sich der Speicher aufwärmt und das Gas abkühlt.
2. Das kalte Gas wird einem Kompressor zugeführt und somit isentrop druckbeaufschlagt, wodurch auch die Temperatur steigt. Dazu wird (elektrische) Energie von außen zugeführt.
3. Das (ein wenig) warme, druckbeaufschlagte Gas wird im Heißspeicher isobar aufgeheizt, wodurch dem Heißspeicher Wärme entzogen wird. Dieser kühlt sich ab.
4. Das heiße, druckbeaufschlagte Gas wird isentrop in einer Turbine entspannt und gibt damit Energie in Form von Arbeit ab. Die insgesamt gewonnene Arbeit ist größer als die im Kompressor (2.) aufgewendete Arbeit, sodass Netto die Speicher entladen werden, um elektrische/mechanische Arbeit zur Verfügung zu stellen.

Bei genauer Deckung aller Wärmeübertrager und perfekten Strömungsmaschinen (Turbinen, Kompressoren) können bis zu 100 % Wirkungsgrad (Strom-zuStrom) erreicht werden können. In der Realität finden irreversible Vorgänge statt, sodass zusätzlich Abwärme abgeführt werden muss und weitere Wärmeübertrager verwendet werden müssen, um die Temperaturen im Kreislauf zur Deckung zu bringen. Das Prinzip der PTES Systeme wird beispielsweise von T. Desrues et al. (A thermal energy storage process for large scale electric applications, Applied Thermal Engineering 30 (2010) 425-423) und A. White et al. (Thermodynamic analysis of pumped thermal electricity storage, Applied Thermal Engineering 53 (2013) 291-298) beschrieben.
Robert B. Laughlin (Pumped thermal grid storage with heat exchange, Journal of Renewable and Sustainable Energy 9, 044103 (2017))) hat ein PTES-Energiespeichersystem entwickelt, das Argon, Stickstoff oder Luft als Arbeitsmedium verwendet. Dabei wird geschmolzenes Salz (Solarsalz: 60% NaNO₃ - 40% KNO₃) und flüssiges Hexan als Heiß- bzw. Kaltspeicher verwendet. Die Energieübertragung auf die Speicher findet mithilfe von Wärmeübertragern statt. Das System hat insgesamt vier Speicher, einen kalten und einen heißen Salzspeicher, sowie einen warmen und einen kalten Hexanspeicher. Der Vorgang entspricht dem bereits beschriebenen Brayton-Zyklus. Des Weiteren verwendet Laughlin in seinem System einen internen Gas-Gas Wärmeübertrager, der sich durch eine geringe Temperaturdifferenz der beiden Seiten bei gleichzeitig sehr hoher übertragener Wärmemenge auszeichnet. Dies ist technisch sehr schwierig umzusetzen und stellt daher die Wirtschaftlichkeit des beschriebenen Verfahrens in Frage.
Vom DLR wurde ein System namens „Compressed Heat Energy Storage“ (CHEST) (Steinmann et al: The CHEST (Compressed Heat Energy Storage) concept for facility scale thermo mechanical energy storage; Energy 69 (2014) 543-552; doi: 10.1016/j.energy.2014.03.049) entwickelt, das sich grundlegend von den zuvor beschriebenen unterscheidet:

a. Zum Beladen wird der Umgebung Energie entzogen, um Wasser zu kochen. Der entstehende Dampf wird anschließend in einem Mehrschrittverfahren mehrfach komprimiert und so auf Druck und Temperatur gebracht.
b. Der Heißspeicher ist nicht ein einheitliches System sondern besteht aus Sensibel- und Latentwärmespeichern, die benötigt werden, um die Temperaturen beim Abkühlen des Dampfes zur Deckung zu bringen.
c. Zum Entladen wird ein herkömmlicher Rankine-Wasser-Dampf-Zyklus verwendet. Dabei wird den Speichern Hitze entzogen und der Dampf anschließend mithilfe der Umgebungstemperaturen kondensiert.

Der gravierendste Unterschied des CHEST-Systems liegt in der Nutzung eines Rankine- anstatt eines Brayton-Zyklus. Interessant ist vor allem, dass die Umgebung als Kaltspeicher verwendet werden kann, sodass keine Kosten für weitere Tanks und Speichermedien entstehen. Das CHEST System benötigt nach der zuvor angegebenen Veröffentlichung einen sechsstufigen Verdichter mit fünffacher Zwischenkühlung, sowie einen latenten Wärmespeicher im Industriemaßstab bei 300-350 °C. Beide Komponenten stellen die Wirtschaftlichkeit des Systems in Frage. Zudem benötigt das System einen Ammoniak-Zyklus um mithilfe der Umgebungswärme Wasser bei 100 °C zu kochen. Auch dies stellt an Maschinen extreme Herausforderungen.
Es besteht daher nach wie vor Bedarf an einem System und Verfahren, mit welchem effektiv Wärme gespeichert werden kann. Das Verfahren sollte einfach durchzuführen sein und möglichst wenig irreversible Vorgänge beinhalten, welche den Wirkungsgrad des Verfahrens verringern würden.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass es die Anwendung eines Clausius-Rankine-Zyklus ermöglicht, elektrische Energie zu speichern. In einer ersten Ausführungsform wird die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe daher gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 8. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Speicherung und Freisetzung von elektrischer Energie und umfasst die folgenden Schritte:

(i) in einem Beladezyklus
1. a) wird ein flüssiges Arbeitsmedium bei einer Temperatur T_A1 und einem Druck p_A1 bereitgestellt,
2. b) anschließend wird Wärme von mindestens einem Kaltspeichermaterial auf das Arbeitsmedium mittels mindestens einem ersten Wärmeübertrager übertragen, wodurch die Temperatur des Arbeitsmediums von T_A1 auf eine Temperatur T_A2 ansteigt, wodurch das Arbeitsmedium gasförmig wird und den Druck p_A2 aufweist,
3. c) mittels mechanischer Arbeit aus elektrischer Energie wird das gasförmige Arbeitsmedium von der Temperatur T_A2 auf eine Temperatur TA3 erwärmt und der Druck von einem Druck p_A2 auf einen Druck p_A3 erhöht,
4. d) anschließend wird die aus der mechanischen Arbeit gewonnene und im Arbeitsmedium gespeichert Wärme vom Arbeitsmedium über mindestens einen Wärmeübertrager auf mindestens ein Heißspeichermaterial übertragen, wodurch die Temperatur des Arbeitsmediums von T_A3 auf T_A4 sinkt, und
5. e) der Druck des Arbeitsmediums wird im Anschluss von p_A4 auf p_A1 reduziert, so dass man erneut ein flüssiges Arbeitsmedium mit einer Temperatur T_A1 und einem Druck p_A1 erhält, so dass ein Kreisprozess aus den Schritten b) bis e) durchgeführt werden kann;
und
(ii) in einem Entladezyklus
1. a) wird das flüssiges Arbeitsmedium bei einer Temperatur T_E1 und einem Druck p_E1 bereitgestellt,
2. b) das Arbeitsmedium wird auf einen Druck p_E4 komprimiert und weist die Temperatur T_E4 auf,
3. c) Wärme vom mindestens einen Heißspeichermaterial wird mittels mindestens eines Wärmeübertragers auf das Arbeitsmedium übertragen, wodurch die Temperatur des Arbeitsmaterials von T_E4 auf T_E3 steigt,
4. d) das dann heiße, druckbehaftete Arbeitsmedium mit der Temperatur TE3 und dem Druck p_E3 wird entspannt auf eine Temperatur T_E2 und einen Druck p_E2, wodurch mechanische Energie freigesetzt wird, und
5. e) Wärme des gasförmigen Arbeitsmedium mit der Temperatur T_E2 und dem Druck p_E2 wird mittels mindestens eines Wärmeübertragers auf des mindestens eine Kaltspeichermaterial übertragen, wodurch das Arbeitsmedium kondensiert und anschließend eine Temperatur T_E1 und einen Druck p_E1 aufweist,
so dass ein Kreisprozess aus den Schritten b) bis e) durchgeführt werden kann;

In einer weiteren Ausführungsform wird die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung (10) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend:

einen Arbeitsmediumkreislauf (11) mit einem Arbeitsmedium; der Arbeitsmediumkreislauf (11) umfasst mindestens einen Kaltspeicher (12a, 12b) mit mindestens einer ersten Wärmeübertrager (13); mindestens einen Heißspeicher (14a, 14b) mit mindestens einer zweiten Wärmeübertrager (15); eine erste Strömungsmaschine (16); sowie eine zweite Strömungsmaschine (17),
wobei in einem Beladezyklus der Vorrichtung (10) aus dem mindestens einem Kaltspeicher (12a, 12b) über den mindestens einen ersten Wärmeübertrager (13) Wärmeenergie aus dem mindestens einem Kaltspeicher (12a, 12b) dem Arbeitsmedium zuführbar ist zur Umwandlung des Arbeitsmediums von einem flüssigen in einen gasförmigen Aggregatzustand, wobei unter Energiezufuhr über die erste Strömungsmaschine (16), bevorzugt ausgebildet als Kompressor (16a), der Druck und die Temperatur des Arbeitsmediums erhöhbar ist, wobei über den mindestens einen zweiten Wärmeübertrager (15) dem Arbeitsmedium Wärme entziehbar und dem mindestens einem Heißspeicher (14a, 14b) zuführbar ist und wobei eine zweite Strömungsmaschine (17), bevorzugt ausgebildet als Drossel (17a), zur Reduktion des Druckes des Arbeitsmediums ausgebildet ist und/oder
wobei in einem Entladezyklus der Vorrichtung (10) das Arbeitsmedium über die zweite Strömungsmaschine (17), bevorzugt ausgebildet als Pumpe (17b), unter Energiezufuhr komprimierbar ist, wobei die Temperatur des Arbeitsmediums durch Abgabe von Wärme den mindestens einen Heißspeichers (14a, 14b) über den mindestens einen zweiten Wärmeübertrager (15) erhöhbar ist, wobei der Druck des Arbeitsmediums über die erste Strömungsmaschine (16), bevorzugt ausgebildet als Turbine (16b) unter Freisetzung mechanischer Energie entspannbar ist und wobei Wärmeenergie vom dem Arbeitsmedium über den mindestens einen ersten Wärmeübertrager (13) an den mindestens einen Kaltspeicher (12a, 12b) abführbar ist zur Umwandlung des gasförmigen Aggregatzustands des Arbeitsmediums in den flüssigen Aggregatzustand.

Bevorzugt kann die Vorrichtung (10) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiterhin mindestens einen dritte Wärmeübertrager umfassen, wobei der mindestens eine dritte Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung aus dem Bereich zwischen dem Heißspeicher (14a, 14b) und der zweiten Turbine (16) auf den Bereich zwischen dem Kaltspeicher (12a, 12b) und der ersten Turbine (M) angeordnet ist.
Bevorzugt kann die erste Strömungsmaschine (16) im Beladezyklus an einen Motor (M) angeschlossen werden, worüber die Strömungsmaschine (16), welche als Kompressor (16a) ausgebildet werden kann antreibbar ist. Ebenfalls kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein im Entladezyklus die erste Strömungsmaschine (16) an einem Generator (G) anzuschließen, wobei die erste Strömungsmaschine (16) als Turbine (16b) ausgebildet werden kann, deren mechanische Energie über den Generator (G) in elektrische Energie umwandelbar ist.

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Beladezyklus. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in 3 abgebildet.
2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Entladezyklus. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in 5 abgebildet.

Die schwarzen Linien stellen jeweils Leitungen dar, wobei die Pfeile die Fließrichtung im Inneren der Leitungen darstellen.
Im Folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht im Beladezyklus, dass elektrische Energie gespeichert wird. Diese Energie wird zunächst in Schritt (i) c) auf das Arbeitsmedium übertragen. Von dort wird die Energie in einem Heißspeicher gespeichert (Schritt (i) d)). Im Beladezyklus wird das Arbeitsmedium im Kreis geführt. Dies kann so lange durchgeführt werden, wie Heißspeichermaterial zur Speicherung der elektrischen Energie zur Verfügung steht. Der Speicher ist dann voll.
Ist der Speicher voll, kann der Zyklus umgedreht werden. Das Arbeitsmedium nimmt nun die im Heißspeicher gespeicherte Wärme auf (Schritt (ii) c)) und kann diese zu einer gewünschten Stelle innerhalb einer Vorrichtung, in der das erfindungsgemäße Verfahren abläuft, transportieren, in welchem die Wärme freigesetzt und diese Freisetzung der Wärme zum Erhalt von mechanischer Energie genutzt wird (Schritt (ii) d)). Dies kann so lange durchgeführt werden, bis alle im Heißspeicher gespeicherte Wärme genutzt wurde. Anschließend kann wieder der Beladezyklus durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Speicherung von Energie. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, dass regenerative Energien effektiv gespeichert werden und so auch zu Zeiten, in denen diese nicht zur Verfügung stehen (z.B. Nacht bei Solarenergie, Windstille bei Windenergie), eine Energieversorgung sichergestellt werden kann.
Zeotrope Gemsiche sind binäre Gemische, bestehen also aus zwei verschiedenen Reinstoffen. Ein Gemisch von chemischen Stoffen wird als zeotrop bezeichnet, wenn die Zusammensetzung von Flüssigkeit und Dampf im Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht immer unterschiedlich ist. Damit berühren sich Taukurve und Siedekurve in keinem Punkt. Gemische, deren Tau- und Siedekurven sich in mindestens einem Punkt berühren und somit die Zusammensetzung in Dampf und Flüssigkeit gleich ist, heißen azeotrope Gemische.
Als Beispiel eines zeotropen Gemisches ist ein Gemisch aus Wasser und Ethanol, also eines binären Gemisches mit unterschiedlichen Siedepunkten der Reinstoffe und einer Massen- oder Temperaturverschiebung bei der Verdampfung zu nennen. Die Zusammensetzung der Flüssigkeits- und der Dampfphase sind immer unterschiedlich.
Im erfindungsgemäßen Verfahren sind zeotrope Gemische besonders gut geeignet als Arbeitsmedium, da sie bei der Zwangsdurchlaufverdampfung in einem Wärmetauscher im Belademodus (Schritte (i) b) und c)) und der Kondensation im Entlademodus (Schritte (ii) d) und e)) einen Temperaturglitt aufweisen. Die gesättigte Dampfphase (Arbeitsmedium bei Temperatur und Druck TE3, p_E3 bzw. T_A3,p_A3) hat also eine höhere Temperatur als die siedende Flüssigkeit (Arbeitsmedium bei Temperatur und Druck T_E2, p_E2 bzw. T_A2, p_A2), sodass die Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen im Be- und Entladezyklus des Speichersystems besser an den Temperaturverlauf des Kaltspeichers angepasst werden können.
Vergleicht man die Siedelinien (Entropie vs. Temperatur) von Reinstoffen im Vergleich zu zeotropen Gemischen, so zeigt sich, dass mit einem zeotropen Gemisch eine geringe Temperaturdifferenz zwischen dem Be- und Entladezyklus und eine hohe Temperaturspreizung des Kaltspeichersystems erreicht werden kann. Dadurch werden gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad des Systems und eine geringere Baugröße des Kaltspeichers erzielt.

Ein zeotropes Gemisch ist eine Kombination aus einem Primärstoff und einem Sekundärtstoff. Erfindungsgemäß können Primär- und Sekundärstoff aus unterschiedlichen Soffen ausgewählt sein, wie beispielsweise organische oder anorganische Lösungsmittel. Insbesondere sind sie ausgewählt, wie in der nachfolgenden Tabelle 1 dargestellt: Tabelle 1:

Primärstoff	Sekundärstoff
Dimethylbutan	Aceton, Butane, CO₂, Chlorobenzol, Cyclohexan, Dimethyl Carbonate, Ethylbenzol, Heptan, Hexamethyldisiloxan, Hexan, Methylcyclohexan, Oktan, Pentan, Toluol, Xylol,
Aceton	Ammoniak, Butan, CO₂, Chlorobenzol, Cyclohexan, Dimethyl Carbonat, Ethanol, Ethylbenzol, Heptan, Hexamethyldisiloxan, Hexan, Methanol, Methylcyclohexan, Oktan, Pentan, Toluol, Wasser, Xylol
Ammoniak	CO₂, Chlorobenzol, Ethanol, Methanol, Wasser
Butan	CO₂, Chlorobenzol, Cyclohexan, Dimethyl Carbonat, Ethylbenzol, Heptan, Hexametyhldisiloxan, Hexan, Methalcyclohexan, Oktan, Pentan, Toluol, Xylol
CO₂	Chlorobenzol, Cyclohexan, Dimethyl Carbonat, Ethanol, Ethylbenzol, Heptan, Hexamethyldisiloxan, Hexan, Methanol, Methylcyclohexan, Oktan, Pentan, Toluol, Xylol
Chlorobenzol	Cyclohexan, Dimethyl Carbonat, Ethanol, Ethylbenzol, Heptan, Hexamethyldisiloxan, Hexan, Methanol, Methylcyclohexan, Oktan, Pentan, Toluol, Xylol
Dimethyl Carbonat	Ethanol, Ethylbenzol, Heptan, Hexamethyldisiloxan, Hexan, Methanol, Methylcyclohexan, Oktan, Pentan, Toluol, Xylol
Ethanol	Ethylbenzol, Heptan, Hexamethyldisiloxan, Hexan, Methanol, Methalycyclohexan, Wasser
Ethylbenzol	Heptan, Hexamethyldisiloxane, Hexan, Methanol, Methylcyclohexan, Oktan, Pentan, Toluol, Xylol
Heptan	Hexamethyldisiloxan, Hexan, Methanol, Methylcyclohexan, Oktan, Pentan, Toluol, Water, Xylol
Hexamethyldisiloxan	Hexan, Methanol, Methylcyclohexan, Oktan, Pentan, Toluol, Xylol
Hexan	Methanol, Methylcyclohexan, Oktan, Pentan, Toluol, Xylol
Methanol	Pentan, Toluol, Wasser
Methylcyclohexan	Oktan, Pentan, Toluol, Xylol
Oktan	Pentan, Toluol, Xylol
Pentan	Toluol, Xylol
Toluol	Wasser, Xylol

Bevorzugt ist der Primärstoff Ammoniak oder CO₂, jeweils in Kombination mit den zuvor genannten Sekundärstoffen. Ammoniak und CO₂ haben hohe Zerfallstemperaturen und ermöglichen so, dass das Arbeitsmedium eine hohe Temperatur aufweisen kann, wodurch hohe Speichertemperaturen ermöglicht werden. Hohe Speichertemperaturen sind für einen großen Temperaturhub, und damit einhergehend niedrigen Kosten, notwendig. Des Weiteren reagieren diese Stoffe nicht oder wenig mit anderen Stoffen und den für die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Metallen.
Methanol, Ethanol und Wasser sind als Sekundärstoffe bevorzugt. Auch diese weisen hohe Zerfallstemperaturen mit den damit verbundenen Vorteilen auf.
Im Folgenden werden der Beladezyklus und der Entladezyklus weiter beschrieben.
Im Beladezyklus wird das Arbeitsmedium von einer Temperatur T_A1 und einem Druck p_A1 erwärmt auf eine Temperatur T_A2 und einen Druck p_A2 (Schritt (i) b)). Anschließend erfolgt eine weiter Erwärmung und Kompression von T_A2, p_A2 zu T_A3, P_A3 (Schritt (i) c)). Das komprimierte heiße Arbeitsmedium gibt Energie an das Heißspeichermaterial ab, so dass das Arbeitsmedium Temperatur und Druck von T_A3, P_A3 zu T_A4, p_A4 ändert (Schritt (i) d)). Abschließend erfolgt die Expansion, so dass das Arbeitsmedium vom Zustand T_A4, p_A4 wieder in den Ausgangszustand T_A1, p_A1 übergeht (Schritt (i) e)). Entsprechend sind p_A1 und p_A2 in etwas gleich. Auch p_A3 und p_A4 unterscheiden sich nur unwesentlich. Der Druckunterschied Δp zwischen p_A2 und p_A3 liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bar bis 100 bar, bevorzugt 10 bar bis 90 bar, insbesondere 15 bar bis 80 bar, besonders bevorzugt 20 bar bis 60 bar. Die genaue Druckdifferenz ist dabei von der Art des Arbeitsmediums abhängig.
Gleiches gilt für die Temperatur. Die genauen Temperaturen sind von der Art des zeotropen Gemisches abhängig. Bei den Bedingungen T_A1, p_A1 zu Beginn des Beladezyklus liegt das zeotrope Gemisch als Flüssigkeit vor. Bei den Bedingungen T_A2, p_A2 ist das Arbeitsmedium eine siedende Flüssigkeit, welche bei T_A3, P_A3 als Dampf vorliegt. Nach Abgabe der Wärme an den mindestens einen Heißspeicher liegt das Arbeitsmedium bei T_A4, p_A4 als komprimierte Flüssigkeit vor.
In einem ersten Schritt wird ((i) b)) wird somit das Arbeitsmedium von T_A1 auf eine Temperatur T_A2 erhöht. Dies erfolgt mittels mindestens eines sogenannten Kaltspeichers. Der Kaltspeicher umfasst mindestens ein Kaltspeichermaterial. Dieses mindestens eine Kaltspeichermaterial gibt Wärme an das Arbeitsmedium ab. Dies kann beispielsweise mittels mindestens eines Wärmeübertragers erfolgen.
Als Kaltspeichermaterial können dabei beliebige Materialien eingesetzt werden, die in der Lage sind, Wärme zu speichern. Die benötigte Wärmekapazität ist dabei als gering anzusehen. Das Kaltspeichermaterial kann ein sensibler Wärmespeicher, ein Latentwärmespeicher oder ein anderes Speichermaterial sein. Das Speichermaterial liegt vorzugsweise als Fluid vor, so dass es gut die Wärme auf das Arbeitsmedium übertragen bzw. Wärme vom Arbeitsmedium aufnehmen kann. Zudem ist es vorzugsweise von einem ersten Kaltspeicherbehälter in einen zweiten Kaltspeicherbehälter pumpbar.
Beispielsweise kann Wasser oder Luft, beispielsweise Umgebungsluft, als Kaltspeichermaterial eingesetzt werden. Wird Luft, also die Umgebung, als Kaltspeicher genutzt, ist kein gesonderter Kaltspeicherbehälter notwendig, sondern Wärmeabgabe und -aufnahme finden mit der Umgebungsluft, also in einem offenen System statt.
Bevorzugt ist jedoch ein geschlossenes System mit einem Kaltspeicher, der in einem geschlossenen System, also mindestens zwei Kaltspeicherbehältern, vorhanden ist. In einem solchen System kann ein Fluid als Kaltspeichermaterial genutzt werden. Vorzugsweise wird Wasser als Kaltspeichermaterial eingesetzt. Dabei ist die Speichertemperatur auch bei Wasser nicht auf einen Temperaturbereich von 0 °C bis 100 °C beschränkt. Aufgrund der Nutzung zeotroper Gemische und der damit verbundenen Nutzung sehr tiefer und hoher Temperaturen, ist die Verwendung eines geschlossenen Systems besser. So können einzelne Gemische beispielsweise auf Temperaturen bis -80°C abgekühlt werden und obere Verdampfungstemperaturen bis 150°C erreichen. Um diese Temperaturen mit einem Zweitanksystem mit Wasser als Speichermedium abdecken zu können, kann eine Gefrierpunkterniedrigung mithilfe von Frostschutzmitteln (Salz (wie beispielsweise NaCl oder CaCl₂), Glycol, Methanol, Ethanol, oder eine Kombination dieser Substanzen), und/oder eine Siedepunktsteigerung durch Nutzung von druckbehafteten Tanks (max. 10 bar) verwendet werden.
Vor der Beladung des Speichersystems ist es bevorzugt zuvor im Entladebetrieb entstandene Entropie aus dem System abzuführen. Diese Entropie liegt in Form einer Erwärmung der heißen, also der entladenen, Seite des Kaltspeichersystems (im zweiten Kaltspeicherbehälter) vor. Mithilfe einer externen Kühlung kann diese Entropie abgeführt werden. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann es nötig sein die heiße Seite des Kaltspeichersystems vor der Beladung durch eine zusätzliche Kühlung unter die Umgebungstemperatur abzukühlen. Hierzu kann, neben der Umgebungskühlung, eine zusätzliche Kältepumpe, beispielsweise mit Ammoniak als Kältemittel, verwendet werden. Diese wird im Belademodus aktiviert, um das Kaltspeichermaterial vorzukühlen, bevor es Kälte aus dem Arbeitskreislauf aufnimmt.
Anschließend wird dem System elektrische Energie in Form von mechanischer Arbeit zugeführt. Dies erfolgt beispielswiese mit einem Motor oder Kompressor. Hierdurch wird das Arbeitsmedium auf die Temperatur T_A3 erwärmt. Der Druck steigt auf einen Wert p_A3. Die elektrische Energie, die dem System zugeführt wird, kann von jeder beliebigen Energiequelle stammen. So kann das erfindungsgemäße Verfahren als Puffer in einem konventionellen Kraftwerk genutzt werden. Besonders eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren jedoch dafür, regenerative Energien zu speichern. Als regenerative Energien werden erfindungsgemäß Energiequellen bezeichnet, die im menschlichen Zeithorizont für nachhaltige Energieversorgung praktisch unerschöpflich zur Verfügung stehen oder sich verhältnismäßig schnell erneuern. Damit grenzen sie sich von fossilen Energiequellen ab, die endlich sind oder sich erst über den Zeitraum von Millionen Jahren regenerieren. Zu den regenerativen Energien zählen erfindungsgemäß Bioenergie (Biomassepotenzial), Geothermie, Wasserkraft, Meeresenergie, Sonnenenergie (Solarenergie) und Windenergie. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht nun, elektrische Energie, die aus regenerativen Energien gewonnen wird, zu speichern und zu einem beliebigen Zeitpunkt wieder zu erhalten und zu nutzen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die effektive Nutzung regenerativer Energien und insbesondere solcher Energien, die nicht konstant zur Verfügung stehen, wie Windenergie und Solarenergie. Bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung stammt daher die elektrische Energie aus Windenergie und/oder Solarenergie. Besonders bevorzugt wird die elektrische Energie aus Solarenergie, wie beispielswiese konzentrierter Solarstrahlung oder aus Photovoltaikzellen, erhalten.
Der Kompressions- und Erhitzungsschritt (Schritt (i) c)) wird erfindungsgemäß in einem Arbeitsschritt durchgeführt, wohingegen im Stand der Technik (CHEST Verfahren) noch eine Zwischenkühlung notwendig ist.
Das erhitzte, komprimierte Arbeitsmedium gibt anschließend Wärme an einen Heißspeicher ab (Schritt (i) d) des erfindungsgemäßen Verfahrens). Hierdurch kühlt sich das Arbeitsmedium von der Temperatur T_A3 auf die Temperatur T_A4 ab. Der Druck p_A3 bleibt dabei im Wesentlichen unverändert. Durch Reibungsverluste kann der Druck um wenige mbar absinken. Der Umfang der Reibung und damit des Druckverlustes, also von Δp zwischen p_A3 und p_A4, ist von der genauen technischen Realisierung abhängig. Die Wärme des Arbeitsmediums wird beispielswiese mittels mindestens eines Wärmeübertragers auf ein Heißspeichermaterial übertragen, wodurch dessen Temperatur von der Temperatur T_H1 auf die Temperatur TH2 steigt.
Die Verwendung azeotroper Gemische als Arbeitsmaterial erlaubt im Vergleich zum Stand der Technik, dass das Verfahren vollständig im unterkritischen Zustand durchgeführt wird. Es wird derzeit vermutet, dass bei der Abkühlung des Arbeitsmediums von T_A3 nach T_A4 das Arbeitsmedium zunächst eine Kühlung bis zur Siedekurve durchläuft. Anschließend kondensiert es zur Flüssigkeit und wird dann abschließend auf T_A4 abgekühlt. Der Phasenwechsel des zeotropen Gemisches ist mit einem Temperaturglitt verbunden. Daher kann erfindungsgemäß ein sensibler Wärmespeicher als Heißspeichermaterial verwendet werden. Ein Latentwärmespeicher, wie er beispielsweise im CHEST System benötigt wird, ist vorliegend nicht notwendig.

Sensible Wärmespeicher arbeiten nach dem Prinzip der Temperaturveränderung des Speichermediums. Dabei ist bei der Auswahl des Materials für den Wärmespeicher darauf zu achten, dass er eine ausreichend hohe spezifische Wärmekapazität und eine ausreichen hohe Speicherdichte aufweist. Zudem muss er einen Temperaturbereich abdecken, in dem das Arbeitsmedium genutzt wird. Entsprechend kann der sensible Wärmespeicher bei unterschiedlichen Arbeitsmaterialien unterschiedlich gewählt werden. Als geeignete Heißspeichermaterialien haben sich Salzsysteme herausgestellt, die auch in konzentrierten Solaranlagen eingesetzt werden. Beispielhaft sind die folgenden zu nennen, wobei die Schmelztemperatur kleiner T_H1 sein muss:

Salzsystem (in Klammern Angaben in Gew%)	Schmelztemperatur in °C
KNO₃-LiNO₃ (67-33)	133
KNO₃-NaNO₂-NaNO₃ (53-40-7)	142
LiNO₃-NaNO₃ (49-51)	194
KNO₃-NaNO₃ (54-46)	222
LiNO₃	254
NaNO₃	306
KNO₃	337

Darüber hinaus sind auch ternäre Salzsysteme von Nitratsalzen (beispielsweise in DE 102014212051 A ) oder Halogensalze (beispielsweise in WO 2017/093030 A ) bekannt.
Die Salzzusammensetzung wird dabei so gewählt, dass das Heißspeichermaterial durchgehend flüssig ist, also nur seine Temperatur, nicht jedoch den Aggregatzustand ändert. Das flüssige Salz oder die flüssige Salzmischung kann die Wärme über einen Wärmeübertrager gut mit Arbeitsmedium austauschen. Besonders bevorzugt ist das Heißspeichermaterial ausgewählt aus Nitrat- und/oder Nitrit-Salzen von Alkali- und/oder Erdalkalimetallen sowie Mischungen aus diesen. Neben Salzzusammensetzungen können auch thermisches Öl, wie z.B. Therminol VP1, Wachse, druckloses oder druckbehaftetes Wasser, Keramiken oder Schüttungen aus Sand, Kies oder Gestein verwendet werden.
Azeotrope Gemische weisen eine variable Wärmekapazität auf. Verwendet man nun lediglich einen Heißspeicher, so kann dieser Schritt nicht effektiv genutzt werden. In einem Temperatur-Enthalpie (T-H-)Diagramm zeigt sich die variable Wärmekapazität durch eine gekrümmte Linie, wohingegen Wärmespeichermaterialien eine gerade Linie aufweisen. Bei hoher Temperatur sollten das Arbeitsmedium und das Wärmespeichermaterial jedoch eine ähnliche Enthalpie aufweisen, um einen effektiven Wärmeübertrag zu ermöglichen. Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass man mehrere Wärmespeicher verwendet, also über mehrere Wärmetauscher die Wärme vom Arbeitsmedium auf das Wärmespeichermaterial überträgt. Das Wärmespeichermaterial kann sich dabei in mehreren verschiedenen Wärmespeicherbehältern befinden, wobei sich zwischen den beiden Wärmespeicherbehältern Pufferbehälter befinden. Es werden also mehrere Speichersysteme in Reihe geschaltet.
Erfindungsgemäß ist es vorzugsweise vorgesehen nicht nur einen Heißspeicher, sondern zwei oder mehr voneinander verschiedene Heißspeicher zu verwenden. In diesem Fall kann der erste Heißspeicher mit einem ersten Heißspeichermaterial versehen sein, wohingegen im zweiten Heißspeicher ein zweites Heißspeichermaterial genutzt wird. Das erste Heißspeichermaterial und das zweite Heißspeichermaterial können gleich oder verschieden sein. Vorzugsweise sind das erste Heißspeichermaterial und das zweite Heißspeichermaterial voneinander verschieden. Dies ermöglicht einen effektiven Temperaturübertrag vom Arbeitsmedium auf das Speichermaterial, wobei das Heißspeichermaterial an die Eigenschaften des Arbeitsmediums bei den jeweils herrschenden Temperaturbedingungen angepasst werden kann. Das erste Heißspeichermaterial kann beispielsweise ein Salzsystem, wie zuvor beschrieben, verwendet werden. Auch das zweite Heißspeichermaterial kann ein Salzsystem enthalten. Es kann jedoch auch ein thermisches Öl, Wachs, druckloses oder druckbehaftetes Wasser, Keramiken oder Schüttungen aus Sand, Kies oder Gestein als zweites Heißspeichermaterial genutzt werden. Vorzugsweise ist das zweite Heißspeichermaterial ein thermisches Öl, Wachs oder druckloses oder druckbehaftetes Wasser, insbesondere ist es druckbehaftetes Waser.
Weist das erfindungsgemäße Verfahren mehr als zwei voneinander getrennte Heißspeicher auf, so nutzt der erste Heißspeicher vorzugsweise ein Salzsystem als Heißspeichermaterial. Der zweite und jede weitere Heißspeicher werden unter Verwendung entweder eines Salzsystems oder von druckbehaftetem Wasser als Heißspeichermaterial betrieben.
Nach dem Übertrag der Wärme vom Arbeitsmedium auf das Heißspeichermaterial ist die Energie in diesem Material gespeichert. Das Arbeitsmedium wird nun wieder in den Ausgangszustand versetzt, um für weitere Beladzyklen zur Verfügung zu stehen. Hierfür wird das Arbeitsmedium von der Temperatur T_A4 und dem Druck p_A3 auf die Temperatur T_A1 und den Druck p_A1 gebracht. Der Druck p_A1 liegt deutlich unterhalb des Druckes p_A3, so dass dieser Vorgang der Entspannung des Arbeitsmediums mittels einer Drossel oder einer Flüssigkeitsturbine erfolgen kann. Hierdurch ändert sich isentrop auch der Aggregatzustand des Arbeitsmediums. Es kondensiert und wird flüssig. Gleichzeitig sinkt die Temperatur von T_A4 auf T_A1 durch die Entspannungsverdampfung des Arbeitsmediums.
Das Arbeitsmedium weist nun wieder die Temperatur T_A1 und den Druck p_A1 auf, so dass der Beladezyklus erneut durchlaufen werden kann. Die Dauer der Beladezeit ist lediglich von dem Volumen der Speicher für das Heißspeichermaterial bzw. das Kaltspeichermaterial abhängig.
Um ein effektives Verfahren zu ermöglichen, ist T_A4 > T_A1. Der Temperaturunterschied zwischen T_A4 und T_A1 liegt vorzugsweise bei 0,5 K oder mehr und 25 K oder weniger. Durch die isentrope Entspannung (Schritt (i)e) des erfindungsgemäßen Verfahrens) erfolgt eine Temperaturabsenkung. Abhängig vom Arbeitsmedium und der Druckdifferenz zwischen p_A4 und p_A1 liegt die Temperaturdifferenz ΔT zwischen T_A4 und T_A1 im Bereich von 0,6 K bis 20 K, insbesondere von 1 K bis 15 K.
Der Druck p_A1 beträgt etwa Atmosphärendruck. Er liegt vorzugsweise im Bereich von 0,2 bar bis 3 bar, insbesondere von 0,5 bar bis 2 bar.
Die Temperatur T_A1 ist dabei so gewählt, dass das zeotrope Gemisch beim Druck p_A1 flüssig ist. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt T_A1 im Bereich von -45 °C bis 60 °C, insbesondere von -40 °C bis 40 °C, vorzugsweise von -35 °C bis 25 °C, besonders bevorzugt von -30 °C bis 10 °C, insbesondere bevorzugt von -25 °C bis 0 °C.
Die Temperatur T_A2 ist größer als T_A1, da in Schritt (i) b) Wärme vom Kaltspeichermaterial auf das Arbeitsmedium übertragen wird. So kann T_A2 beispielsweise im Bereich von 20 °C bis 200 °C, insbesondere von 30 °C bis 150 °C, bevorzugt von 35°C bis 100 °C liegen. In Schritt (i) b) wird üblicherweise ein solche Wärmemenge aufgenommen, so dass ΔT zwischen T_A1 und T_A2 von 20 K bis 120 K, vorzugsweise von 25 K bis 100 K, insbesondere von 30 K bis 80 K beträgt.
Der Druck p_A2 entspricht im Wesentlichen den für p_A1 genannten Werten. Die Drücke p_A1 und p_A2 sind ungefähr gleich.
In Schritt (i) c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Energie in das Arbeitsmedium übertragen. Hierdurch steigt die Temperatur T_A2 auf die Temperatur T_A3. Die Temperatur T_A3 liegt unterhalb der Zersetzungstemperatur des Arbeitsmediums, welche üblicherweise 500°C beträgt. Somit ist T_A3 bevorzugt 500 °C oder weniger. Eine Temperatur von 200 °C sollte jedoch überschritten werden, damit ein effektiver Wärmetransfer in das Heißspeichermaterial ermöglicht wird. Bevorzugt ist T_A3 somit 400 °C oder weniger, insbesondere 300 °C oder weniger.
Neben der Zufuhr von Wärme wird das Arbeitsmedium in Schritt (i) c) des erfindungsgemäßen Verfahrens auch komprimiert, so dass der Druck des Arbeitsmediums von p_A2 auf p_A3 ansteigt. Der Druck p_A3 liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bar bis 100 bar, insbesondere im Bereich von 15 bar bis 90 bar, bevorzugt von 20 bar bis 80 bar, besonders bevorzugt von 30 bar bis 70 bar, insbesondere bevorzugt von 40 bar bis 60 bar.
Das Arbeitsmedium überträgt dann in Schritt (i) d) die Wärme auf das Heißspeichermaterial, wodurch die Temperatur von T_A3 auf T_A4 absinkt. Der Druck bleibt dabei im Wesentlichen unverändert, so dass p_A4 dieselben Werte aufweist wie P_A3.
Die Temperatur T_A4 liegt im Größenbereich von T_A1, wobei, wie bereits gesagt, TA4 > T_A1. T_A4 liegt vorzugsweise im Bereich von -40 °C bis 65 °C, insbesondere von -35 °C bis 50 °C, vorzugsweise von -30 °C bis 30 °C, besonders bevorzugt von -25 °C bis 20 °C, insbesondere bevorzugt von -20 °C bis 10 °C.
Die durch den Beladezyklus gespeicherte Energie kann im Entladezyklus wieder freigesetzt werden. Hierbei wird der Beladezyklus quasi in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen. wobei das Arbeitsmedium wieder einen Wechsel des Aggregatzustandes durchläuft.
Im Einzelnen wird zunächst das Arbeitsmedium bei einer Temperatur T_E1 und einem Druck p_E1 bereitgestellt. Das Arbeitsmedium ist flüssig. Die Temperatur T_E1 entspricht im Wesentlichen der Temperatur T_A1, wobei Temperaturunterschiede von bis zu 100 K oder weniger, insbesondere von 80 K oder weniger, vorzugsweise von 60 K oder weniger auftreten können. Die Temperaturunterschiede sind vom Design der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens abhängig und sollten möglichst gering sein. Temperaturunterschiede von 50 K oder weniger, insbesondere von 20 K oder weniger, vorzugsweise 15 K oder weniger, bevorzugt 10 K oder weniger sind daher besonders bevorzugt.
Der Druck p_E1 ist größer als p_A1. Dies ist notwendig, damit der Wärmetransfer auf das Kaltspeichermaterial erfolgen kann. die Druckdifferenz Δp zwischen p_A1 und p_E1 liegt insbesondere im Bereich von 0,05 bis 1 bar, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 0,9 bar, vorzugsweise im Bereich von 0,15 bis 0,5 bar.
Das kalte Arbeitsmedium (T_E1, p_E1) wird nun komprimiert, so dass der Druck auf p_E4 steigt (Schritt (ii) b) des erfindungsgemäßen Verfahrens). Die Temperatur T_E4, die das Arbeitsmedium nach der Kompression aufweist, liegt üblicherweise überhalb der Temperatur T_E1. Somit ist T_E4 > T_E1. Aufgrund des isentropen Wärmeeintrags in Form von mechanischer Arbeit kann eine Erhöhung der Temperatur um wenige K im Bereich von 0,5 K bis 15 K, insbesondere 0,6 K bis 10 K, erfolgen. Üblicherweise liegt der Wärmeunterschied bei weniger als 10 K. Die Temperatur des Arbeitsmediums wird nicht aktiv geändert, sondern die Änderung erfolgt alleine als Nebeneffekt des Arbeitsschrittes.
Das druckbehaftete kalte Arbeitsmedium wird nun erhitzt, wobei die Wärme von Heißspeichermaterial stammt (Schritt (ii) c) des erfindungsgemäßen Verfahrens). Hierdurch wird die Temperatur des Heißspeichermaterials von TH2 auf T_H1 abgesenkt, und die die Temperatur des Arbeitsmaterials von T_E4 auf T_E3 erhöht. Die im Heißspeichermaterial gespeicherte Energie wird somit wieder auf das Arbeitsmedium übertragen und man erhält ein heißes, druckbehaftetes Arbeitsmedium mit der Temperatur T_E3 und einem Druck p_E3. Auch in diesem Schritt kann der Druck auf Grund von Reibungsverlusten um wenige mbar absinken.
Die in dem heißen, druckbehafteten Arbeitsmedium gespeicherte Energie kann freigesetzt werden (Schritt (ii) d) des erfindungsgemäßen Verfahrens). In diesem Arbeitsschritt wird in einer Expansionsmaschine mechanische Arbeit abgegeben, welche für den Betrieb beispielsweise eines Generators verwendet werden kann. Nachdem die Energie freigesetzt wurde, weist das Arbeitsmedium eine Temperatur T_E2 und einen Druck p_E1 auf. Die Temperatur T_E2 liegt über der Temperatur T_E1. Diese überschüssige Temperatur wird abschließend auf das Kaltspeichermaterial übertragen (Schritt (ii) e) des erfindungsgemäßen Verfahrens). Hierdurch wird das Arbeitsmedium flüssig und die Temperatur sinkt auf T_E1 ab. Der Druck bleibt bei p_E1 quasi konstant. Die Temperatur des Kaltspeichermaterials steigt von T_K1 auf T_K2.
Der Entladezyklus kann erneut ablaufen und zwar so lange bis alle Energie aus dem Heißspeichermaterial auf das Arbeitsmedium und von diesem auf den Generator oder eine vergleichbare Vorrichtung übertragen wurde.
In Analogie zum CHEST-System wird auch im erfindungsgemäßen Verfahren der Phasenwechsel flüssig-gasförmig verwendet, um die kaltseitige Energie zu speichern. Erfindungsgemäß ist der Kaltspeicher ein alleinstehender Speicher mit einem Kaltspeichermaterial.
Erfindungsgemäß wird die überschüssige Energie, die dem Kaltspeichermaterial im Entladezyklus zugeführt wird (Schritt (ii) e) des erfindungsgemäßen Verfahrens), verwendet, um das Arbeitsmedium im Beladezyklus zu verdampfen und so das Kaltspeichermaterial abzukühlen.
Im Entladezyklus läuft der Beladezyklus quasi in umgekehrter Reihenfolge ab. Entsprechend sind T_A1 und T_E1 in derselben Größenordnung. Gleiches gilt für T_A2 und T_E2 sowie für T_A3 und T_E3 sowie für T_A4 und T_E4. Für die Drücke gilt entsprechendes. Es hat sich gezeigt, dass vorzugsweise p_E4 90% bis 120%, insbesondere 95% bis 110% von p_A4 beträgt.
Vorrichtung (10) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend:

einen Arbeitsmediumkreislauf (11) mit einem Arbeitsmedium; der Arbeitsmediumkreislauf (11) umfasst mindestens einen Kaltspeicher (12a, 12b) mit mindestens einer ersten Wärmeübertrager (13); mindestens einen Heißspeicher (14a, 14b) mit mindestens einer zweiten Wärmeübertrager (15); eine erste Strömungsmaschine (16); sowie eine zweite Strömungsmaschine (17), wobei in einem Beladezyklus der Vorrichtung (10) aus dem mindestens einem Kaltspeicher (12a, 12b) über den mindestens einen ersten Wärmeübertrager (13) Wärmeenergie aus dem mindestens einem Kaltspeicher (12a, 12b) dem Arbeitsmedium zuführbar ist zur Umwandlung des Arbeitsmediums von einem flüssigen in einen gasförmigen Aggregatzustand, wobei unter Energiezufuhr über die erste Strömungsmaschine (16) der Druck und die Temperatur des Arbeitsmediums erhöhbar ist, wobei über den mindestens einen zweiten Wärmeübertrager (15) dem Arbeitsmedium Wärme entziehbar und dem mindestens einem Heißspeicher (14a, 14b) zuführbar ist und wobei eine zweite Strömungsmaschine (17) zur Reduktion des Druckes des Arbeitsmediums ausgebildet ist und/oder
wobei in einem Entladezyklus der Vorrichtung (10) das Arbeitsmedium über die zweite Strömungsmaschine (17) unter Energiezufuhr komprimierbar ist, wobei die Temperatur des Arbeitsmediums durch Abgabe von Wärme an den mindestens einen Heißspeicher (14a, 14b) über den mindestens einen zweiten Wärmeübertrager (15) erhöhbar ist, wobei der Druck des Arbeitsmediums über die erste Strömungsmaschine (16) unter Freisetzung mechanischer Energie entspannbar ist und wobei Wärmeenergie vom dem Arbeitsmedium über den mindestens einen ersten Wärmeübertrager (13) an den mindestens einen Kaltspeicher (12a, 12b) abführbar ist zur Umwandlung des gasförmigen Aggregatzustands des Arbeitsmediums in den flüssigen Aggregatzustand.

Bevorzugt kann die Vorrichtung (10) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiterhin mindestens einen dritte Wärmeübertrager umfassen, wobei der mindestens eine dritte Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung aus dem Bereich zwischen dem Heißspeicher (14a, 14b) und der zweiten Strömungsmaschine (17) auf den Bereich zwischen dem Kaltspeicher (12a, 12b) und der ersten Strömungsmaschine (16) angeordnet ist.
Erfindungsgemäß wird somit nur ein Kompressor 16a und ein Entspanner 16b (Kolben- oder Strömungsmaschine, als erste Strömungsmaschine 16) auf der Gasseite benötigt. Auf der Flüssigkeitsseite reichen Flüssigkeitspumpen 17b und -düsen 17a oder Flüssigkeitsturbinen (als zweite Strömungsmaschine 17a) aus. Komplexe Vorrichtungen, wir Sie im Stand der Technik teilweise benötigt werden, werden vorliegend nicht benötigt.
Das dargestellte System erlaubt die standortunabhängige und wirtschaftliche Speicherung von elektrischer Energie aus unterschiedlichen Energien. Es ist ausgelegt auf eine Größenordnung von 1-200 MW Speicherleistung und eine Speicherdauer von 5-50 Stunden. Damit eignet es sich für die großtechnische Stromspeicherung für kleine Betriebe, Industrieareale und ganze Städte und erlaubt die Einbindung von Strom aus Wind und Sonne in weltweite Energiesysteme. Die Investitions- und Betriebskosten werden als deutlich geringer eingeschätzt als dies bei Lithium-Ionen Akkus oder vergleichbaren Batteriesystemen der Fall ist, sodass diese Technologie auch wirtschaftlich viele Vorteile bietet. Da keine besonderen geologischen oder geografischen Gegebenheiten, Energiequellen oder -senken, oder andere standortabhängige Besonderheiten für den Betrieb des Systems benötigt werden, kann die Technologie weltweit eingesetzt werden.
Ausführungsbeispiel:
Eine beispielhafte Darstellung der dargelegten Erfindung ist hier im Folgenden dargestellt.
Ein zeotropes Gemisch aus 80 Gew.-% Ammoniak und 20 Gew.-% Wasser wurde als Arbeitsmedium genutzt. Ein Wasser-Salz (25 Gew.-% CaCl₂)-Gemisch stellte das Kaltspeichermaterial dar. Es wurden drei Heißspeicher mit drei verschiedenen Heißspeichermaterialien verwendet. Als erstes Heißspeichermaterial wurde eine Salzmischung (8% NaNO₃-48% KNO₃- 2% LiNO₃-42% CaNO₃) genutzt. Das zweite Heißspeichermaterial war druckbehaftetes Wasser, das dritte Heißspeichermaterial druckloses Wasser.
Der Beladezyklus ist in 3 schematisch dargestellt. 4 zeigt das zugehörige T-s-Diagramm des Arbeitsmediums während des Durchlaufs durch eine erfindungsgemäß bevorzugt Vorrichtung.
Der Beladezyklus umfasste die folgenden Schritte:

1. Das Arbeitsmedium (T_A1: -21 °C, p_A1: 1,38 bar) (Position 6 in 3 und 4) wurde mittels eines ersten Wärmeübertrages mithilfe des Kaltspeichermaterial auf erwärmt (T_A2: 69 °C, p_A2: 1,35 bar) (Position 1 in 3 und 4). Dabei sank die Temperatur des Kaltspeichermaterials von 70,5 °C (T_K2) auf - 19,5 °C (T_K1) ab.
2. Das Arbeitsmedium mit einer Temperatur von 69 °C und einem Druck von 1,35 bar (T_A2, p_A2, entsprechend Position 1 in 3 und 4 ) wurde mit einem Kompressor (M) mithilfe von elektrischer Energie auf hohen Druck von 57 bar und eine Temperatur von 500 °C (p_A3, T_A3, entsprechend Position 2 in 3 und 4) erhitzt. Dadurch wurde die vom Strom aufgebrachte mechanische Arbeit im Arbeitsmedium gespeichert.
3. Das heiße Arbeitsmedium (T_A3: 500 °C, p_A3. 57 bar) wird dann mittels eines ersten Heißspeichermaterials abgekühlt, wodurch ein Teil der Wärme vom Arbeitsmedium auf das erste Heißspeichermaterial übertragen wird, wodurch das Arbeitsmedium die Temperatur T: 190 °C und den Druck p: 55,4 bar aufweist (Position 3 in 3 und 4). Über weitere Heißspeicher wird das Arbeitsmedium zunächst auf eine Temperatur T: 110 °C und einen Druck p: 54,3 bar (Position 4 in 3 und 4) und abschließend auf T: -14 °C, p: 53,2 bar (T_A4, p_A4; Position 5 in 3 und 4) abgekühlt.
4. Das nun kalte aber druckbehaftete Arbeitsmedium (T_A4, p_A4) wurde mittels einer Düse expandiert, wodurch der Temperatur und Druck des Arbeitsmediums wieder den Ausganswert T_A1, p_A1 annahmen.

Zum Entladen wurde der Kreislauf umgekehrt und unter Zuhilfenahme einer Flüssigkeitspumpe durchlaufen. Der Entladezyklus ist in 5 schematisch dargestellt. 6 zeigt das zugehörige T-s-Diagramm.
Im Entladezyklus lag das Arbeitsmedium zu Beginn (Position 1 in 5 und 6) bei T_E1: -18 °C, p_E1: 1,6 bar vor. Nach Kompression lag der Druck p_E2 bei 52,6 bar (T_E2: -17 °C; Position 2 in 5 und 6). Sukzessive wurde Wärme von mehreren Wärmespeichern auf das Arbeitsmedium übertragen wobei es zu dem folgenden Temperaturanstieg und Druckentwicklung kam:

Position 3 in 5/6: T:107 °C, p: 51,6 bar
Position 4 in 5/6 T: 182 °C, p: 49,5 bar
Position 5 in 5/6 T_E3: 496,5 °C, p_E3: 49,5 bar

Die im Arbeitsmedium gespeicherte Energie wurde an einen Generator G übertragen, so dass das Arbeitsmedium die Temperatur T_E2: 152°C und den Druck p_E2: 1,6 bar aufwies (Position 6 in 5 und 6). Der letzte Schritt war die Abführung der verbliebenen Restwärme auf das Kaltspeichermaterial, wodurch das Arbeitsmedium wieder Anfangstemperatur T_E1 und Anfangsdruck p_E1 aufwies.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014212051 A [0041]
WO 2017/093030 A [0041]

Claims

Verfahren zur Speicherung und Freisetzung von elektrischer Energie umfassend die Schritte: (i) in einem Beladezyklus a) wird ein flüssiges Arbeitsmedium bei einer Temperatur T_A1 und einem Druck p_A1 bereitgestellt, b) anschließend wird Wärme von mindestens einem Kaltspeichermaterial auf das Arbeitsmedium mittels mindestens einem ersten Wärmeübertrager übertragen, wodurch die Temperatur des Arbeitsmediums von T_A1 auf eine Temperatur T_A2 ansteigt, wodurch das Arbeitsmedium gasförmig wird und den Druck p_A2 aufweist, c) mittels mechanischer Arbeit aus elektrischer Energie wird das gasförmige Arbeitsmedium von der Temperatur T_A2 auf eine Temperatur TA3 erwärmt und der Druck von einem Druck p_A2 auf einen Druck p_A3 erhöht, d) anschließend wird die aus der mechanischen Arbeit gewonnene und im Arbeitsmedium gespeichert Wärme vom Arbeitsmedium über mindestens einen Wärmeübertrager auf mindestens ein Heißspeichermaterial übertragen, wodurch die Temperatur des Arbeitsmediums von T_A3 auf T_A4 sinkt, und e) der Druck des Arbeitsmediums wird im Anschluss von p_A4 auf p_A1 reduziert, so dass man erneut ein flüssiges Arbeitsmedium mit einer Temperatur T_A1 und einem Druck p_A1 erhält, so dass ein Kreisprozess aus den Schritten b) bis e) durchgeführt werden kann; und (ii) in einem Entladezyklus a) wird das flüssiges Arbeitsmedium bei einer Temperatur T_E1 und einem Druck p_E1 bereitgestellt, b) das Arbeitsmedium wird auf einen Druck p_E4 komprimiert und weist die Temperatur T_E4 auf, c) Wärme vom mindestens einen Heißspeichermaterial wird mittels mindestens eines Wärmeübertragers auf das Arbeitsmedium übertragen, wodurch die Temperatur des Arbeitsmaterials von T_E4 auf T_E3 steigt, d) das dann heiße, druckbehaftete Arbeitsmedium mit der Temperatur TE3 und dem Druck p_E3 wird entspannt auf eine Temperatur T_E2 und einen Druck p_E2, wodurch mechanische Energie freigesetzt wird, und e) Wärme des gasförmigen Arbeitsmedium mit der Temperatur T_E2 und dem Druck p_E2 wird mittels mindestens eines Wärmeübertragers auf des mindestens eine Kaltspeichermaterial übertragen, wodurch das Arbeitsmedium kondensiert und anschließend eine Temperatur T_E1 und einen Druck p_E1 aufweist, so dass ein Kreisprozess aus den Schritten b) bis e) durchgeführt werden kann; wobei das Arbeitsmedium ein zeotropes Gemisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zeotrope Gemisch ein binäres System aus einem Primärstoff und einem Sekundärstoff ist, wobei der Primärstoff ausgewählt ist aus Ammoniak oder CO₂ und der Sekundärstoff ausgewählt ist aus Wasser, Ethanol oder Methanol.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltspeichermaterial Wasser oder Luft aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltspeichermaterial Wasser aufweist, wobei das Wasser Additive zur Gefrierpunktserniedrigung, ausgewählt aus NaCl, CaCl₂, Glycol, Methanol, Ethanol oder eine Mischung aus diesen, aufweist oder das Wasser druckbeaufschlagt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das das Heißspeichermaterial ein sensibler Wärmespeicher, insbesondere eine Salzmischung, ein thermisches Öl, ein Wachs, druckloses oder druckbehaftetes Wasser, Keramiken oder Schüttungen aus Sand, Kies oder Gestein, ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Salzmischung ausgewählt ist aus Nitrat- und/oder Nitrit-Salzen von Alkali- und/oder Erdalkalimetallen sowie Mischungen aus diesen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie in (i) c) aus regenerativen Energien, insbesondere von Solarenergie und/oder Windenergie stammt.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend: einen Arbeitsmediumkreislauf (11) mit einem Arbeitsmedium; der Arbeitsmediumkreislauf (11) umfassend mindestens einen Kaltspeicher (12a, 12b) mit mindestens einer ersten Wärmeübertrager (13); mindestens einen Heißspeicher (14a, 14b) mit mindestens einer zweiten Wärmeübertrager (15); eine erste Strömungsmaschine (16); sowie eine zweite Strömungsmaschine (17), wobei in einem Beladezyklus der Vorrichtung (10) aus dem mindestens einem Kaltspeicher (12a, 12b) über den mindestens einen ersten Wärmeübertrager (13) Wärmeenergie aus dem mindestens einem Kaltspeicher (12a, 12b) dem Arbeitsmedium zuführbar ist zur Umwandlung des Arbeitsmediums von einem flüssigen in einen gasförmigen Aggregatzustand, wobei unter Energiezufuhr über die erste Strömungsmaschine (16) der Druck und die Temperatur des Arbeitsmediums erhöhbar ist, wobei über den mindestens einen zweiten Wärmeübertrager (15) dem Arbeitsmedium Wärme entziehbar und dem mindestens einem Heißspeicher (14a, 14b) zuführbar ist und wobei eine zweite Turbine (16) zur Reduktion des Druckes des Arbeitsmediums ausgebildet ist und/oder wobei in einem Entladezyklus der Vorrichtung (10) das Arbeitsmedium über die zweite Strömungsmaschine (17) unter Energiezufuhr komprimierbar ist, wobei die Temperatur des Arbeitsmediums durch Abgabe von Wärme des mindestens einen Heißspeichers (14a, 14b) über den mindestens einen zweiten Wärmeübertrager (15) erhöhbar ist, wobei der Druck des Arbeitsmediums über die erste Strömungsmaschine (16) unter Freisetzung mechanischer Energie entspannbar ist und wobei Wärmeenergie vom dem Arbeitsmedium über den mindestens einen ersten Wärmeübertrager (13) an den mindestens einen Kaltspeicher (12a, 12b) abführbar ist zur Umwandlung des gasförmigen Aggregatzustands des Arbeitsmediums in den flüssigen Aggregatzustand.
Vorrichtung nach Anspruch 8 weiterhin umfassend mindestens einen dritte Wärmeübertrager, wobei der mindestens eine dritte Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung aus dem Bereich zwischen dem Heißspeicher (14a, 14b) und der zweiten Strömungsmaschine (17) auf den Bereich zwischen dem Kaltspeicher (12a, 12b) und der ersten Strömungsmaschine (16) angeordnet ist.
Verwendung einer Vorrichtung, bevorzugt nach einem der Ansprüche 8 oder 9 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.