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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmespeichersystem zur sensiblen Wärmespeicherung in Salzschmelzen.
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Zur Speicherung von Wärme in Wärmespeichern sind neben Latentwärmespeichern und thermochemischen Wärmespeichern Wärmespeicher bekannt, die eine sensible Wärmespeicherung vornehmen.
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Wärmespeichervorrichtungen zur sensiblen Wärmespeicherung sind beispielsweise als sogenannte Flüssigsalzspeicher in solarthermischen Kraftwerken bekannt. Großmaßstäblich umgesetzt sind sogenannte Zweitanksysteme, bei denen in dem sogenannten Heißtank solarthermisch erhitztes, geschmolzenes Salz gespeichert wird und zur Entladung der Wärmeenergie durch einen Wärmetauscher in einen sogenannten Kalttank geleitet werden. Von diesem wird die kalte Salzschmelze durch die Wärmeübertrager oder Solarreceiver, wie beispielsweise Solarturmreceiver oder Parabolrinnenreceiver, zur Erhitzung geleitet und anschließend wieder in den Heißtank gespeichert. Dabei bleibt die Temperatur in den jeweiligen Tank konstant. Bei derartigen Systemen ist die maximale Temperatur der Salzschmelze auf ca. 560° C begrenzt, da andernfalls eine zu starke thermischen Zersetzung des Solarsalzes erfolgt. Solarsalz ist in der Literatur als Mischung mit 60 Gew% Natriumnitrat und 40 Gew% Kaliumnitrat definiert. Bei der Zersetzung des Solarsalzes kommt es zu einer Reaktion in der flüssigen Phase und zu einer Abgabe von Gasen. Die wesentlichen Reaktionen bei der Zersetzung der Salzschmelze sind eine Nitrat-Nitrit-Umwandlung mit der Freisetzung von Sauerstoff und bei ansteigenden Temperaturen eine Nitrit-Oxid-Umwandlung mit der Freisetzung von Stickoxiden. Die Freisetzung von Sauerstoff ist tolerierbar. Die giftigen Stickoxide sind jedoch zu vermeiden, da diese nicht aus dem Speichersystem gelangen sollten, was jedoch nur mit großem Aufwand verwirklichbar ist.
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Weiterhin kann die Zersetzung mit Stickoxiden zu einer Anreicherung von Oxidionen im Solarsalz führt. Durch die Oxidionen kann die Korrosionsrate von Behältermaterialien steigen. Insgesamt ist es daher erstrebenswert die Stickoxidreaktion so weit wie möglich zu unterdrücken.
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Häufig wird bei Zweitanksystemen auch ein Schutzgas eingesetzt, was neben dem generellen Verbrauch dieses Schutzgases und damit verbundenen Kosten auch zu Wärmeverlusten durch eine Erwärmung des Schutzgases führt.
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Ein Zweitanksystem ist darüber hinaus durch das Vorsehen von zwei Tanks mit einem relativ hohen konstruktiven Aufwand verbunden.
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Ferner kann es bei geringen Füllständen zu einer Auskühlung des Heißtanks kommen, was zu Verformungen des Tankbodens relativ zu dem Untergrund und somit zu Beschädigungen des Tanks führen kann.
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Neben den kommerziellen Zweitanksystemen sind auch sogenannte Eintanksysteme untersucht worden.
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Bei Eintanksystemen nach dem sogenannten Thermoclyne-Prinzip, können Problem durch eine unscharfe Trennung von Heiß- und Kaltphase entstehen.
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Bei Eintanksystemen mit einer schwimmenden Platte können Verluste zwischen Heiß- und Kaltphase aufgrund des notwendigen radialen Spalts der Platte zu der Behälterwandung entstehen. Darüber hinaus besteht ein Risiko, dass eine in dem Behälter verwendete Tauchpumpe in Kontakt mit der Platte kommt, was zu Beschädigungen führen kann
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Die zuvor beschriebenen technischen Beispiele sind allgemeines Knowhow der Anmelderin und geben nicht unbedingt einen konkreten Stand der Technik wieder. Die beschriebenen Systeme sind darüber hinaus nicht zwangsläufig vorveröffentlicht.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärmespeichersystem zur sensiblen Wärmespeicherung von Salzschmelzen zu schaffen, das von einfachem konstruktiven Aufbau ist und darüber hinaus eine vorteilhafte Trennung zwischen Heiß- und Kaltphase ermöglicht.
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Das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem zur sensiblen Wärmespeicherung in Salzschmelzen sieht einen Wärmespeicherbehälter zur Aufnahme von Salzschmelze vor, wobei in dem Wärmespeicherbehälter kalte Salzschmelze mit einer Dichte ρK, heiße Salzschmelze mit einer Dichte ρH und eine Vielzahl von Schwimmkörpern mit einer vorgegebenen Dichte ρS angeordnet sind, wobei gilt ρH < ρS < ρK. Salzschmelze hat die Eigenschaft, dass diese im kalten Zustand, was etwa im Bereich einer Temperatur von 300° C liegt, und im heißen Zustand, was im Bereich von 560° C und teilweise darüber ist, einen relativ großen Dichteunterschied aufweist, sodass sich in dem Wärmespeicherbehälter die kalte Salzschmelze unten und die heiße Salzschmelze oben anordnet. Die Schwimmkörper, die eine Dichte ρS aufweisen, die zwischen der Dichte ρK der kalten Salzschmelze und der Dichte ρH der heißen Salzschmelze liegt, schwimmen die Schwimmkörper in einer Trennschicht zwischen der kalten Salzschmelze und der heißen Salzschmelze, die sich zwischen den beiden Bereichen ausbildet. Die kalte Salzschmelze hat darüber hinaus eine im Vergleich zur heißen Salzschmelze relativ hohe Zähigkeit (ca. Faktor 4), sodass die Schwimmkörper praktisch auf der Kaltphase aufliegen. Die Schwimmkörper bilden somit in vorteilhafter Weise eine Trennung zwischen der heißen Salzschmelze und der kalten Salzschmelze. Da Salzschmelzen grundsätzlich eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit aufweise, bildet das sich zwischen den Schwimmkörpern anordnende Salz, das eine Temperatur zwischen der Temperatur der kalten Salzschmelze und der Temperatur der heißen Salzschmelze aufweist, eine Art Isolationsschicht. Dadurch werden die heiße Salzschmelze und die kalte Salzschmelze in vorteilhafter Weise voneinander getrennt und eine Vermischung der kalten und heißen Phase wird unterbunden. Auch wird eine Wärmeübertragung von der heißen Salzschmelze auf die kalte Salzschmelze und damit verbundene Wärmeverluste verringert. Im Betrieb kann nun in vorteilhafter Weise kalte Salzschmelze in den unteren Bereich, d.h. im Bereich unterhalt der Schwimmkörper eingefüllt werden und heiße Salzschmelze in den oberen Bereich, d.h. im Bereich oberhalb der Schwimmkörper, wodurch im Betrieb die Trennung zwischen den Phasen erhalten bleibt.
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Unter der Dichte ρS der Schwimmkörper wird die „Gesamtdichte“ der Schwimmkörper verstanden und nicht die Dichte einzelner Materialien, aus denen die Schwimmkörper bestehen können.
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Dadurch, dass Salzschmelze zwischen den Schwimmkörpern angeordnet ist, werden darüber hinaus Reibungen zwischen den Schwimmkörpern reduziert, wodurch ein Abrieb der Schwimmkörper, der die Salzschmelze verschmutzen kann, reduziert bzw. vermieden wird.
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Vorzugsweise sind die Schwimmkörper als Hohlkörper ausgebildet. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Hohlkörper mit einem Ballast gefüllt sind. Auf diese Weise kann eine Dichte der Hohlkörper angepasst werden, wodurch eine Anpassung an den Temperaturbereich, in dem das Wärmespeichersystem betrieben wird, oder auch an die Art der verwendeten Salzschmelze erfolgen kann.
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Der Ballast sollte möglichst eine Temperaturbeständigkeit aufweisen, die deutlich über der Temperatur der heißen Salzschmelze liegt, beispielsweise sollte eine Temperaturbeständigkeit von 700° C oder mehr vorliegen.
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Bei einer Ausführungsform wird als Ballast Sand verwendet. Sand hat sich als besonders vorteilhaft für die Verwendung als Ballast in als Hohlkörper ausgebildeten Schwimmkörper herausgestellt.
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Die Schwimmkörper können zumindest teilweise aus einem Metall bestehen. Selbstverständlich muss das Material, aus dem die Schwimmkörper bestehen, auch eine Temperaturbeständigkeit aufweisen, durch die vermieden wird, dass es zu einer Veränderung der Schwimmkörper aufgrund der Temperatur der heißen salzschmelze kommen kann. Demnach sollten die Schwimmkörper auch eine Temperaturbeständigkeit von mindesten 700° C oder mehr aufweisen.
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Die Schwimmkörper können zumindest teilweise aus Edelstahl oder einem austenitischen Stahl bestehen.
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Die Schwimmkörper können eine Kugelform aufweisen. Eine derartige Form hat den besonderen Vorteil, dass diese sich in der Trennschicht in besonders vorteilhafter Weise und sehr dicht anordnen können, wodurch die Trennschicht in besonders vorteilhafter Weise ausgebildet werden kann. Darüber hinaus ist eine Reibung und somit der Abrieb zwischen kugelförmigen Schwimmkörpern sehr gering. Auch wird ein Verkanten der Schwimmkörper gegeneinander durch die Kugelform vermieden oder reduziert, sodass vermieden wird, dass die Schwimmkörper beispielsweise zu stark in die heiße oder kalte Salzschmelze hineinragen.
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Die Schwimmkörper können einen Durchmesser D aufweisen, wobei gilt: 50 mm ≤ D ≤ 500 mm.
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Bei der Ausgestaltung der Schwimmkörper in einer Kugelform betrifft der Durchmesser D den Außendurchmesser der Kugeln. Bei Schwimmkörpern mit einer anderen Form bezieht sich der Durchmesser D auf den maximalen Durchmesser der entsprechenden Form.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur die Erfindung näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt schematisch eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Wärmespeichersystems 1.
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Das Wärmespeichersystem 1 weist einen Wärmespeicherbehälter 3 auf und dient zur Wärmespeicherung in Salzschmelzen. Der Wärmespeicherbehälter 3 ist von einer Isolierung 5 umgeben. In den Wärmespeicherbehälter 3 ist in einem Heißbereich heiße Salzschmelze 9 und in einem Kaltbereich 11 kalte Salzschmelze 13 angeordnet. Aufgrund der geringeren Dichte der heißen Salzschmelze 9 befindet sich der Heißbereich 7 oberhalb des Kaltbereichs 11. Zwischen dem Heißbereich 7 und dem Kaltbereich 11 ist eine Trennschicht 15 gebildet. Die Trennschicht 15 ist bei dem erfindungsgemäßen Wärmespeichersystem 1 durch eine Vielzahl von Schwimmkörpern 17 mit dazwischen befindlicher Salzschmelze 19 gebildet. Die Salzschmelze 19 weist dabei eine Temperatur auf, die geringer ist als die Temperatur der heißen Salzschmelze 9 und höher als die Temperatur der kalten Salzschmelze 13.
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Die Salzschmelze hat grundsätzlich die Eigenschaft, dass ein relativ großer Dichteunterschied zwischen der Dichte ρK der kalten Salzschmelze 13 und der Dichte ρH der heißen Salzschmelze 9 besteht. Die Dichte ρS der Schwimmkörper 17 ist dabei derart gewählt, dass diese größer ist als die Dichte ρH der heißen Salzschmelze 9 und geringer ist als die Dichte ρK der kalten Salzschmelze 13, wodurch die Schwimmkörper 17 zwischen der kalten Salzschmelze 13 und der heißen Salzschmelze 9 angeordnet sind.
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Die Schwimmkörper 17 weisen eine Kugelform mit einem Durchmesser D auf.
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Durch die Schwimmkörper 17 und die dazwischen befindliche Salzschmelze 19 ist eine vorteilhafte Isolierung zwischen der kalten Salzschmelze 13 und der heißen Salzschmelze 9 gebildet, wodurch Wärmeverluste vermieden werden.
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Das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem 1 weist darüber hinaus eine Vorrichtung 21 zum Be- und Entladen des Wärmespeicherbehälters 3 auf. Zum Entladen des erfindungsgemäßen Wärmespeichersystems 1 wird über eine Heißleitung 23 heiße Salzschmelze 9 aus dem Heißbereich 7 entnommen, wobei abgekühlte kalte Salzschmelze 13 in den Kaltbereich 11 eingeleitet wird. Beim Beladen des erfindungsgemäßen Wärmespeichersystems 1 wird kalte Salzschmelze 13 aus dem Kaltbereich 11 über eine Kaltleitung 25 entnommen und nach dem Erhitzen in beispielsweise einem Wärmetauscher 27 in den Heißbereich 7 eingeleitet. Die Trennschicht 15 wandert somit beim Be- und Entladen entsprechend in dem Wärmespeicherbehälter 3 auf und ab.
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Die Schwimmkörper 17 können als Hohlkugeln ausgebildet sein, die mit einem Ballast, beispielsweise Sand gefüllt sind. Die Hohlkugeln können beispielsweise aus Edelstahl bestehen. Durch die Kugelform wird Reibung zwischen den Schwimmkörpern 17 und somit ein Abrieb geringgehalten, wobei darüber hinaus das zwischen den Schwimmkörpern 17 angeordnete Salz 19 die Reibung weiter verringert.
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Das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem 1 ermöglicht somit, dass die bei Eintanksystemen vorhandenen Nachteile, insbesondere des Wärmeübergangs von der heißen Salzschmelze 9 zu der kalten Salzschmelze 13 vermieden werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmespeichersystem
- 3
- Wärmespeicherbehälter
- 5
- Isolierung
- 7
- Heißbereich
- 9
- heiße Salzschmelze
- 11
- Kaltbereich
- 13
- kalte Salzschmelze
- 15
- Trennschicht
- 17
- Schwimmkörper
- 19
- Salzschmelze, Salz
- 21
- Vorrichtung
- 23
- Heißleitung
- 25
- Kaltleitung
- 27
- Wärmetauscher
