DE102021129709A1

DE102021129709A1 - Energiespeichersystem zum Speichern und Bereitstellen thermischer Energie

Info

Publication number: DE102021129709A1
Application number: DE102021129709.5A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-11-15
Filing date: 2021-11-15
Publication date: 2023-05-17
Also published as: WO2023084115A3; WO2023084115A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Bereitstellung thermischer Energie, das System umfassend einen ersten thermischen Energiespeicher, einen zweiten thermischen Energiespeicher, eine Wärmepumpe und eine Steuerung, wobei der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher jeweils eine energiespeichernde Komponente im Erdreich umfassen, und wobei der erste Energiespeicher gegenüber dem zweiten Energiespeicher thermisch isoliert ist, wobei die Wärmepumpe mit dem ersten Energiespeicher und dem zweiten Energiespeicher selektiv koppelbar ist, und wobei die Steuerung eingerichtet ist, die Wärmepumpe zu betreiben, um Wärme von einem ersten Wärmeträgerkreislauf, welcher mit dem zweiten Energiespeicher gekoppelt ist, zu dem ersten Energiespeicher zu übertragen.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf dem technischen Gebiet der thermischen Energiespeicherung und betrifft insbesondere ein Energiespeichersystem zur Verwendung mit einer Wärmepumpe für die effizientere Nutzung regenerativ erzeugter Energie.
HINTERGRUND
Die auf einem Gebäudedach auftreffende Energie ist regelmäßig ausreichend, um zumindest im Jahresmittel den Energiebedarf des Gebäudes zu decken. Dazu können Photovoltaikmodule zum Erzeugen von elektrischem Strom und Photothermiesysteme zur Erzeugung von Warmwasser verwendet werden, und die gewonnene Energie kann jeweils Verbrauchern in dem Gebäude zugeführt werden. Ferner können zusätzliche variable Energiequellen zur Verwendung in einem Gebäude bereitstehen, wie die Abwärme einer Kältemaschine oder ein erzeugter Strom einer Windkraftanlage.
Problematisch ist jedoch in allen vorgenannten Fällen, dass eine entsprechende (regenerative) Energieerzeugung und ein Energieverbrauch durch private Haushalte oder industrielle Komplexe zeitlich sowohl kurzfristig als auch saisonal häufig auseinanderfallen. Insbesondere ist ein regeneratives Energieerzeugungspotential im Sommer regelmäßig höher als im Winter, bspw. durch Photovoltaik oder Photothermie, obwohl im Winter ein deutlich erhöhter Energieverbrauch anfällt, insbesondere für die Heiz- und Brauchwasserheizung.
Eine Möglichkeit, den Verbrauch und die Erzeugung von Energie zu entkoppeln, stellen thermische Energiespeicher dar. Diese können die erzeugte Energie in Kälte- oder Wärmespeichern kurz- bis langfristig zwischenspeichern, um unterschiedliche Zeitpunkte der Energieerzeugung und dem Energieverbrauch auszugleichen.
Aus der Patentschrift DE 10 2008 041 715 A1 ist es beispielsweise bekannt, unter einem Gebäude einen Zisternenspeicher vorzusehen, welcher über Wärmetauscher mit Wärmeträgerkreisläufen des Gebäudes gekoppelt ist. Ein erwärmtes Wärmeträgermedium, welches von einer Solaranlage erhitzt wurde, kann zum Erhitzen des Zisternenspeichers verwendet werden. Dadurch wird zum einen die Temperatur des Zisternenspeichers saisonal erhöht und zum anderen eine Kühlung der Photovoltaikanlage bereitgestellt. Brauch- und Heizwasser kann anschließend durch Wärmeaustausch mit einem Pufferspeicher bereitgestellt werden, welcher durch den Betrieb einer Wärmepumpe erhitzt werden kann. Insbesondere kann die Wärmepumpe den Zisternenspeicher im Erdreich über die Wärmepumpe thermisch mit dem Pufferspeicher koppeln, um ein erhöhtes Temperaturniveau zur gebäudeinternen Wärmenutzung bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme kranken jedoch üblicherweise daran, dass die Energiespeicherung nicht auf saisonal abweichende Anforderungen an die Energiespeicher abgestimmt ist und aus Effizienzgründen regelmäßig eine Speicherung bei niedrigeren Temperaturen erfolgt. Dies kann in dem bekannten Stand der Technik darin resultieren, dass durch das Aufheizen der Energiespeicher es im Hoch- bis Spätsommer schwerer wird, Photovoltaikanlagen effektiv zu kühlen, sodass ein Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage saisonal abnimmt. Gleichzeitig nimmt im Winter die Temperatur des Energiespeichers stetig ab, sodass die Effizienz von Wärmepumpenheizungen bei gleichzeitig geringer werdender Energieerzeugung ebenfalls abnimmt. Da herkömmliche Energiespeicher in Gebäuden jedoch oft keine elektrischen Energiespeicher aufweisen, werden im Frühjahr regelmäßig externe Stromquellen notwendig, um die Gebäudeheizung weiter betreiben zu können.
In Anbetracht dieses Stands der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Energiespeicherung für ein Gebäude bereitzustellen, welche es erlaubt, die saisonalen Schwankungen von Energieverbrauch und regenerativer Energieerzeugung vorteilhaft auszugleichen. Insbesondere soll das Ziel verfolgt werden, eine ganzjährige Heizung und Warmwasserbereitung möglichst ohne externen Strombedarf bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Systeme, ein auf die Systeme abgestimmtes Gebäude und ein Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen.
Gemäß einem ersten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein System zur Bereitstellung thermischer Energie. Das System umfasst einen ersten thermischen Energiespeicher, einen zweiten thermischen Energiespeicher, eine Wärmepumpe und eine Steuerung. Der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher umfassen jeweils eine energiespeichernde Komponente im Erdreich, wobei der erste Energiespeicher gegenüber dem zweiten Energiespeicher thermisch isoliert ist. Die Wärmepumpe ist mit dem ersten Energiespeicher und dem zweiten Energiespeicher selektiv koppelbar. Die Steuerung ist eingerichtet, die Wärmepumpe zu betreiben, um Wärme von einem ersten Wärmeträgerkreislauf, welcher mit dem zweiten Energiespeicher gekoppelt ist, zu dem ersten Energiespeicher zu übertragen.
Das System kann zur Bereitstellung eines erwärmten Wärmeträgermediums für einen Wärmeverbraucher, beispielsweise zur Heizung in einem Gebäude, verwendet werden. Die Bereitstellung von zwei thermisch isolierten Energiespeichern kann es erlauben, saisonale Anforderungen an die Speicherkapazität und Energieformen zu erfüllen und die vorstehenden Probleme zu adressieren.
So kann im Frühsommer durch Umspeichern von Wärme von dem zweiten Energiespeicher in den ersten Energiespeicher ein niedriges Temperaturniveau in dem zweiten Energiespeicher erhalten bleiben, während gleichzeitig Wärme in dem ersten Energiespeicher gespeichert wird. Das niedrige Temperaturniveau des zweiten Energiespeichers kann zur effizienten und von dem Betrieb der Wärmepumpe unabhängigen Kühlung des Gebäudes und/oder einer Photovoltaikanlage verwendet werden. Im Spätsommer kann die Kapazität des zweiten Energiespeichers genutzt werden, um aufgrund der niedrigen Temperatur dieses Speichers auf effiziente Weise zusätzliche Wärmeenergie in dem zweiten Energiespeicher zu speichern.
Bei mangelhafter elektrischer Energieversorgung, wie im Winter, kann das hohe Temperaturniveau des ersten Energiespeichers direkt, bspw. zur Brauch- und Heizwassererzeugung genutzt werden. Durch kontinuierliches Umspeichern von dem zweiten Energiespeicher zum ersten Energiespeicher kann der erste Energiespeicher durchgehend auf einem hohen Temperaturniveau gehalten werden, bspw. wenn die Photovoltaikanlage im Winter zwischenzeitlich einen Stromüberschuss erzeugt.
Die thermische Isolation der Wärmespeicher kann es dabei erlauben, zumindest vorübergehend unterschiedliche Temperaturniveaus in den Energiespeichern vorzuhalten, sodass eine durch das Umspeichern erzeugte Wärmedifferenz der thermischen Energiespeicher, insbesondere eine Speichertemperaturdifferenz, über einen Zeitraum von mehreren Tagen, vorzugsweise mehreren Wochen oder Monaten, im Wesentlichen erhalten bleiben kann. Insbesondere sind der erste und der zweite Energiespeicher zumindest räumlich getrennt und vorzugsweise durch isolierende Materialschichten getrennt, um einen Wärmeaustausch zu verhindern oder zu verringern. Beispielsweise kann eine Zeitkonstante oder Halbwertszeit für eine passive Umschichtung thermischer Energie aufgrund Wärmeleitung zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicher größer als 50 Tage oder größer als 100 Tage und bevorzugt größer als 200 Tage sein, sodass zumindest über den Winter ein erzeugter Wärmegradient zwischen dem ersten und dem zweiten Energiespeicher im Wesentlichen erhalten bleiben kann.
Insgesamt kann somit über den Jahresverlauf eine effektivere Nutzung der schwankenden Energiemenge erfolgen, sodass auch im Frühjahr ein hohes Temperaturniveau in dem ersten Energiespeicher zur wärmepumpenunabhängigen Bereitstellung von Heiz- und Brauchwasser bereitstehen kann. Dabei erlauben die energiespeichernden Komponenten im Erdreich eine kostengünstige Speichermöglichkeit mit hoher Kapazität, welche das saisonale Speichern und Vorhalten von thermischer Energie im Erdreich erlaubt. Die energiespeichernden Komponenten im Erdreich können unterhalb einer Bodenplatte eines Gebäudes oder seitlich beabstandet zu dem Gebäude angeordnet sein, um eine ausreichende Speicherkapazität zum Kompensieren von saisonalen thermischen Energieverbrauchs- und Energieerzeugungsschwankungen bereitzustellen. Beispielsweise können die energiespeichernden Komponenten im Erdreich durch Vorhalten eines Speichermediums auf einer Temperatur von ungefähr 60 °C eine Wärmespeicherkapazität von mehr als 100 kWh, insbesondere mehr als 200kWh, wie mehr als 400 kWh oder mehr als 1000 kWh, bereitstellen.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das System ferner eine zeitlich variable Wärmequelle, welche über ein Wärmeträgermedium selektiv mit der Wärmepumpe oder mit dem zweiten Energiespeicher koppelbar ist.
Das System kann Wärmeträgerleitungen umfassen, um die verschiedenen Komponenten des Systems über Wärmeträgerkreisläufe zu verbinden, wobei die Steuerung Steuersignale an Ventile und/oder Pumpen senden kann, um die verschiedenen Komponenten wahlweise in unterschiedlichen Konfigurationen über ein Wärmeträgermedium thermisch miteinander zu koppeln. Die Wärmequelle kann beispielsweise über einen Wärmetauscher mit dem Wärmeträgermedium gekoppelt werden, um Wärme von der Wärmequelle auf den ersten und/oder zweiten Energiespeicher zu übertragen, oder in dem Gebäude direkt zu nutzen.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Wärmequelle einen Wärmetauscher einer Photovoltaikanalage, einer Photothermieanlage oder einer Kombination davon, und/oder einen Wärmetauscher an einer Wärmeabgabeseite eines Kühlaggregats.
Eine Photovoltaikanlage kann die zum Betreiben der Wärmepumpe notwendige elektrische Energie bereitstellen, während durch Kühlung der Photovoltaikanlage zum einen deren Effizienz gesteigert werden kann und zum anderen thermische Energie entzogen werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann eine Photothermieanlage bzw. eine kombinierte Photothermie- und Photovoltaikanlage direkt thermische Energie für das System bereitstellen. In einigen Ausführungsformen, wie bei der thermischen Versorgung eines Supermarkts, kann ein Wärmetauscher eines Kühlaggregats als Wärmequelle verwendet werden, wobei durch Betreiben der Wärmepumpe dem Kühlaggregat beispielsweise Kälteenergie zugeführt werden kann und gleichzeitig Wärme in dem ersten Energiespeicher gespeichert werden kann.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Steuerung in einem ersten Arbeitsmodus eingerichtet, die Wärmequelle über die Wärmepumpe mit dem ersten Energiespeicher zu koppeln, um über das Wärmeträgermedium Wärme von der Wärmequelle auf den ersten Energiespeicher zu übertragen.
Sofern eine Verfügbarkeit von elektrischer Energie über einem verbrauchsabhängigen Schwellwert liegt, der auf der Basis einer Summe eines aktuellen Verbrauchswerts von elektrischer Energie und einem Energieverbrauch der Wärmepumpe bestimmt werden kann, dann kann die Wärmepumpe betrieben werden, um den Energieüberschuss zum Speichern thermischer Energie in dem ersten Energiespeicher zu nutzen.
Über den Betrieb der Wärmepumpe kann der Wärmequelle auf einem ersten Temperaturniveau thermische Energie entzogen werden und diese auf einem zweiten höheren Temperaturniveau dem ersten Energiespeicher zugeführt werden. Die Steuerung kann über entsprechende Steuerbefehle Ventile öffnen, welche die Wärmequelle über Wärmeleitungen mit einer Wärmeeintragsseite der Wärmepumpe koppeln, und ferner einen Wärmetauscher des ersten Energiespeichers, wie einem Wärmetauscher in der energiespeichernden Komponente des ersten Energiespeichers, mit der Wärmeabgabeseite der Wärmepumpe koppeln. In anderen Worten kann die Steuerung in dem ersten Arbeitsmodus die Wärmequelle über die Wärmepumpe mit der energiespeichernden Komponente des ersten Energiespeichers koppeln. Ferner kann die Steuerung Pumpen betreiben, um einen Fluss eines Wärmeträgermediums in den jeweiligen Wärmeträgerkreisläufen zu erzeugen, sodass thermische Energie von der Wärmequelle auf den ersten Energiespeicher übertragen wird.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Steuerung in einem zweiten Arbeitsmodus eingerichtet, die Wärmequelle mit dem zweiten Energiespeicher zu koppeln, um über das Wärmeträgermedium Wärme von der Wärmequelle auf den zweiten Energiespeicher zu übertragen.
Sofern eine Verfügbarkeit von elektrischer Energie unter dem verbrauchsabhängigen Schwellwert liegt, kann die Wärmequelle auch direkt mit dem zweiten Energiespeicher gekoppelt werden, welcher durch den zuvor besprochenen Umspeicherprozess auf einem niedrigen Temperaturniveau gehalten werden kann. Beispielsweise kann durch Schalten von Ventilen und Pumpen die Wärmequelle über Wärmeträgerleitungen mit einem Wärmetauscher des zweiten Energiespeichers, bspw. in der energiespeichernden Komponente, gekoppelt werden. Ein Wärmeträgermedium kann im Wärmetauscher der Wärmequelle auf ein erstes Temperaturniveau erhitzt werden und durch Wärmeaustausch mit dem Wärmetauscher des zweiten Energiespeichers gleichzeitig die Wärmequelle kühlen und thermische Energie in dem zweiten Energiespeicher speichern.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Steuerung eingerichtet, abhängig von einem Vergleich einer Verfügbarkeit von elektrischer Energie mit einem aktuellen Verbrauchswert von elektrischer Energie, den ersten oder den zweiten Arbeitsmodus auszuwählen.
Beispielsweise kann die Steuerung eine Verfügbarkeit regenerativ erzeugter elektrischer Energie überwachen, bspw. eine aktuelle, gemittelte und/oder prognostizierte elektrische Leistung einer Photovoltaikanlage, die an einem der Steuerung zugeordneten Gebäude angebracht sein kann. Die Steuerung kann die ermittelte Verfügbarkeit regenerativ erzeugter elektrischer Energie mit dem aktuellen Verbrauchswert für das dem System zugeordnete Gebäude vergleichen und feststellen, ob ein Überschuss an verfügbarer elektrischer Energie es zulässt, die Wärmepumpe zum Speichern von thermischer Energie auf dem höheren Temperaturniveau in dem ersten Energiespeicher zu betreiben. Die höhere Temperaturspreizung zum ersten Energiespeicher kann dabei zwar den Wirkungsgrad der Wärmepumpe verringern, das höhere Temperaturniveau kann jedoch anschließend direkt oder mit niedrigerem Energieeinsatz beispielsweise zur Erzeugung von Heiz- und Brauchwasser (ca. 40°C/60°C) genutzt werden, um eine Entkopplung von Energieerzeugung und Energieverbrauch zu verbessern.
Der Fachmann wird verstehen, dass die Steuerung der Energiespeicher in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit elektrischer Energie und dem Verbrauch auf der Basis von in einem Gebäude ermittelten Kennwerte lediglich eine Ausführungsform darstellt, die Erfindung jedoch auch vorteilhaft in anderen Systemen angewandt werden kann. Beispielsweise kann das System einen Verbrauchskennwert für eine Mehrzahl von Gebäuden erhalten und in Abhängigkeit eines Kennwerts für eine Erzeugung elektrischer Energie eine Wärmepumpe und Energiespeicher für die Mehrzahl von Gebäuden steuern, beispielsweise in einer industriellen Anlage, einer Wohnsiedlung/-anlage oder ähnlichem.
Der Fachmann versteht weiterhin, dass die regenerativ erzeugte elektrische Energie nicht oder nicht ausschließlich lokal erzeugt werden muss, sondern beispielsweise teilweise einem Stromnetz entzogen werden kann, wie einem verfügbaren regenerativ erzeugten elektrischen Strom aus einer Windkraftanlage, und die Steuerung kann entsprechende Verfügbarkeitsinformationen erhalten, um in Abhängigkeit von den Verfügbarkeitsinformationen das System zu steuern.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Steuerung eingerichtet, wenn eine Verfügbarkeit von elektrischer Energie über einem verbrauchsabhängigen Schwellwert liegt, den zweiten Energiespeicher und die Wärmequelle in dem ersten Wärmeträgerkreislauf zu koppeln und die Wärmepumpe zu betreiben, um Wärme von dem ersten Wärmeträgerkreislauf, welcher mit dem zweiten Energiespeicher und der Wärmequelle gekoppelt ist, auf den ersten Energiespeicher zu übertragen.
Beispielsweise können der zweite Energiespeicher und die Wärmequelle in dem ersten Wärmeträgerkreislauf in Reihe geschalten werden. Durch in Reihe Schalten des zweiten Energiespeichers und der Wärmequelle in einem Wärmeträgerkreislauf kann ein kaltes Wärmeträgermedium durch Wärmeaustausch mit dem zweiten Energiespeicher bereitgestellt werden. Das kalte Wärmeträgermedium kann von der Wärmequelle, wie einem Wärmetauscher einer Photovoltaik-/Photothermieanlage, erhitzt werden. Das erwärmte Wärmeträgermedium kann in einem Wärmetauscher der Wärmepumpe abgekühlt werden und anschließend wieder dem zweiten Energiespeicher zugeführt werden. Entsprechend kann ein Umspeichern von thermischer Energie von dem zweiten Energiespeicher zum ersten Energiespeicher mit der Nutzung/Kühlung der Wärmequelle kombiniert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Mischung von Wärmeträgermedium, welches aus dem zweiten Energiespeicher und der Wärmequelle zugeführt wird, in einem entsprechenden Mischventil erfolgen.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Steuerung eingerichtet, eine thermische Leistung der Wärmequelle mit einem vorbestimmten Schwellwert zu vergleichen, und, wenn die thermische Leistung der Wärmequelle unter dem vorbestimmten Schwellwert liegt und wenn eine Verfügbarkeit von elektrischer Energie über verbrauchsabhängigen Schwellwert liegt, die Wärmepumpe zu betreiben, um Wärme von dem zweiten Energiespeicher zu dem ersten Energiespeicher zu übertragen.
Beispielsweise kann ein Kühlungserfordernis für die Wärmequelle, wie dem Wärmetauscher einer Photovoltaikanlage, unter einem vorbestimmten Schwellwert liegen, sodass eine Kühlung der Wärmequelle nicht notwendig sein kann. In dem entsprechenden Fall kann der Überschuss von elektrischer Energie zum Umspeichern von Wärme von dem zweiten Energiespeicher zu dem ersten Energiespeicher genutzt werden. Die thermische Leistung der Wärmequelle bzw. das Kühlungserfordernis kann z.B. über die Messungen von Temperatursensoren an der Wärmequelle oder dem Wärmetauscher abgeschätzt werden und bspw. mit einem Intervall von optimalen Betriebstemperaturen verglichen werden, welches zur Bestimmung des vorbestimmten Schwellenwerts dienen kann. Zum Beispiel kann im Winter eine Temperatur der Photovoltaikanlage unterhalb einer optimalen Betriebstemperatur liegen, und die Wärmequelle kann von dem ersten Wärmeträgerkreislauf entkoppelt werden, sodass die Wärmepumpe ein direktes Umspeichern thermischer Energie zwischen dem zweiten Energiespeicher und dem ersten Energiespeicher durchführt.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Steuerung eingerichtet, die Menge gespeicherter Energie in dem ersten Energiespeicher mit einem Energieschwellwert zu vergleichen, und, wenn die Menge gespeicherter Energie in dem ersten Energiespeicher über dem Energieschwellwert liegt, und wenn eine Verfügbarkeit von elektrischer Energie über einem verbrauchsabhängigen Schwellwert liegt, die Wärmequelle über die Wärmepumpe mit dem zweiten Energiespeicher zu koppeln, um über das Wärmeträgermedium Wärme von der Wärmequelle auf den zweiten Energiespeicher zu übertragen.
Im Spätsommer oder im Herbst kann die thermische Energie in dem ersten Energiespeicher einen vorbestimmten Kapazitätsschwellwert überschreiten, bspw. durch Überschreiten eines Temperaturschwellwertes, während das Erfordernis, ein niedrigeres Temperaturniveau in dem zweiten Energiespeicher vorzuhalten, reduziert sein kann, wie durch passive Kühlung einer Photovoltaikanlage aufgrund sinkender Außentemperaturen. In einem solchen Fall kann thermische Energie direkt von der Wärmequelle auf den zweiten Energiespeicher übertragen werden, wobei das Betreiben der Wärmepumpe es erlauben kann, in dem zweiten Energiespeicher eine höhere Speichertemperatur zu erzielen. Entsprechend kann im Winter, aufgrund der resultierenden niedrigeren Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Energiespeicher und dem zweiten Energiespeicher, thermische Energie mit höherer Effizienz umgespeichert werden.
Das System kann somit durchgehend einen ersten Energiespeicher auf einem hohen Temperaturniveau bereitstellen, welcher durch Wärmeaustausch mit einem Wärmeträgermedium Nutzenergie zur Brauch- und Heizwasserheizung in einem Gebäude bereitstellen kann.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Steuerung eingerichtet, wenn eine Verfügbarkeit von elektrischer Energie unter einem verbrauchsabhängigen Schwellwert liegt, thermische Energie direkt aus dem ersten Energiespeicher bereitzustellen.
Beispielsweise kann im Winter ein Wärmetauscher des ersten Energiespeichers über ein Wärmeträgermedium mit einer Brauch- und Heizwasserheizung gekoppelt werden, wie durch Wärmeaustausch des ersten Energiespeichers mit einem Pufferspeicher, welcher im Durchlauferhitzungsverfahren erwärmtes Brauch- und Heizwasser bereitstellen kann.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Steuerung eingerichtet, wenn eine Verfügbarkeit von elektrischer Energie über einem verbrauchsabhängigen Schwellwert liegt, thermische Energie aus dem ersten Energiespeicher und/oder dem zweiten Energiespeicher bereitzustellen, indem die Wärmepumpe betrieben wird, um ein erstes Temperaturniveau des ersten Energiespeichers und/oder des zweiten Energiespeichers auf ein zweites Temperaturniveau anzuheben.
Beispielsweise kann ein Überschuss an elektrischer Energie genutzt werden, um einen Pufferspeicher für die Brauch- und Heizwasserheizung mithilfe der Wärmepumpe aus dem zweiten Energiespeicher aufzuwärmen, sodass der erste Energiespeicher für Zeiten mit geringerer Verfügbarkeit von elektrischer Energie vorgehalten werden kann.
In bevorzugten Ausführungsformen bestimmt sich der verbrauchsabhängige Schwellwert auf der Basis einer Summe eines aktuellen Verbrauchswerts und eines Energieverbrauchs der Wärmepumpe.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Steuerung eingerichtet, den ersten Energiespeicher saisonal auf eine Temperatur von mindestens ungefähr 40°C oder mindestens ungefähr 60°C zu erhitzen.
Das Temperaturniveau von 60°C kann es erlauben, durch direkten Austausch eines Wärmeträgermediums mit dem ersten Energiespeicher Brauchwasser auf eine entsprechende Temperatur zu erhitzen oder eine Arbeitstemperatur eines Pufferspeichers zur Erzeugung von Brauchwasser aufrechtzuerhalten, da oberhalb dieser Temperatur die Wahrscheinlichkeit von Legionellenbildung stark reduziert werden kann. Ab einem Temperaturniveau von ca. 25 °C kann üblicherweise eine Heizung direkt betrieben werden, eine Temperatur von 40°C kann in diesem Zusammenhang einen thermischen Energiepuffer zum Betrieb der Heizung vorhalten. Brauchwasser kann in diesem Fall beispielsweise durch eine (zusätzliche) elektrische Heizung bereitgestellt werden.
Der zweite Energiespeicher kann ein niedrigeres Temperaturniveau, wie beispielsweise ein Temperaturniveau von ca. -20 °C oder -10 °C für Kühlanwendungen, ca. 10 °C zur Solaranlagenkühlung oder ca. 30°C zur Niedrigtemperaturenergiespeicherung bereitstellen. Der Fachmann versteht, dass sich dieses Temperaturniveau, abhängig von der Energiespeichertechnologie, saisonal ändern kann, bspw. von ca. 10 °C im Frühsommer hin zu ca. 30°C bis ca. 40°C im Herbst.
Die thermischen Energiespeicher sind generell derart zu wählen, dass eine thermische Umschichtung von Energie zwischen ihnen möglich wird, bspw. durch entsprechende Wärmetauscher, die über einen Wärmeträgermedium wahlweise miteinander koppelbar sind, und können sowohl Wärme- als auch Kältespeicher umfassen. Die thermische Energie kann beispielsweise in Form einer erhöhten/verringerten Temperatur eines Speichermediums, wie Wasser oder Erde, oder in der Form latenter Wärme gespeichert werden, wie durch das Induzieren eines Phasenübergangs in dem Speichermedium.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der erste Energiespeicher und/oder der zweite Energiespeicher einen Erdwärmekollektor.
Ein Erdwärmekollektor umfasst Wärmeträgerleitungsschleifen, welche üblicherweise im Wesentlichen horizontal im oberflächennahen Erdreich verlaufen, um Wärme zwischen dem angrenzenden Erdreich und einem Wärmeträgermedium auszutauschen. Entsprechend kann durch einen Fluss des Wärmeträgermediums in Abhängigkeit der jeweiligen Temperaturen dem Energiespeicher thermische Energie gespeichert oder entnommen werden.
In bevorzugten Ausführungsformen grenzt die energiespeichernde Komponente des ersten Energiespeichers an die energiespeichernde Komponente des zweiten Energiespeichers an und ist durch eine in das Erdreich eingelassene thermisch isolierende Trennwand seitlich von der energiespeichernden Komponente des zweiten Energiespeichers abgegrenzt.
Beispielsweise können benachbarte Bodenabschnitte jeweils mit Erdwärmkollektoren ausgestattet sein, und die thermisch isolierende Trennwand kann zwischen den Wärmeträgerschleifen des ersten und des zweiten Erdwärmekollektors in den Boden eingelassen sein, sodass in dem ersten Energiespeicher und den zweiten Energiespeicher unterschiedliche Temperaturen vorgesehen werden können.
In bevorzugten Ausführungsformen wird die energiespeichernde Komponente des ersten Energiespeichers durch die thermisch isolierende Trennwand seitlich umlaufend von dem umgebenden Erdreich getrennt.
Eine seitlich umlaufende isolierende Trennwand kann es erlauben, ein höheres Temperaturniveau in dem ersten Energiespeicher länger und/oder mit niedrigeren Energieverlusten aufrecht zu erhalten und somit eine saisonale Speicherung von thermische Energie in dem ersten Energiespeicher bei einer erhöhten Speichertemperatur bereitzustellen. Die thermisch isolierende Trennwand kann sich vertikal über das untere Ende der energiespeichernden Komponente des ersten Energiespeichers nach unten ins Erdreich erstrecken, um einen isolierten Abschnitt der energiespeichernden Komponente zu definieren. Der isolierte Abschnitt kann nach unten hin offen sein, um die Wärmekapazität des darunterliegenden Erdreiches zu nutzen.
Die energiespeichernde Komponente des ersten Energiespeichers kann an die energiespeichernde Komponente des zweiten Energiespeichers angrenzen und durch die thermisch isolierende Trennwand von dieser getrennt sein. Die thermisch isolierende Trennwand sollte eine gegenüber dem Erdreich verringerte thermische Leitfähigkeit aufweisen, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 1 W/(m*K), vorzugsweise weniger als 0,5 W/(m*K), bevorzugt weniger als 0,2 W/(m*K). Die Dämmung kann eine Perimeterdämmung sein, welche durch Platten im Erdreich, beispielsweise aus Styrodur, bereitgestellt werden kann, und/oder kann Abschnitte von schüttfähigem Dämmmaterial, wie Schaumglas-Granulat, umfassen. In einigen Ausführungsformen ist die thermisch isolierende Trennwand beidseitig durch das Erdreich von den energiespeichernden Komponenten getrennt.
In einigen Ausführungsformen umfasst das System ferner eine obere Trennwand, welche eine obere Begrenzung der energiespeichernden Komponente des ersten Energiespeichers bildet, um die energiespeichernde Komponente des ersten Energiespeichers in vertikaler Richtung thermisch zu isolieren.
Beispielsweise kann die obere Trennwand unterhalb einer Bodenplatte eines Gebäudes angeordnet sein, um Wärmeverluste der energiespeichernden Komponente in das Gebäude zu verringern.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das System ferner eine untere Trennwand, welche eine untere Begrenzung der energiespeichernden Komponente des ersten Energiespeichers bildet, um die energiespeichernde Komponente des ersten Energiespeichers in vertikaler Richtung gegenüber dem darunterliegenden Erdreich thermisch zu isolieren.
Die untere Trennwand kann eine Isolation der energiespeichernden Komponente des ersten Energiespeichers verbessern, sodass dessen Temperaturniveau länger und/oder mit niedrigeren Energieverlusten aufrechterhalten werden kann.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der erste Energiespeicher und/oder der zweite Energiespeicher einen Zisternenspeicher im Erdreich.
Ein Zisternenspeicher stellt einen im Wesentlichen flüssigkeitsdichten Hohlraum im Erdreich dar, welcher über ein darin aufgenommenes Speichermedium Wärme speichern kann. Der Zisternenspeicher grenzt an das umgebende Erdreich an und umfasst vorzugsweise einen Wärmetauscher in dem internen Hohlraum, um einen Wärmeaustausch mit einem externen Wärmeträgerkreislauf zu erlauben. Der Wärmeaustausch zwischen dem Speichermedium und dem externen Wärmeträgerkreislauf über einen Wärmetauscher erlaubt es, den Zisternenspeicher als geschlossenes System auszuführen. Es ist jedoch gleichermaßen möglich, den Hohlraum des Zisternenspeichers direkt mit Fluidleitungen zu koppeln, um das Speichermedium als Wärmeträgermedium für einen gekoppelten Wärmeträgerkreislauf zu nutzen. Dem Speichermedium werden üblicherweise Zusatzstoffe zugesetzt, um einen Gefrierpunkt in dem Zisternenspeicher einzustellen, wie durch Verwendung einer dem Fachmann bekannten Sole für einen auf Wasser basierenden Zisternenspeicher. Ein mit Sole/Wasser gefüllter Zisternenspeicher ist vergleichsweise wartungsarm und günstig in der Herstellung, während aufgrund der hohen Wärmekapazität von Wasser eine hohe Speicherkapazität für thermische Energie bereitgestellt werden kann. Beispielsweise kann ein Zisternenspeicher ein Speichervolumen für ein Speichermedium von mehr als 3 m³, mehr als 6 m³, und vorzugsweise 10 m³ oder mehr aufweisen.
Der Fachmann versteht jedoch, dass verschiedene Speichermedien verwendet werden können, welche nicht auf Wärmespeicherung durch Temperaturveränderung des festen/flüssigen Speichermediums beschränkt sein müssen. Zum Beispiel kann in dem Zisternenspeicher auch eine Phasenwechselmaterial zum Speichern thermischer Energie als latente Energie, thermochemische Speichermedien, oder ein Salzdehydrations-Speicher zur isolationsfreien Langzeitspeicherung aufgenommen werden. In einigen Ausführungsformen umfasst der zweite Energiespeicher einen Eisspeicher als Kältespeicher.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die energiespeichernde Komponente des ersten Energiespeichers einen ins Erdreich eingelassenen Zisternenspeicher und einen Erdwärmekollektor, wobei der Erdwärmekollektor seitlich zu dem Zisternenspeicher angeordnet ist.
Der Zisternenspeicher kann eine energiespeichernde Komponente mit hoher Energiespeicherdichte darstellen, welche vergleichsweise reaktionsschnell thermisch aufgeladen bzw. entladen werden kann. Wärmeverluste des Zisternenspeichers können die Temperatur des umliegenden Erdreiches erhöhen, welches durch den seitlich angeordneten Erdwärmekollektor ebenfalls als Energiequelle genutzt werden kann. Entsprechend kann ein Isolationserfordernis an den Zisternenspeicher vergleichsweise niedrig sein, sodass dieser mit baulich einfachen Maßnahmen hergestellt werden kann. Beispielsweise kann der Zisternenspeicher durch eine Begrenzung aus Beton bereitgestellt werden, während im umliegenden Erdreich Wärmeträgerschleifen verlegt werden können.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der erste Energiespeicher eine Ventilanordnung, um ein Wärmeträgermedium wahlweise in einer ersten Stellung durch den Zisternenspeicher zu führen oder in einer zweiten Stellung den Zisternenspeicher und den Erdwärmekollektor hintereinanderzuschalten, wobei die Steuerung eingerichtet ist, die Ventilanordnung von der ersten Stellung in die zweite Stellung zu schalten, wenn eine gespeicherte Energiemenge in dem Zisternenspeicher oberhalb eines Energieschwellwertes liegt.
Der Zisternenspeicher kann entsprechend derart dimensioniert werden, um mittelfristig Wärme zwischenzuspeichern, sodass der Zisternenspeicher vergleichsweise schnell in Betrieb genommen werden kann, bzw. bei ausreichender Verfügbarkeit elektrischer Energie zurück auf eine Betriebstemperatur gebracht werden kann. Beispielsweise kann der Zisternenspeicher ein Speichervolumen von ca. 10 m³ oder ca. 20 m³ zur Speicherung von Wärme in einem flüssigen Speichermedium wie Sole/Wasser aufweisen. Wenn die gespeicherte Energiemenge in dem Zisternenspeicher, wie eine Temperatur des Speichermediums in dem Zisternenspeicher, den Energieschwellwert, wie eine Schwelltemperatur, z.B. zwischen 40 und 70 °C, übersteigt, dann kann das Wärmeträgermedium in dem nachgeschalteten Erdwärmekollektor weiter abgekühlt werden, um diesen für die langfristige Wärmespeicherung aufzuheizen. Beispielsweise können Abschnitte des Erdreichs unterhalb einer Grundfläche eines Gebäudes von Wärmekollektorrohren durchzogen sein, um über eine effektive Speichertiefe von ca. 1 m ein Wärmespeichervolumen in dem Erdreich von mindestens 20 m³, vorzugsweise mindestens 50 m³, wie 100 m³, vorzusehen.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die energiespeichernde Komponente des zweiten Energiespeichers einen ins Erdreich eingelassenen Zisternenspeicher und einen Erdwärmekollektor, wobei der Erdwärmekollektor seitlich zu dem Zisternenspeicher angeordnet ist.
Der zweite Energiespeicher kann wie der erste Energiespeicher ausgestaltet sein, um eine entsprechende Funktionalität bereitstellen zu können, beispielsweise zur Kältespeicherung in dem zweiten Energiespeicher.
In bevorzugten Ausführungsformen ist der Zisternenspeicher des ersten Energiespeichers und/oder des zweiten Energiespeichers zur Aufnahme einer Elektrolytlösung ausgebildet, und das System umfasst ferner eine elektrochemische Zelle einer Redox-Flussbatterie, welche mit dem Zisternenspeicher fluidgekoppelt ist.
Das System kann durch Aufnahme einer Elektrolytlösung als Speichermedium in einem Zisternenspeicher zusätzlich elektrische Energie in den thermischen Energiespeichern speichern, um mit im Wesentlichen denselben Systemkomponenten sowohl thermische als auch elektrische Energie zwischenspeichern zu können. Dabei kann das hohe Speichervolumen des Zisternenspeichers vorteilhaft für das Implementieren der Redox-Flussbatterie genutzt werden, da hierüber die vergleichsweise niedrige volumetrische Speicherdichte einer Redox-Flussbatterie kompensiert werden kann.
Die üblicherweise breite Temperaturstabilität von Redox-Flussbatterien kann in dem System vorteilhaft genutzt werden. Beispielsweise können auf Vanadium basierende Redox-Flussbatterien über einen Temperaturbereich von ca. -20 °C bis zu 50 °C, und zumindest über einen Temperaturbereich von 5 °C bis 40 °C betrieben werden, sodass eine Kombination von elektrischer und thermischer Energiespeicherung in den Zisternenspeichern durchgeführt werden kann.
Sollte eine Temperatur der Elektrolytlösung im Zisternenspeicher erwartungsgemäß Temperaturwerte außerhalb optimaler Betriebstemperaturen der elektrochemischen Zelle erreichen, kann auch eine Wärmekopplung zwischen den Zufuhrleitungen der Elektrolytlösungen und/oder der Zufuhrleitungen mit Wärmeverbrauchern, wie Heizungsleitungen, erfolgen, um in der elektrochemischen Zelle geeignete Betriebstemperaturen zu erhalten. Alternativ oder zusätzlich kann eine maximale Speichertemperatur der Zisternenspeicher auf eine kompatible Temperatur der Elektrolytlösung begrenzt werden, beispielsweise falls oberhalb der maximalen Speichertemperatur chemische Prozesse eine effektive Speicherung elektrischer Energie verhindern würden, und die Steuerung kann den Betrieb der Wärmepumpe entsprechend begrenzen.
In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung eingerichtet sein, zu bestimmen, ob eine Ist-Temperatur des Zisternenspeichers des ersten Energiespeichers oberhalb eines Temperatur-Schwellwerts ist, und, falls die Ist-Temperatur oberhalb des Temperatur-Schwellwerts ist, die Wärmepumpe zu betreiben, um Wärme von dem zweiten Energiespeicher zu einer zweiten energiespeichernden Komponente des ersten Energiespeichers zu übertragen. Die zweite energiespeichernde Komponente kann beispielsweise Erdwärmekollektorrohre umfassen, welche benachbart zu dem Zisternenspeicher angeordnet sind.
In bevorzugten Ausführungsformen umfassen der erste und der zweite Energiespeicher jeweils einen Zisternenspeicher, wobei die Zisternenspeicher des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers jeweils mit unterschiedlichen Elektroden der elektrochemischen Zelle fluidkoppelbar sind, oder wobei der Zisternenspeicher des ersten Energiespeichers und/oder des zweiten Energiespeichers zwei getrennte Speicherkammern umfasst, welche jeweils mit unterschiedlichen Elektroden der elektrochemischen Zelle fluidkoppelbar sind.
Eine Redox-Flussbatterie umfasst üblicherweise zwei Elektrolyt-Tanks, sodass die Ausführungsform mit Zisternenspeichern in dem ersten und in dem zweiten Energiespeicher die Komponenten der Redox-Flussbatterie grundsätzlich vorteilhaft in das System zur thermischen Energiespeicherung integrieren kann.
Alternativ kann ein Zisternenspeicher des ersten Energiespeichers und/oder des zweiten Energiespeichers zwei voneinander abgegrenzte Unterkammern umfassen, um zwei Elektrolyt-Tanks in demselben Zisternenspeicher auszubilden. Die Elektrolytlösung einer oder beider Unterkammern kann, beispielsweise durch entsprechende Wärmetauscher, zusätzlich als thermisches Speichermedium genutzt werden.
Entsprechend kann auch eine Nachrüstung mit dem System erleichtert werden, da nur ein einziger Zisternenspeicher in dem System für eine Aufnahme von Elektrolytlösung(en) ausgelegt werden muss. Die elektrochemische Zelle kann in einer weiteren abgegrenzten Kammer des Zisternenspeichers mit den zwei Unterkammern angeordnet werden, um Wärmeverluste aufgrund eines Transfers der Elektrolytlösungen zu verringern.
Gleichzeitig sind dem Fachmann jedoch auch Flussbatterien mit nur einem Elektrolyt-Tank bekannt, beispielsweise Metail-Air-Flow-Batterien, wobei eine Elektrode der elektrochemischen Zelle mit einem Gas (wie Luft) gekoppelt werden kann, sodass im Ergebnis lediglich ein Zisternenspeicher notwendig sein kann. Ferner kann auch ein weiterer Zisternenspeicher vorgesehen werden, welcher nicht zur Speicherung thermischer Energie verwendet wird, und nur elektrische Energie speichert, beispielsweise wenn eine Elektrolytlösung nicht über den gesamten Temperaturbereich des ersten (oder zweiten) Energiespeichers stabil wäre. Ein zusätzlicher Zisternenspeicher für eine Elektrolytlösung kann auch vorgesehen werden, wenn in dem ersten oder in dem zweiten Energiespeicher keine Wärmespeicherung durch Temperaturveränderung eines flüssigen Speichermediums erfolgt, wie in einem Eisspeicher.
Vorzugsweise umfasst die Elektrolytlösung redox-aktive chemische Verbindungen, insbesondere Ionen einer Metallverbindung, vorzugsweise Ionen einer Vanadium-, Natrium-, Zink-, oder Eisenverbindung, und/oder redox-aktive organische Verbindungen, vorzugsweise Viologene, Chinonen, Lignine oder Ligninsulfate.
Beispielsweise können die Elektrolytlösungen durch in Wasser gelöste Vanadium(oxid)-Ionen oder durch eine Kochsalzlösung in Verbindung mit Aminoxyl-Radikalen, wie 2,2,6,6-Tetramethylpiperidinyloxyl (TEMPO), und einem Viologen bereitgestellt werden. Der Fachmann versteht jedoch, dass die vorgenannten Beispiele lediglich exemplarisch sind und grundsätzlich andere Elektrolyte verwendet werden können.
Die elektrochemische Zelle umfasst üblicherweise zwei Elektroden und eine dazwischenliegende Membran. Die Membran kann zwei Fluidkreisläufe trennen, welche den Elektroden zugeordnet sind und welche jeweils mit Zisternenspeichern für Elektrolytlösungen verbunden werden können. Bei einem Fluss der Elektrolyte durch die Zelle kann elektrische Energie an den Elektroden bereitgestellt werden, oder durch Anlegen einer Spannung elektrische Energie in den Elektrolytlösungen gespeichert werden. Die bereitgestellte Spannung hängt grundsätzlich von der Wahl der Elektrolytlösung ab, wobei die Spannung des Systems bspw. durch Kopplung mehrerer elektrochemischer Zellen in einem elektrochemischen Zellenstack angepasst werden können.
Der Betrieb der elektrochemischen Zelle ist üblicherweise mit einer Erzeugung von Wärme verbunden, sodass die elektrochemische Zelle grundsätzlich, wie zuvor für das Beispiel einer gekühlten Photovoltaikanlage beschrieben, als Wärmequelle in das System eingebunden werden kann.
In einigen Ausführungsformen, übernimmt das System ein Wärmemanagement der elektrochemischen Zelle. Beispielsweise kann die elektrochemische Zelle durch Kopplung von integrierten Wärmetauschern der elektrochemischen Zelle mit der Wärmepumpe und/oder mit dem zweiten Energiespeicher gekühlt werden.
In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung eingerichtet sein, einen Wärmetauscher der elektrochemischen Zelle wahlweise mit der Wärmepumpe und/oder mit dem zweiten Energiespeicher zu koppeln, um die elektrochemische Zelle im Betrieb zu kühlen. Die Kopplung kann in Abhängigkeit von Betriebsparametern der elektrochemischen Zelle, wie eine Leistung und/oder eine Temperatur der elektrochemischen Zelle, sowie von einer zur Verfügung stehenden elektrischen Energie und/oder einer Temperatur des zweiten Energiespeichers erfolgen. Beispielsweise kann eine Kühlung der elektrochemischen Zelle ohne Betrieb der Wärmepumpe erfolgen, wenn eine zur Verfügung stehende elektrische Energie und/oder eine Temperatur des zweiten Energiespeichers (jeweils) unter einem entsprechenden Schwellwert liegen. Somit kann die elektrochemische Zelle grundsätzlich ohne eine eigenständige (elektrische) Kühlung in das System integriert werden, wodurch ein effizienteres Gesamtsystem erhalten werden kann.
Durch das Umspeichern von thermischer Energie zwischen dem ersten Energiespeicher und dem zweiten Energiespeicher kann jedoch auch bereits eine Zufuhr einer Elektrolytlösung aus dem zweiten Energiespeicher zu einer ausreichenden Kühlung der elektrochemischen Zelle führen. Entsprechend ist in einigen Ausführungsformen ein Betrieb der elektrochemischen Zelle auch ohne zusätzliches Wärmemanagement möglich.
Entsprechend kann in einem gemeinsamen System sowohl thermische als auch elektrische Energie effektiv gespeichert werden.
Die Steuerung ist vorzugsweise eingerichtet, eine Verfügbarkeit von elektrischer Energie mit einem verbrauchsabhängigen Schwellwert zu vergleichen und abhängig von einem Überschuss an elektrischer Energie die Redox-Flussbatterie und/oder die Wärmepumpe zu betreiben, um Energie zwischenzuspeichern. Der verbrauchsabhängige Schwellwert für den Betrieb der Wärmpumpe und für den Betrieb der Redox-Flussbatterie kann unterschiedlich ausfallen. Beispielsweise kann der verbrauchsabhängige Schwellwert für den speichernden Betrieb der Redox-Flussbatterie niedriger sein als ein verbrauchsabhängige Schwellwert für den Betrieb der Wärmepumpe, sodass ein erzeugter Energieüberschuss über einen weiteren Bereich gespeichert werden kann.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung eingerichtet, wenn eine Verfügbarkeit von elektrischer Energie unterhalb eines verbrauchsabhängigen Schwellwerts liegt und zusätzlich eine Nachfrage nach thermischer Energie besteht, die Redox-Flussbatterie zu betreiben, um elektrische Energie zum Betrieb der Wärmepumpe bereitzustellen.
Entsprechend können niedrigere Speichertemperaturen in den Zisternenspeichern vorgehalten werden, da aufgrund der gespeicherten elektrischen Energie in der Elektrolytlösung die Wärmepumpe auch unabhängig von externen Stromquellen betrieben werden kann, um eine ganzjährige Heizung und Warmwasserbereitung bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann durch die elektrochemische Zelle auch ein elektrischer Energiebedarf durch das System gedeckt werden.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das System ferner eine thermoelektrochemische Zelle, welche wahlweise mit dem ersten Energiespeicher und/oder dem zweiten Energiespeicher zur Erzeugung von elektrischer Energie koppelbar ist.
Eine thermoelektrochemische Zelle kann eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Elektroden nutzen, um thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Zum Beispiel kann die thermoelektrische Zelle auf einem temperaturabhängigen Redox-Paar basieren, wie auf einem Ferri-/Ferrocyanid Paar, sodass unterschiedliche Temperaturniveaus an den Elektroden, wie 20 °C und 60 °C, zur Stromerzeugung genutzt werden können.
Eine entsprechende Elektrolytlösung zum Betrieb der thermoelektrischen Zelle kann in dem ersten thermischen Energiespeicher und/oder dem zweiten thermischen Energiespeicher gespeichert werden, oder die thermoelektrochemische Zelle kann über Wärmetauscher mit dem ersten thermischen Energiespeicher und/oder dem zweiten thermischen Energiespeicher koppelbar sein.
Zum Beispiel können die Elektroden der thermoelektrochemischen Zelle jeweils mit dem ersten und dem zweiten Energiespeicher gekoppelt werden, um eine Temperaturdifferenz in der thermoelektrochemischen Zelle zu erzeugen. Die Temperaturdifferenz kann anschließend eine Potentialdifferenz erzeugen, die an den Elektroden abgegriffen werden kann. Somit können die durch das Umspeichern in den thermischen Energiespeichern vorgehaltenen unterschiedlichen Temperaturniveaus in der thermoelektrochemischen Zelle zur Stromerzeugung genutzt werden.
Ferner kann die gespeicherte thermische Energie in dem ersten Energiespeicher auch zur Regeneration einer Elektrolytlösung genutzt werden, um Strom, bspw. gemäß dem Wirkprinzip von thermisch regenerierbaren elektrochemischen Zyklen (TREC) oder thermisch regenerierbaren Batterien (TRB), zu erzeugen. In anderen Worten kann das System eine TREC-Zelle oder eine thermisch regenerierbare Batterie umfassen und die Steuerung kann eingerichtet sein, um abhängig von einer Verfügbarkeit von elektrischer Energie, die TREC-Zelle oder die thermisch regenerierbare Batterie wahlweise mit der Wärmepumpe oder dem ersten Energiespeicher zu koppeln, um die TREC-Zelle oder die thermisch regenerierbare Batterie zu regenerieren.
Gemäß einem zweiten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein System zum Speichern thermischer und elektrischer Energie. Das System umfasst einen ersten Speicherkörper zur Aufnahme einer Elektrolytlösung, eine elektrochemische Zelle einer Redox-Flussbatterie und eine Wärmepumpe. Die elektrochemische Zelle ist mit dem ersten Speicherkörper wahlweise fluidkoppelbar zum Austausch der Elektrolytlösung zwischen der elektrochemischen Zelle und dem Speicherkörper. Der Speicherkörper ist mit der Wärmepumpe wahlweise koppelbar, sodass die Elektrolytlösung in dem Speicherkörper thermische Energie aufnimmt oder abgibt.
Der Speicherkörper kann über Flüssigkeitsleitungen mit der elektrochemischen Zelle fluidgekoppelt werden, wobei ein Flüssigkeitsstrom in den Flüssigkeitsleitungen durch eine Pumpe hergestellt werden kann, um in der Elektrolytlösung elektrische Energie zu speichern oder die in der Elektrolytlösung gespeicherte elektrische Energie bereitzustellen. Die Wärmepumpe kann parallel betrieben werden, um thermische Energie in der Elektrolytlösung zu speichern, oder um die gespeicherte thermische Energie an der Wärmeabgabeseite der Wärmepumpe bereitzustellen.
In bevorzugten Ausführungsformen ist in dem ersten Speicherkörper ein Wärmetauscher angeordnet, welcher mit der Wärmepumpe wahlweise koppelbar ist, und/oder der erste Speicherkörper ist wahlweise mit der Wärmepumpe über Fluidleitungen koppelbar.
Somit kann das hohe Speichervolumen der Elektrolytlösung für eine Redox-Flussbatterie vorteilhaft zur Wärmespeicherung genutzt werden. Der Speicherkörper ist vorzugsweise als Zisternenspeicher in das Erdreich eingelassen, beispielsweise unterhalb der Bodenplatte eines Gebäudes. Eine Speicherkapazität des Systems für thermische Energie kann durch das Verlegen eines Wärmekollektors in dem umliegenden Erdreich erhöht werden, wobei der Wärmekollektor wahlweise zusätzlich oder alternativ mit der Wärmepumpe gekoppelt werden kann.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das System ferner einen zweiten Speicherkörper zur Aufnahme einer Elektrolytlösung, wobei der erste Speicherkörper und der zweite Speicherkörper jeweils mit unterschiedlichen Elektroden der elektrochemischen Zelle gekoppelt sind.
Der zweite Speicherkörper kann in einem gemeinsamen Baukörper, wie einer gemeinsamen Zisterne, mit dem ersten Speicherkörper angeordnet sein, um ein kompaktes Speichersystem zu bilden, oder kann in einer separaten Zisterne ausgebildet sein. Der zweite Speicherkörper kann ebenfalls einen Wärmetauscher umfassen, welcher mit der Wärmepumpe wahlweise koppelbar ist, um den zweiten Speicherkörper ebenfalls zur Wärmespeicherung nutzen zu können. Alternativ können der erste und/oder der zweite Speicherkörper auch über einen Transfer der Elektrolytlösung in Fluidleitungen mit der Wärmepumpe gekoppelt werden.
Das System kann eine Steuerung umfassen, welche eingerichtet ist, die elektrochemische Zelle und/oder die Wärmpumpe auf der Grundlage eines Überschusses einer verfügbaren elektrischen Energie zu betreiben, um thermische und/oder elektrische Energie in den Speicherkörpern zwischenzuspeichern.
Entsprechend kann das System nach dem zweiten Aspekt es erlauben, niedrigere Speichertemperaturen vorzuhalten, da aufgrund der gespeicherten elektrischen Energie in der Elektrolytlösung die Wärmepumpe auch unabhängig von externen Stromquellen betrieben werden kann. Daher kann in dem System grundsätzlich auch ohne das Umspeichern thermischer Energie zwischen unterschiedlichen thermischen Energiespeichern das Ziel, eine ganzjährige Heizung und Warmwasserbereitung möglichst ohne externen Strombedarf bereitzustellen, erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann durch die elektrochemische Zelle auch ein elektrischer Energiebedarf, beispielsweise in einem zugeordneten Gebäude, durch das System gedeckt werden.
Der Fachmann versteht jedoch, dass die bevorzugten Ausführungsformen des ersten und des zweiten Aspekts kombiniert werden können, um ein vorteilhaftes Gesamtsystem zu erhalten. Beispielsweise können durch Betreiben der Wärmepumpe unterschiedliche Temperaturniveaus in den Speicherkörpern vorgehalten werden, welche vorzugsweise als ins Erdreich eingelassene Zisternenspeicher ausgebildet werden können.
Gemäß einem dritten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines Systems mit einer Wärmepumpe, einem ersten thermischen Energiespeicher, und einem zweiten thermischen Energiespeicher, wobei der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher jeweils eine energiespeichernde Komponente im Erdreich umfassen, und wobei der erste Energiespeicher von dem zweiten Energiespeicher thermisch isoliert ist. Das Verfahren umfasst das Betreiben der Wärmepumpe, um Wärme von einem ersten Wärmeträgerkreislauf, welcher mit dem zweiten Energiespeicher gekoppelt ist, zu dem ersten Energiespeicher zu übertragen.
Das Verfahren kann zum Betreiben eines Gebäudes mit einer Wärmepumpe, einem ersten Energiespeicher und einem zweiten thermischen Energiespeicher verwendet werden. Vorzugsweise betrifft das Verfahren einen Betrieb eines Systems nach dem ersten Aspekt der Erfindung und stellt entsprechende Verfahrensschritte bereit.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Koppeln einer zeitlich variablen Wärmequelle mit einem zweiten Wärmeträgerkreislauf, wenn eine charakteristische Temperatur der Wärmequelle oder eine thermische Leistung der Wärmequelle einen Schwellwert übersteigt.
Die Wärmequelle kann ein Wärmetauscher einer Photovoltaik- und/oder Photothermieanlage sein, um diese durch einen Fluss eines Wärmeträgermediums durch den zweiten Wärmeträgerkreislauf kühlen zu können.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Koppeln des zweiten Wärmeträgerkreislaufs und des ersten Wärmeträgerkreislaufs; und/oder das Betreiben der Wärmepumpe, um Wärme von dem zweiten Wärmeträgerkreislauf zu dem ersten Energiespeicher zu übertragen, wenn ein Kennwert für eine Verfügbarkeit von elektrischer Energie oberhalb eines verbrauchsabhängigen Schwellwerts liegt.
Je nachdem, ob ein ausreichender Überschuss an elektrischer Energie bereitsteht, kann die Wärmequelle entweder direkt mit dem zweiten Energiespeicher gekoppelt werden oder kann über die Wärmepumpe mit einem der Energiespeicher verbunden werden, um Wärme der Wärmequelle in den Energiespeichern zu speichern.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Bestimmen, ob eine Ist-Temperatur der energiespeichernden Komponente des ersten Energiespeichers oberhalb eines Sollwerts ist, und falls die Ist-Temperatur oberhalb der Solltemperatur ist, Betreiben der Wärmepumpe, um Wärme von dem zweiten Energiespeicher zu einer zweiten energiespeichernden Komponente des ersten Energiespeichers zu übertragen, wobei die zweite energiespeichernde Komponente ein Langzeit-Energiespeicher, insbesondere mit höherer Speicherkapazität oder niedrigerer thermischer Abgabeleistung als die erste energiespeichernde Komponente ist, und, falls die Ist-Temperatur unterhalb der Solltemperatur ist, Betreiben der Wärmepumpe, um Wärme von dem zweiten Energiespeicher zu der ersten energiespeichernden Komponente zu übertragen.
Beispielsweise kann die zweite energiespeichernde Komponente ein Erdwärmekollektor sein, welcher im angrenzenden Erdreich zu der ersten energiespeichernden Komponente des ersten Energiespeichers angeordnet ist.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung ein Gebäude, dessen untere Begrenzung gegenüber dem Erdreich eine wärmedämmende Schicht umfasst, wobei unterhalb der wärmedämmenden Schicht ein erster Energiespeicher und ein zweiter Energiespeicher angeordnet sind, welche jeweils einen flüssigkeitsdicht gegenüber dem umliegende Erdreich abgegrenzten Hohlraum zur Aufnahme eines flüssigen Speichermediums als energiespeichernde Komponenten umfassen, und wobei die energiespeichernden Komponenten des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers seitlich thermisch voneinander isoliert sind.
Die energiespeichernden Komponenten können direkt oder durch integrierte Wärmetauscher wahlweise mit einem Wärmeträgerkreislauf in dem Gebäude koppelbar sein, um Zisternenspeicher zum Speichern thermischer Energie bereitzustellen. Beispielsweise kann die untere Begrenzung des Gebäudes Durchlässe zum Durchführen von Flüssigkeitsleitungen zu den energiespeichernden Komponenten des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich können die energiespeichernde Komponenten auch als Elektrolyt-Tanks zur Aufnahme einer Elektrolytlösung ausgebildet sein, wobei die Elektrolytlösung über die Flüssigkeitsleitungen zu einer elektrochemischen Zelle des Gebäudes gepumpt werden kann, um elektrische Energie wahlweise in der Elektrolytlösung zu speichern oder bereitzustellen.
In einigen Ausführungsformen ragt ein Abschnitt der Zisternenspeicher, bspw. zur vereinfachten Wartung, zumindest teilweise durch die untere Begrenzung des Gebäudes.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Gebäude eine thermisch isolierende Trennwand, welche im Erdreich zwischen den energiespeichernden Komponenten des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers angeordnet ist.
Die thermisch isolierende Trennwand im Erdreich grenzt vorzugsweise Bereiche des Erdreichs um die jeweiligen Zisternenspeicher voneinander ab, um getrennte Erdwärmespeicher um die jeweiligen Zisternenspeicher zu implementieren. In den Erdwärmespeicher können Wärmeträgerleitungen verlegt sein, um Erdwärmekollektoren in zumindest einem der seitlich durch die thermisch isolierende Trennwand abgegrenzten Abschnitte des Erdreichs auszubilden.
In dem Gebäude kann durch Bereitstellung einer Wärmepumpe und der Kopplung an eine Steuerung ein System gemäß dem ersten Aspekt implementiert werden, sodass die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des ersten Aspekts gleichermaßen vorteilhaft für das Gebäude gemäß dem vierten Aspekt sein können. Ferner kann das System nach dem zweiten Aspekt in dem Gebäude integriert werden, wobei die Zisternenspeicher des Gebäudes als Speicherkörper für die Elektrolytlösung agieren können.
Figurenliste
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich am besten aus den nachfolgend beschriebenen und anhand der Zeichnungen veranschaulichten bevorzugten Ausführungsformen, wobei:

1 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Systems zur thermischen Energiespeicherung zeigt;
2 ein Beispiel eines Regelungsdiagrams für eine Steuerung des Systems zur Energiespeicherung zeigt;
3 ein weiteres Beispiel eines Regelungsdiagrams für eine Steuerung des Systems zur Energiespeicherung zeigt;
4 ein Gebäude zum Implementieren des Systems veranschaulicht; und
5 ein Beispiel eines kombinierten Systems zur Speicherung von elektrischer und thermischer Energie veranschaulicht.

1 zeigt eine schematische Ansicht eines beispielhaften Systems 10 zur thermischen Energiespeicherung. Das System 10 umfasst eine Wärmepumpe 12, eine Photovoltaikanlage 14, welche mit Wärmeträgerleitungen zur Kühlung und/oder zur thermischen Energiegewinnung gekoppelt ist, eine Heiz- und Brauchwasseranlage 16, einen ersten Energiespeicher 18 und einen zweiten Energiespeicher 20 sowie ein Regelsystem 22. Die Komponenten 12-20 des Systems 10 sind über Wärmeträgerleitungen mit dem Regelsystem 22 gekoppelt und können durch Ventile und Pumpen (nicht gezeigt) des Regelsystems 22 wahlweise miteinander thermisch verbunden werden, sodass eine Wärmeübertragung zwischen den Komponenten 12-20 erfolgen kann. In den Wärmeträgerleitungen kann ein Wärmeträgermedium fließen, wie eine Sole, wobei der Fachmann verstehen wird, dass in Ausführungsformen auch unterschiedliche Wärmeträgermedien in den jeweiligen Wärmeträgerleitungen fließen können.
Der erste Energiespeicher 18 und der zweite Energiespeicher 20 umfassen jeweils im Erdreich 24 angeordnete energiespeichernde Komponenten 26-32, die über ihnen zugeordnete Wärmetauscher 34-40 thermisch miteinander oder mit den anderen Komponenten 12-16 des Systems 10 gekoppelt werden können. Eine thermisch isolierende Trennwand 42 ist in das Erdreich 24 eingelassen und isoliert den ersten Energiespeicher 18 seitlich von dem zweiten thermischen Energiespeicher 20.
In dem gezeigten Beispiel umfassen der erste Energiespeicher 18 und der zweite Energiespeicher 20 jeweils einen Zisternenspeicher 26, 30 zur Aufnahme eines Speichermediums (nicht gezeigt) in einem Hohlraum und mit darin verlaufenden Wärmeträgerleitungen 34, 38 als Wärmetauscher, um thermische Energie mit dem Speichermedium in dem Zisternenspeicher 26, 30 auszutauschen.
In dem an die Zisternenspeicher 26, 30 angrenzenden Erdreich verlaufen jeweils weitere Wärmeträgerleitungen 36, 40, welche zweite energiespeichernde Komponenten 28, 32 als Erdwärmekollektoren 28, 32 in dem Erdreich 24 ausbilden. Ein Fluss eines Wärmeträgermediums durch die Wärmeträgerleitungen 36, 40 kann zum Austausch von thermischer Energie mit dem umliegenden Erdreich 24 führen, sodass dem Erdreich im Bereich der Erdwärmekollektoren 28, 32 wahlweise thermische Energie zugeführt oder entnommen werden kann.
In der Darstellung umfassen die Wärmeträgerleitungen 34-40 sowohl der Zisternenspeicher 26, 30 als auch der Erdwärmekollektoren 28, 32 vertikal zueinander angeordnete Leitungsschleifen. Die Wärmeträgerleitungen 34-40 können jedoch in jeder geeigneten Geometrie angeordnet sein und können, bspw. in den Erdwärmekollektoren 28, 32, in einer gemeinsamen horizontalen Ebene liegen. Vorzugsweise verlaufen mäandernde Schleifen der Wärmeträgerleitungen 36,40 der Erdwärmekollektoren 28, 32 im Erdreich 24 mindestens 20 cm unterhalb der örtlichen Frostgrenze, bspw. mindestens 1 m unterhalb der Erdoberfläche.
Dem ersten Energiespeicher 18 und dem zweiten Energiespeicher 20 sind jeweils Ventilanordnungen 44, 46 zugeordnet, welche es erlauben, den Zisternenspeicher 26, 30 und den Erdwärmekollektor 28, 32 des jeweiligen Energiespeichers 18, 20 wahlweise in Serie zu schalten, um thermische Energie zwischen den energiespeichernden Komponenten 26-32 auszutauschen.
Beispielsweise kann ein Rücklauf der einen energiespeichernden Komponente 26-32 zum Vorheizen des Wärmeträgermediums genutzt werden, um eine Verringerung der thermischen Energie in der jeweils anderen energiespeichernden Komponente 26-32 zu verringern. Weiter kann ein Rücklauf der einen energiespeichernden Komponente 26-32 jeweils zur Erhöhung der gespeicherten Energie in der jeweils anderen energiespeichernden Komponente 26-32 verwendet werden, insbesondere wenn die gespeicherte Energie in der ersteren einen vorbestimmten Schwellwert, wie einen Temperaturschwellwert, übersteigt.
In dem gezeigten Beispiel erlauben es die Ventilanordnungen 44, 46, dass die energiespeichernden Komponenten 26-32 des ersten Energiespeichers 18 und des zweiten Energiespeichers 20 jeweils unabhängig voneinander mit dem Regelsystem 22 gekoppelt werden können. In einigen Ausführungsformen ist jedoch nur eine der energiespeichernden Komponenten 26-32 der jeweiligen Energiespeicher 18, 20 einzeln mit dem Regelsystem 22 verbindbar, beispielsweise nur die Zisternenspeicher 26, 30, während der Erdwärmekollektor 28, 32 wahlweise nur in Serie zu dem Zisternenspeicher 26, 30 geschaltet werden kann.
Die thermisch isolierende Trennwand 42 erlaubt es, in dem ersten Energiespeicher 18 und dem zweiten Energiespeicher 20 unterschiedlich Temperaturniveaus vorzuhalten, insbesondere in dem ersten Energiespeicher 18 ein höheres Temperaturniveau als in dem zweiten Energiespeicher 20 vorzuhalten. Beispielsweise kann der erste Energiespeicher 18 für eine Temperatur von ca. 40 °C bzw. 60 °C ausgelegt sein, sodass der erste Energiespeicher 18 unabhängig von einer Verfügbarkeit externer Stromquellen ein Temperaturniveau für eine Heiz- bzw. Brauchwasserbereitstellung zur Verfügung stellen kann.
Die thermisch isolierende Trennwand 42 kann seitlich durch in das Erdreich 24 eingelassene Dämmplatten bereitgestellt werden. Ferner können am unteren und/oder oberen Ende des durch die thermisch isolierende Trennwand 42 abgegrenzten Bereich des Erdreiches 24 obere und untere thermische isolierende Trennwände vorgesehen sein, um Wärmeverluste des System 10 weiter zu verringern.
Vorzugsweise ist das Regelsystem 22 eingerichtet, bei entsprechende Verfügbarkeit elektrischer Energie durch Betreiben der Wärmepumpe 12 zumindest den Zisternenspeicher 26 des ersten Energiespeichers 18 auf ein Temperaturniveau von mindestens 40 °C oder mindestens 60 °C aufzuwärmen, um eine Brauchwassererzeugung bei geringerer Verfügbarkeit elektrischer Energie durch Wärmeaustausch mit dem Zisternenspeicher 26 sicherzustellen. Der an den Zisternenspeicher 26 des ersten Energiespeichers 18 angrenzende Erdwärmekollektor 28 kann passive Wärmeverluste des Zisternenspeichers 26 aufnehmen und kann in einigen Ausführungsformen zum Vorwärmen eines Wärmeträgermediums verwendet werden.
Entsprechend kann der Zisternenspeicher 26 durch baulich einfache Maßnahmen bereitgestellt werden, wie dem Begrenzen eines Hohlraums im Erdreich 24 mit Beton, da thermische Verluste des Zisternenspeichers 26 von dem Erdwärmekollektor 28 zumindest teilweise aufgenommen werden können. Sofern eine gespeicherte Energie in dem Zisternenspeicher 26 einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, kann durch in Reihe Schalten des Zisternenspeichers 26 und des Erdwärmekollektors 28 ferner die Speicherkapazität des ersten Energiespeichers 18 weiter erhöht werden, während gleichzeitig ein vergleichsweise schnelles Aufheizen des Zisternenspeichers 26 grundsätzlich möglich bleibt.
Als Wärmequelle zum Aufheizen des ersten Energiespeichers 18 kann zum einen der zweite Energiespeicher 20 und zum anderen die mit Wärmeträgerleitungen gekoppelte Photovoltaikanlage 14 dienen, wobei die jeweiligen Temperaturniveaus des zweiten Energiespeichers 20 und/oder der Photovoltaikanlage 14 mit der Wärmepumpe 12 auf ein Speicherniveau des ersten Energiespeichers 18 angehoben werden können.
Die Heiz- und Brauchwasseranlage 16, hier dargestellt als Pufferspeicher, kann durch ein Wärmeträgermedium entweder direkt oder ebenfalls über die Wärmepumpe 12 aufgeheizt werden, um in einem Gebäude thermische Energie kurzfristig bereitzustellen. Vorzugsweise umfasst die Heiz- und Brauchwasseranlage 16 einen Mehrzonenpufferspeicher, um Heiz- und Brauchwasser auf entsprechenden Temperaturniveaus bereitzustellen.
Die Photovoltaikanlage 14 kann elektrische Energie zum Betreiben der Wärmepumpe 12 bereitstellen, wobei das Regelsystem 22 in Abhängigkeit der verschiedenen Systemparameter die Wärmepumpe 12 betreiben kann und durch Koppeln der jeweiligen Komponenten 12-20 ein Überschuss an elektrischer Energie als thermische Energie in den Energiespeichern 18, 20 vorhalten kann. Beispielsweise kann die Wärmepumpe 12 auf der Grundlage einer Verfügbarkeit elektrischer Energie, eines aktuellen und/oder prognostizierten Energieverbrauchs und/oder eines Kennwerts für die gespeicherte Energie in dem ersten/zweiten Energiespeicher 18, 20 bzw. in deren energiespeichernden Komponenten 26-32 betrieben werden.
Vorzugsweise wird die Wärmepumpe 12 derart gesteuert, dass ein Strombedarf der Wärmepumpe 12 jederzeit durch die Photovoltaikanlage 14 gedeckt wird. Der Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage 14 lässt sich durch Kühlung der Photovoltaikanlage 14 erhöhen, während die aus der Kühlung gewonnene Wärmeenergie als Wärmequelle für eine Heiz- und Brauchwasserbereitstellung sowie für die Speicherung in den Energiespeichern 18, 20 verwendet werden kann.
Das Regelungsziel des Systems 10, wenn es in einem Gebäude und im Zusammenhang mit regenerativer Energieförderung implementiert wird, sollte die möglichst ganzjährige Heizung und Warmwasserbereitung ohne externen Strombedarf sein, während der eigene Strombedarf des Gebäudes möglichst vollständig gedeckt wird. Dazu umfasst das Regelungssystem 22 vorzugsweise eine Steuerung, wie einen Mikrocontroller, ASIC und/oder FPGA, welcher die Ventile und Pumpen des Regelungssystems 22 und die Wärmepumpe 12 derart steuert, dass durch Zwischenspeicherung von Energieüberschüssen in den Energiespeichern 18, 20 eine Energieerzeugung und ein Energieverbrauch in dem Gebäude möglichst entkoppelt werden kann.
2 zeigt ein Beispiel eines Regelungsdiagrams für eine Steuerung des Systems 10 mit mindestens zwei Energiespeichern 18, 20, einer Wärmepumpe 12 und einer Photovoltaikanlage 14 (PV) und/oder Photothermieanlage (PT) als Wärmequelle, in einem ersten Regelungsmodus, beispielsweise nach einer vorhergegangenen Kälteperiode im Frühjahr. Das System 10 ist eingerichtet, eine Verfügbarkeit elektrischer Energie zu überwachen und mit einem verbrauchsabhängigen Schwellwert zu vergleichen. Die elektrische Energie kann wie in 1 durch eine Photovoltaikanlage 14 bereitgestellt werden und/oder kann von einem externen Erzeuger regenerativer Energie, wie einer Windkraftanlage, bereitgestellt werden.
Die Steuerung kann Kennwerte überwachen, welche die momentane und/oder prognostizierte zur Verfügung stehende elektrische Energie quantifizieren können, bspw. anhand einer Tageszeit, einer Wetterprognose, einer Analyse von historischen oder aktuellen Stromerzeugungsverläufen, oder ähnlichem. Ferner kann die Steuerung optional auch eine Zeitperiode schätzen, in welcher eine bestimmte elektrische Energie zur Verfügung stehen wird. Auf der Grundlage der Kennwerte kann die Verfügbarkeit elektrischer Energie bestimmt werden, welche mit dem verbrauchsabhängigen Schwellwert verglichen werden kann. Der verbrauchsabhängige Schwellwert bestimmt sich vorzugsweise auf der Basis der Summe eines aktuellen und/oder prognostizierten Verbrauchs elektrischer Energie und einem Verbrauchswert der Wärmepumpe 12.
Wenn die Steuerung auf der Grundlage des Vergleichs feststellt, dass kein Überschuss an elektrischer Energie zur Verfügung steht/stehen wird, welcher erlauben würde, den aktuellen Verbrauch zu decken und die Wärmepumpe 12 zu betreiben, dann kann die Photovoltaik- und/oder Photothermieanlage 14 thermisch direkt mit einem Niedrigtemperatur-(NT)-Energiespeicher 20 gekoppelt werden, welcher dem zweiten Energiespeicher 20 aus 1 entsprechen kann. Somit kann eine thermische Leistung der Photovoltaik- und/oder Photothermieanlage 14 ohne externe Stromzufuhr direkt zu Erwärmung des Niedrigtemperatur-Energiespeichers 20 genutzt werden bzw. die Photovoltaik- und/oder Photothermieanlage 14 ohne externe Stromzufuhr gekühlt werden.
Vorzugsweise ist die Steuerung in einem Betriebsmodus eingerichtet, eine Temperatur des Niedrigtemperatur-Energiespeichers 20 derart zu regeln, dass eine sinnvolle Kühlung der Photovoltaik- und/oder Photothermieanlage 14 durch einen direkten Austausch von Wärmeträgermedium erlaubt wird, wie eine Temperatur zwischen ungefähr -10 °C und 20 °C.
Sofern ein Überschuss an elektrischer Energie zur Verfügung steht, kann die Wärmepumpe 12 zunächst betrieben werden, um einen aktuellen Verbrauch thermischer Energie zu decken, beispielsweise durch Koppeln einer Wärmeabgabeseite der Wärmepumpe 12 mit einem Heiz- und Brauchwasseranlage 16 in einem Gebäude.
Sofern die thermische Leistung der Wärmepumpe 12 den aktuellen Verbrauch an thermischer Energie übersteigt, kann die Wärmeabgabeseite der Wärmepumpe 12 mit einem Hochtemperatur-(HT)-Energiespeicher 18 gekoppelt werden, welcher dem ersten Energiespeicher 18 aus 1 entsprechen kann. Somit kann ein Überschuss an elektrischer Energie in der Form von thermische Energie in dem Hochtemperatur-Energiespeicher 18 auf einem erhöhten Temperaturniveau gespeichert werden. Vorzugsweise ist die Steuerung eingerichtet, den Hochtemperatur-Energiespeicher 18 auf eine Temperatur von mindestens 40 °C oder mindestens 60 °C aufzuwärmen, sodass dessen Temperaturniveau durch direkten Wärmeaustausch für die Brauchwasserbereitstellung genutzt werden kann.
Abhängig von einer thermischen Leistung, welche an der Wärmequelle, wie der Photovoltaik- und/oder Photothermieanlage 14, bereitsteht, bzw. einem aktuellen Kühlungserfordernis der Photovoltaik- und/oder Photothermieanlage 14 wird die Wärmeeintragsseite der Wärmepumpe 12 thermisch mit dem Niedrigtemperatur-Energiespeicher 20 und/oder der Photovoltaik- und/oder Photothermieanlage 14 gekoppelt. Dabei sollte zunächst eine aktuelle thermische Leistung der Wärmequelle genutzt werden bzw. ein aktuelles Kühlungserfordernis der Photovoltaik- und/oder Photothermieanlage 14 erfüllt werden.
Im Falle eines verbleibenden Überschusses an thermischer Kühlleistung der Wärmepumpe 12 kann die Wärmeeintragsseite der Wärmepumpe 12 mit dem Niedrigtemperatur-Energiespeicher 20 gekoppelt werden, um thermische Energie von dem Niedrigtemperatur-Energiespeicher 20 auf den Hochtemperatur-Energiespeichers 18 zu übertragen. Beispielsweise können der Niedrigtemperatur-Energiespeicher 20 und die Photovoltaik- und/oder Photothermieanlage 14 durch Wärmeträgerleitungen in Reihe geschaltet werden, sodass ein Überschuss einer thermischen (Kühl-)Leistung an der Wärmeeintragsseite der Wärmepumpe 12 zur Kältespeicherung in dem Niedrigtemperatur-Energiespeicher 20 genutzt werden kann.
Im Falle einer sensiblen thermischen Energiespeicherung durch Temperaturänderung eines Speichermediums in den Energiespeichern kann durch das Umspeichern eine Spreizung der Temperaturniveaus des Hochtemperatur-Energiespeichers 18 und des Niedrigtemperatur-Energiespeichers 20 erhöht werden. Jedoch können die Energiespeicher 18, 20 auch latente thermische Energiespeicher umfassen, bspw. durch Implementieren eines Eisspeichers in einem Zisternenspeicher 26, 30 als Niedrigtemperatur-Energiespeicher 20, sodass eine Temperatur der Zisternenspeicher 26, 30 auch konstant bleiben kann.
Im Frühjahr und Sommer kann unabhängig von einer externen Stromversorgung eine Kühlung der Photovoltaik- und/oder Photothermieanlage 14 und/oder weiterer Kälteverbraucher, wie Kühlschränken oder Klimaanlagen bereitgestellt werden, während gleichzeitig Wärme, bspw. zur Brauchwassererzeugung, zur Verfügung steht und in dem Hochtemperatur-Energiespeicher 18 zusätzlich langfristig gespeichert wird.
In einigen Ausführungsformen ist der Niedrigtemperatur-Energiespeicher 20 ein Kältespeicher mit hoher Speicherdichte, wie ein Eisspeicher, und die Wärmepumpe 12 wird ganzjährig betrieben, um Kälteenergie in dem Niedrigtemperatur-Energiespeicher 20 und Wärmeenergie in dem Hochtemperatur-Energiespeicher 18 zu speichern.
Indem mindestens zwei Energiespeicher 18, 20 vorgesehen werden, von denen einer ein Zisternenspeicher 30 mit Eisspeichertechnik ist, kann in Zeiten mit Strommangel durch den Zisternenspeicher 30 mit Eisspeichertechnik eine konstante Kühlung erfolgen, während mit Wärmeenergie aus dem heißen Energiespeicher 18 eine Heizung und Warmwasserbereitung erfolgen kann, was jeweils direkt ohne Unterstützung durch die Wärmepumpe 12 erreicht werden kann.
Dabei sollte die Speicherkapazität der Energiespeicher 18, 20 derart ausgelegt sein, dass diese die saisonal unterschiedlichen Verbräuche an Wärme- und Kälteenergie kompensieren können. Beispielsweise kann am Ende der Heizperiode der Eisspeicher im wesentlichen vollständig vereist sein, um über den Sommer zum Kühlen einer Photovoltaikanlage 14 bzw. als Wärmequelle zum Speichern thermischer Energie in dem Hochtemperatur-Energiespeicher 18 bereitzustellen.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung eingerichtet, einen zweiten Betriebsmodus auszuwählen, in welchem die Wärmepumpe 12 bei einem Überschuss an elektrischer Energie betrieben wird, um thermische Energie in dem Niedrigtemperatur-Energiespeicher 20 zu speichern. Beispielsweise kann im Spätsommer bzw. Herbst, wenn der Hochtemperatur-Energiespeicher 18 im wesentlichen volle Kapazität erreicht hat und wenn ein Kühlungserfordernis geringer ist, die Speicherkapazität des Niedrigtemperatur-Energiespeichers 20 zusätzlich zur thermischen Energiespeicherung genutzt werden.
3 zeigt ein weiteres beispielhaftes Regelungsdiagramm für ein System 10, wie es in 1 gezeigt ist. Eine Steuerung des Systems 10 kann feststellen, ob ein Überschuss an elektrischer Energie zur Verfügung steht, welcher ein Betreiben der Wärmepumpe 12 zulässt.
Wenn ausreichende elektrische Energie zum Betreiben der Wärmepumpe 12 zur Verfügung steht, kann die Steuerung feststellen, ob eine gespeicherte thermische Energie in einem Hochtemperatur-Energiespeicher 18 des Systems 10 oberhalb eines vorbestimmten Kapazitätsschwellwert liegt. Der vorbestimmte Kapazitätsschwellwert kann beispielsweise ein Temperaturschwellwert sein, welcher mit einer Temperatur des Hochtemperatur-Energiespeichers 18 verglichen werden kann. Ist der vorbestimmte Kapazitätsschwellwert nicht überschritten, wird die Wärmeabgabeseite der Wärmepumpe 12 mit dem Hochtemperatur-Energiespeicher 18 gekoppelt. Andernfalls wird die Wärmeabgabeseite der Wärmepumpe 12 mit dem Niedrigtemperatur-Energiespeicher 20 gekoppelt.
Steht kein Überschuss an elektrischer Energie zum Betreiben der Wärmepumpe 12 zur Verfügung, dann kann abhängig davon, ob eine Temperatur T_{NT-Energiepeicher} des Niedrigtemperatur-Energiespeichers 20 unterhalb einer Temperatur T_PV der Photovoltaik- und/oder Photothermieanlage 14 liegt, der Niedrigtemperatur-Energiespeicher 20 direkt mit der Photovoltaik- und/oder Photothermieanlage 14 gekoppelt werden.
Entsprechend kann in dem zweiten Regelungsmodus eine Temperatur des Niedrigtemperatur-Energiespeichers 20 von einer Kühlungstemperatur, wie zwischen ungefähr -10 °C und 20 °C, auf ein erhöhtes Temperaturniveau, wie zwischen ungefähr 20 °C und 40 °C, vorzugsweise zwischen 25 °C und 40 °C, erhöht werden. Das erhöhte Temperaturniveau kann anschließend im Winter dazu genutzt werden, um mit einem erhöhten Wirkungsgrad einen Verbrauch von thermischer Energie durch Kopplung eines Verbrauchers mit der Niedrigtemperatur-Energiespeicher 20 über die Wärmepumpe 12 zu decken und/oder um mit einem erhöhten Wirkungsgrad eine gespeicherte thermische Energie in dem Hochtemperatur-Energiespeicher 18 zu erhöhen.
Aufgrund dem Vorhalten eines hohen Temperaturniveaus in dem Hochtemperatur-Energiespeicher 18 kann das System 10 im Gegensatz zu herkömmlichen Erdwärmespeichern auch im späteren Verlauf der Heizperiode den Verbrauch an thermischer Energie ohne oder mit geringerer externer Stromzufuhr über die Wärmepumpe 12 und direkten Wärmeaustausch mit dem Hochtemperatur-Energiespeicher 18 gedeckt werden. Anschließend kann dem Hochtemperatur-Energiespeicher 18 im Sommer wieder thermische Energie zugeführt werden.
Vorzugsweise umfasst der Hochtemperatur-Energiespeicher 18 einen Zisternenspeicher 26 und einen angrenzenden Erdwärmekollektor 28, wobei die Steuerung eingerichtet ist, bevorzugt thermische Energie in dem Zisternenspeicher 26 zu speichern und einen Überschuss an thermischer Energie in dem Erdwärmekollektor 28 zu speichern. Entsprechend kann der Zisternenspeicher 26 mittelfristige Schwankungen ausgleichen und ein hohes Temperaturniveau bereitstellen, bspw. für die Brauchwassererzeugung ohne externe Stromzufuhr, während der Erdwärmekollektor 28 Abwärme des Zisternenspeichers 26 aufnehmen kann und als langfristiger Energiespeicher dienen kann. Somit kann ein flexibles und einfach herzustellendes Energiespeichersystem 10 bereitgestellt werden.
Der Fachmann versteht dabei, dass die Steuerung des Systems 10 keine lokale Steuerung sein muss sondern auch eine oder mehrere Remote-Steuerungen umfassen kann, welche beispielsweise über eine Netzwerkverbindung mit lokalen Komponenten des Regelungssystems 22 verbunden sein können.
4 zeigt ein beispielhaftes Gebäude 48 zur Implementierung des Systems 10. Das Gebäude 48 umfasst exemplarisch ein Kellergeschoss (KG), welches unten von einer Bodenplatte, begrenzt wird, sowie eine Gebäudekonstruktion mit einer Photovoltaikanlage 14 oberhalb des Erdreichs 24. Die Bodenplatte 50 umfasst eine untere thermisch isolierende Trennschicht 52, welcher unterhalb der Bodenplatte 50 an diese angrenzend angeordnet ist.
Im Erdreich 24 unterhalb der Bodenplatte 50 sind Zisternenspeicher 26, 30 angeordnet, welche flüssigkeitsdichte Hohlräume im Erdreich zur Aufnahme eines Speichermediums, wie Wasser, definieren und über Durchlässe in der Bodenplatte 50 des Gebäudes 48 mit einer Wärmepumpe 12 (nicht gezeigt) in dem Gebäude 48 koppelbar sind, um thermische Energiespeicher 18, 20 bereitzustellen.
Das seitlich an die Zisternenspeicher 26, 30 angrenzende Erdreich 24 kann Wärmekollektorrohre 36, 40 (nicht gezeigt) zum Implementieren von Wärmekollektoren 28, 32 umfassen und wird seitlich durch eine thermisch isolierende Trennwand 42 in thermisch isolierte Abschnitte der jeweiligen thermischen Energiespeicher 18, 20 geteilt.
Im Bereich der Peripherie des Gebäudes 48 können weitere isolierende Trennschichten 54 angeordnet sein, um thermische Energieverluste in seitlicher Richtung zu verringern. Die Trennschichten 54 können seitlich an strukturelle Merkmale 56 des Gebäudes 48 angrenzen, bspw. aus Beton, um die im Erdreich 24 eingelassenen Trennschichten 54 strukturell zu stützen. Obwohl diese in 4 nicht gezeigt sind, können entsprechende strukturelle Merkmale 56 auch in der Nähe der thermisch isolierenden Trennwand 42 zwischen den thermischen Energiespeichern 18, 20 vorgesehen sein bzw. an die thermisch isolierende Trennwand 42 angrenzen, um diese im Erdreich 24 zu stützen.
Entsprechend kann durch Koppeln der Energiespeicher 18, 20 mit einer Wärmepumpe 12 in dem Gebäude 48 das zuvor beschriebene System 10 implementiert werden. Die Energiespeicher 18, 20, welche unterhalb der Bodenplatte 50 des Gebäudes 48 angeordnet werden können, können durch baulich einfache Maßnahmen bereitgestellt werden und eine hohe Speicherkapazität bereitstellen. Insbesondere kann durch das Verlegen von Wärmeleitungen das Erdreich 24 unterhalb der Bodenplatte 50 als zusätzliche energiespeichernde Komponente genutzt werden, während eine hohe Speicherdichte in den Zisternenspeicher 26, 30 zur Verfügung stehen kann und gleichzeitig vergleichsweise niedrige Anforderungen an die thermische Isolation der Zisternenspeicher 26, 30 gestellt werden können.
Durch das Implementieren des zuvor beschriebenen Systems 10 kann daher der Energieverbrauch des Gebäudes 48 beispielsweise durch die Photovoltaikanlage 14 gedeckt werden, wobei Schwankungen des Energieverbrauchs und der Energieerzeugung durch die gespeicherte Energie ausgeglichen werden können.
In vielen Anwendungsgebieten des Systems 10, wie in Privathaushalten, Gebäudekomplexen oder auch industriellen Anlagen, kann es vorzugswürdig sein, die Temperatur des Hochtemperatur-Energiespeichers 18 auf einem Temperaturniveau zur Brauchwasserbereitstellung, wie ca. 60 °C oder ca. 70 °C, einzustellen, da Wärmepumpen 12 für dieses Temperaturniveau zum einen bereits für den Privatgebrauch vertrieben werden und zum anderen das Speichern von Wärmeenergie auf einem niedrigem Temperaturniveau regelmäßig einfacher und günstiger ist.
In einigen Ausführungsformen sind der Hochtemperatur-Energiespeichers 18 und die Wärmepumpe 12 jedoch ausgelegt um ein Temperaturniveau von mehr als 70 °C, insbesondere mehr als 90 °C, wie 100 °C oder höher, bereitzustellen. Auf einem höheren Temperaturniveau kann sich zusätzlich eine Möglichkeit der Stromgewinnung durch ORC Verfahren oder den Kalinaprozeß ergeben. So kann es gelingen einen Langzeitspeicher für Strom über Wärmeprozesse und eine Nutzung der Wärmeenergie für die Stromproduktion zu realisieren. Ferner können bei einem höheren Temperaturniveau auch Wärmespeicher auf der Grundlage von Phasenwechselmaterialien, thermochemischen Prozessen und Salzdehydration verwendet werden, bspw. zur isolationsfreien Langzeitspeicherung, welche in einigen Ausführungsformen in den Zisternenspeichern 26, 30 implementiert werden können.
In den vorstehenden Ausführungsformen sind die energiespeichernden Komponenten 26-32 jeweils mit einzelnen Wärmetauschern 34-40 beschrieben worden. Der Fachmann versteht jedoch, dass jeweils mehrere Wärmetauscher 34-40 vorgesehen sein können oder die Wärmetauscher 34-40 wahlweise abschnittweise mit einem Wärmeträgerkreislauf gekoppelt werden können, um beispielsweise unterschiedliche Temperaturniveaus in einer energiespeichernden Komponente 26-32 bereitzustellen. Insbesondere kann der Zisternenspeicher 26 des Hochtemperatur-Energiespeichers 18 als Mehrzonenpufferspeicher ausgeführt sein, um Brauch- und Heizwasser und/oder ein Wärmeträgermedium auf verschiedenen Temperaturniveaus bereitzustellen. Entsprechend kann der Hochtemperatur-Energiespeichers 18 in einigen Ausführungsformen auch eine Heiz- und Brauchwasseranlage 16 integrieren. Ferner kann in Ausführungsformen das Speichermedium auch als Wärmeträgermedium verwendet werden, bspw. indem ein Speichermedium in einem Zisternenspeicher 26, 30 über Fluidleitungen direkt mit anderen Komponenten 12-16, 26-32 des Systems 10 ausgetauscht wird, sodass die in 1 gezeigte Ausführungsform mit Wärmetauschern 34, 38 in den Zisternenspeichern 26, 30 als beispielhafte Ausführungsform verstanden werden sollte.
Zwar ist in den beispielhaften Ausführungsformen das Systems 10 hauptsächlich anhand einer Anwendung auf Privathaushalte veranschaulicht, der Fachmann versteht jedoch, dass das System 10 auch in weiteren Anwendung vorteilhaft eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann durch entsprechende Wahl des Speichermediums in dem Niedrigtemperatur-Energiespeicher 20 ein Temperaturniveau von ungefähr -20 °C bereitgestellt werden, um das System 10 für industrielle Anlagen mit Kühlanlagen zu verwenden, wobei der Niedrigtemperatur-Energiespeicher 20 ein latenter thermischer Energiespeicher sein kann, um eine konstante Kühlungstemperatur bei hoher Speicherdichte bereitzustellen.
Ferner kann in einigen Ausführungsformen auch eine Stromspeicherung mit einer thermischen Energiespeicherung kombiniert werden, um ein kompaktes Energiespeichersystem zu erhalten, welches durch die Bereitstellung elektrischer Energie, bspw. gegen Ende einer Heizperiode, erlauben kann, eine ganzjährige Heizung und Warmwasserbereitung ohne externen Strombedarf bereitzustellen.
5 veranschaulicht ein Beispiel eines kombinierten Systems 58 zum Speichern und Bereitstellen von thermischer und elektrischer Energie umfassend eine Zisterne 60, welche ins Erdreich 22 eingelassen werden kann, beispielsweise auch zur Nachrüstung eines bestehenden Gebäudes 48.
Die Zisterne 60 umfasst eine obere Kammer 62, welche an eine Oberseite der Zisterne 60 angrenzt und in welcher Komponenten des Systems 58, wie Fluidleitungen, Ventile und Pumpen (nicht gezeigt) sowie die dargestellte Wärmpumpe 12 und eine elektrochemische Zelle 64 angeordnet werden können. Unterhalb der oberen Kammer 62 sind eine erste Speicherkammer 66 und eine zweite Speicherkammer 68 angeordnet, welche seitlich voneinander durch eine Trennwand 70 fluiddicht abgegrenzt sind. Zwischen der ersten Speicherkammer 66 und der zweiten Speicherkammer 68 ist in dem dargestellten Beispiel ein Mehrzonenschichtenspeicher 72 angeordnet, welcher einen integrierten Wärmetauscher 74 umfasst.
Die Speicherkammern 66, 68 können jeweils ausgelegt sein, um Speicherkörper für eine Elektrolytlösung auszubilden, die jeweils über Fluidleitungen (nicht dargestellt) mit unterschiedlichen Elektroden der elektrochemischen Zelle 64 gekoppelt werden können, um eine Redox-Flussbatterie zu implementieren. In der ersten Speicherkammer 66 und/oder der zweiten Speicherkammer 68 können Wärmetauscher angeordnet sein, welche über Fluidleitungen wahlweise mit der Wärmepumpe 12 und/oder mit externen Heiz- und Brauchwasserkreisläufen (nicht dargestellt) koppelbar sein können.
Der Mehrzonenschichtspeicher 72 kann wahlweise mit einer Wärmeabgabeseite der Wärmepumpe 12 gekoppelt werden, um thermische Energie in der Zisterne 60 auf einem erhöhten Temperaturniveau, wie mindestens ungefähr 40 °C oder mindestens ungefähr 60 °C, zu speichern, welches beispielsweise direkt zur Heiz- oder Brauchwassererzeugung genutzt werden kann. In einigen Ausführungsformen kann jedoch auch das Kältemittel der Wärmepumpe 12 in dem integrierten Wärmetauscher 74 des Mehrzonenschichtspeichers 72 direkt kondensieren, um ein kompakteres System 58 zu erhalten.
Die Wärmepumpe 12 kann an ihrer Wärmeeintragsseite mit externen Systemen, wie Photovoltaikanlagen 14, Kühlanlagen, Erdwärmekollektoren 28, 32 oder weiteren Zisternenspeichern 26, 30 als Wärmequellen gekoppelt werden, sodass bei einem Überschuss an elektrischer Energie thermische Energie in der Zisterne 60 gespeichert werden kann. Beispielsweise können die obere Kammer 62 oder die Speicherkammern 66, 68 über seitliche Öffnungen der Zisternenwand mit Erdwärmekollektoren 28, 32 im umliegenden Erdreich 22 als Wärmequellen verbunden werden.
Die in der Zisterne 60 gespeicherte thermische Energie kann wiederum direkt oder über die Wärmeabgabeseite der Wärmepumpe 12 an externe Wärmeverbraucher, wie eine Heiz- und Brauchwasseranlage 16, bereitgestellt werden.
Wärmeverluste des Mehrzonenschichtspeichers 72 können von der Elektrolytlösung in den Speicherkammern 66, 68 aufgenommen werden. Ferner kann über ein Wärmeträgermedium selektiv thermische Energie von dem Mehrzonenschichtspeicher 72 auf die Elektrolytlösungen in den Speicherkammern 66, 68 übertragen werden, beispielsweise wenn eine Speicherkapazität des Mehrzonenschichtspeichers 72 im Wesentlichen erreicht ist. Im Ergebnis kann daher die Speicherkapazität für thermische Energie in der Zisterne 60 erhöht werden, indem die Elektrolytlösung als thermisches Speichermedium genutzt wird.
Ferner kann durch Betrieb der elektrochemischen Zelle 64 zusätzlich elektrische Energie über die Elektrolytlösungen in den Speicherkammern 66, 68 gespeichert und bereitgestellt werden. Die räumliche Nähe der Speicherkammern 66, 68 zu der Wärmepumpe 12 und/oder der elektrochemischen Zelle 64 kann dabei Wärmeverluste an Fluidleitungen minimieren und kann ein kompaktes System 58 zur kombinierten Speicherung von elektrischer und thermischer Energie bereitstellen. Insbesondere kann die erzeugte elektrische Energie zum Betrieb der Wärmepumpe 12 genutzt werden, um ohne externe Stromversorgung eine Heizung und Brauchwasserzeugung über den Betrieb der Wärmepumpe 12 zu ermöglichen.
In dem vorstehenden Beispiel wurde die Zisterne 60 im Zusammenhang mit einer Wärmespeicherung beschrieben, was den Vorteil haben kann, dass die integrierten Komponenten der Redox-Flussbatterie durch das erhöhte Temperaturniveau in der Zisterne 60 vor Frost geschützt werden können. Jedoch kann in Abhängigkeit von der Elektrolytlösung die Zisterne 60 auch einen Kältespeicher implementieren, wobei die elektrochemischen Zelle 64 und weitere Komponenten, wie Pumpen, Ventile und die Wärmepumpe 12, gegebenenfalls extern von der Zisterne 60 angeordnet werden können. Die Zisterne 60 kann entsprechend als energiespeichernde Komponente des ersten Energiespeichers 18 oder des zweiten Energiespeichers 20 eingesetzt werden.
Die vorstehende Beschreibung und die Zeichnungen sollen lediglich die Erfindung und deren Vorteile veranschaulichen und nicht einschränkend verstanden werden. Vielmehr soll der Schutzbereich anhand der nachstehenden Ansprüche bestimmt werden.
Bezugszeichenliste

10: System
12: Wärmepumpe
14: Photovoltaikanlage
16: Heiz- und Brauchwasseranlage
18: erster (Hochtemperatur-)Energiespeicher
20: zweiter (Niedrigtemperatur-)Energiespeicher
22: Regelungssystem
24: Erdreich
26: Zisternenspeicher des ersten Energiespeichers
28: Erdwärmekollektor des ersten Energiespeichers
30: Zisternenspeicher des zweiten Energiespeichers
32: Erdwärmekollektor des zweiten Energiespeichers
34: Wärmeträgerleitungen des Zisternenspeichers des ersten Energiespeichers
36: Wärmeträgerleitungen des Erdwärmekollektors des ersten Energiespeichers
38: Wärmeträgerleitungen des Zisternenspeichers des zweiten Energiespeichers
40: Wärmeträgerleitungen des Erdwärmekollektors des zweiten Energiespeichers
42: thermisch isolierende Trennwand
44: Ventilanordnung des ersten Energiespeichers
46: Ventilanordnung des ersten Energiespeichers
48: Gebäude
50: Bodenplatte
52: untere thermisch isolierende Trennschicht
54: seitliche isolierende Trennschichten
56: strukturelle Merkmale
58: kombiniertes System zur Strom- und Wärmespeicherung
60: Zisterne
62: obere Kammer
64: elektrochemische Zelle
66: erste Speicherkammer
68: zweite Speicherkammer
70: Trennwand
72: Mehrzonenschichtspeicher
74: integrierter Wärmetauscher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008041715 A1 [0005]

Claims

System (10) zur Bereitstellung thermischer Energie, das System (10) umfassend: einen ersten thermischen Energiespeicher (18); einen zweiten thermischen Energiespeicher (20), wobei der erste Energiespeicher (18) und der zweite Energiespeicher (20) jeweils eine energiespeichernde Komponente (26-32) im Erdreich (24) umfassen, und wobei der erste Energiespeicher (18) gegenüber dem zweiten Energiespeicher (20) thermisch isoliert ist; eine Wärmepumpe (12), welche mit dem ersten Energiespeicher (18) und dem zweiten Energiespeicher (20) selektiv koppelbar ist; und eine Steuerung, welche eingerichtet ist, die Wärmepumpe (12) zu betreiben, um Wärme von einem ersten Wärmeträgerkreislauf, welcher mit dem zweiten Energiespeicher (20) gekoppelt ist, zu dem ersten Energiespeicher (18) zu übertragen.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner eine zeitlich variable Wärmequelle umfasst, welche über ein Wärmeträgermedium selektiv mit der Wärmepumpe (12) oder mit dem zweiten Energiespeicher (20) koppelbar ist.
System (10) nach Anspruch 2, wobei die Wärmequelle einen Wärmetauscher einer Photovoltaikanalage (14), einer Photothermieanlage oder einer Kombination davon umfasst, und/oder einen Wärmetauscher an einer Wärmeabgabeseite eines Kühlaggregats umfasst.
System (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuerung in einem ersten Arbeitsmodus eingerichtet ist, die Wärmequelle über die Wärmepumpe (12) mit dem ersten Energiespeicher (18) zu koppeln, um über das Wärmeträgermedium Wärme von der Wärmequelle auf den ersten Energiespeicher (18) zu übertragen.
System (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Steuerung in einem zweiten Arbeitsmodus eingerichtet ist, die Wärmequelle mit dem zweiten Energiespeicher (20) zu koppeln, um über das Wärmeträgermedium Wärme von der Wärmequelle auf den zweiten Energiespeicher (20) zu übertragen.
System (10) nach Anspruch 4 und 5, wobei die Steuerung eingerichtet ist, abhängig von einem Vergleich einer Verfügbarkeit von elektrischer Energie mit einem aktuellen Verbrauchswert von elektrischer Energie, den ersten oder den zweiten Arbeitsmodus auszuwählen.
System (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Steuerung eingerichtet ist, wenn eine Verfügbarkeit von elektrischer Energie über einem verbrauchsabhängigen Schwellwert liegt, den zweiten Energiespeicher (20) und die Wärmequelle in dem ersten Wärmeträgerkreislauf zu koppeln und die Wärmepumpe (12) zu betreiben, um Wärme von dem ersten Wärmeträgerkreislauf, welcher mit dem zweiten Energiespeicher (20) und der Wärmequelle gekoppelt ist, auf den ersten Energiespeicher (18) zu übertragen.
System (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Steuerung eingerichtet ist, eine thermische Leistung der Wärmequelle mit einem vorbestimmten Schwellwert zu vergleichen, und, wenn die thermische Leistung der Wärmequelle unter dem vorbestimmten Schwellwert liegt und wenn eine Verfügbarkeit von elektrischer Energie über verbrauchsabhängigen Schwellwert liegt, die Wärmepumpe (12) zu betreiben, um Wärme von dem zweiten Energiespeicher (20) zu dem ersten Energiespeicher (18) zu übertragen.
System (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Steuerung eingerichtet ist, die Menge gespeicherter Energie in dem ersten Energiespeicher (18) mit einem Energieschwellwert zu vergleichen, und, wenn die Menge gespeicherter Energie in dem ersten Energiespeicher (18) über dem Energieschwellwert liegt, und wenn eine Verfügbarkeit von elektrischer Energie über einem verbrauchsabhängigen Schwellwert liegt, die Wärmequelle über die Wärmepumpe (12) mit dem zweiten Energiespeicher (20) zu koppeln, um über das Wärmeträgermedium Wärme von der Wärmequelle auf den zweiten Energiespeicher (20) zu übertragen.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung eingerichtet ist, wenn eine Verfügbarkeit von elektrischer Energie unter einem verbrauchsabhängigen Schwellwert liegt, thermische Energie direkt aus dem ersten Energiespeicher (18) bereitzustellen.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung eingerichtet ist, wenn eine Verfügbarkeit von elektrischer Energie über einem verbrauchsabhängigen Schwellwert liegt, thermische Energie aus dem ersten Energiespeicher (18) und/oder dem zweiten Energiespeicher (20) bereitzustellen, indem die Wärmepumpe (12) betrieben wird, um ein erstes Temperaturniveau des ersten Energiespeichers (18) und/oder des zweiten Energiespeichers (20) auf ein zweites Temperaturniveau anzuheben.
System (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei der verbrauchsabhängige Schwellwert sich auf der Basis einer Summe eines aktuellen Verbrauchswerts und eines Energieverbrauchs der Wärmepumpe (12) bestimmt.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung eingerichtet ist, den ersten Energiespeicher (18) saisonal auf eine Temperatur von mindestens ungefähr 40 °C oder mindestens ungefähr 60°C zu erhitzen.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Energiespeicher (18) und/oder der zweite Energiespeicher (20) einen Erdwärmekollektor (28, 32) umfasst.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die energiespeichernde Komponente (26-32) des ersten Energiespeichers (18) an die energiespeichernde Komponente (26-32) des zweiten Energiespeichers (20) angrenzt und durch eine in das Erdreich (24) eingelassene thermisch isolierende Trennwand (42) seitlich von der energiespeichernden Komponente (26-32) des zweiten Energiespeichers (20) abgegrenzt ist.
System (10) nach Anspruch 15, wobei die energiespeichernde Komponente (26-32) des ersten Energiespeichers (18) durch die thermisch isolierende Trennwand (42) seitlich umlaufend von dem umgebenden Erdreich (24) getrennt wird.
System (10) nach Anspruch 15 oder 16, ferner umfassend eine untere Trennwand, welche eine untere Begrenzung der energiespeichernden Komponente (26-32) des ersten Energiespeichers (18) bildet, um die energiespeichernde Komponente (26-32) des ersten Energiespeichers (18) in vertikaler Richtung gegenüber dem darunterliegenden Erdreich (24) thermisch zu isolieren.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Energiespeicher (18) und/oder der zweite Energiespeicher (20) einen Zisternenspeicher (26, 30, 60) im Erdreich (24) umfasst.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die energiespeichernde Komponente (26-32) des ersten Energiespeichers (18) einen ins Erdreich (24) eingelassenen Zisternenspeicher (26, 60) und einen Erdwärmekollektor (28) umfasst, wobei der Erdwärmekollektor (28) seitlich zu dem Zisternenspeicher (26, 60) angeordnet ist.
System (10) nach Anspruch 19, wobei der erste Energiespeicher (18) eine Ventilanordnung (44, 46) umfasst, um ein Wärmeträgermedium wahlweise in einer ersten Stellung durch den Zisternenspeicher (26, 60) zu führen oder in einer zweiten Stellung den Zisternenspeicher (26, 60) und den Erdwärmekollektor (28) hintereinanderzuschalten, wobei die Steuerung eingerichtet ist, die Ventilanordnung (44, 46) von der ersten Stellung in die zweite Stellung zu schalten, wenn eine gespeicherte Energiemenge in dem Zisternenspeicher (26, 60) oberhalb eines Energieschwellwertes liegt.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die energiespeichernde Komponente (26-32) des zweiten Energiespeichers (20) einen ins Erdreich (24) eingelassenen Zisternenspeicher (30, 60) und einen Erdwärmekollektor (32) umfasst, wobei der Erdwärmekollektor (32) seitlich zu dem Zisternenspeicher (30, 60) angeordnet ist.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 21, wobei der Zisternenspeicher (26, 30, 60) des ersten Energiespeichers (18) und/oder des zweiten Energiespeichers (20) zur Aufnahme einer Elektrolytlösung ausgebildet ist, und wobei das System (10) ferner eine elektrochemische Zelle (64) einer Redox-Flussbatterie umfasst, welche mit dem Zisternenspeicher (26, 30, 60) fluidgekoppelt ist.
System (10) nach Anspruch 22, wobei der erste und der zweite Energiespeicher (18, 20) jeweils einen Zisternenspeicher (26, 30) umfassen, wobei die Zisternenspeicher (26, 30) des ersten Energiespeichers (18) und des zweiten Energiespeichers (20) jeweils mit unterschiedlichen Elektroden der elektrochemischen Zelle (64) fluidkoppelbar sind, oder wobei der Zisternenspeicher (60) des ersten Energiespeichers (18) und/oder des zweiten Energiespeichers (20) zwei getrennte Speicherkammern (66, 68) umfasst, welche jeweils mit unterschiedlichen Elektroden der elektrochemischen Zelle (64) fluidkoppelbar sind.
System (10) nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, welches ferner eine thermoelektrochemische Zelle umfasst, welche wahlweise mit dem ersten Energiespeicher (18) und/oder dem zweiten Energiespeicher (20) zur Erzeugung von elektrischer Energie koppelbar ist.
System (10, 58) zum Speichern thermischer und elektrischer Energie, umfassend einen ersten Speicherkörper (26, 66) zur Aufnahme einer Elektrolytlösung, eine elektrochemische Zelle (64) einer Redox-Flussbatterie, wobei die elektrochemische Zelle (64) mit dem ersten Speicherkörper (26, 66) wahlweise fluidkoppelbar ist, zum Austausch der Elektrolytlösung zwischen der elektrochemischen Zelle (64) und dem ersten Speicherkörper (26, 66), und eine Wärmepumpe (12), wobei der Speicherkörper (26, 66) mit der Wärmepumpe (12) wahlweise koppelbar ist, sodass die Elektrolytlösung in dem Speicherkörper (26, 66) thermische Energie aufnimmt oder abgibt.
System (10, 58) nach Anspruch 25, wobei in dem ersten Speicherkörper (26, 66) ein Wärmetauscher (34) angeordnet ist, welcher mit der Wärmepumpe (12) wahlweise koppelbar ist, und/oder wobei der ersten Speicherkörper (26, 66) wahlweise mit der Wärmepumpe (12) über Fluidleitungen koppelbar ist.
System (10, 58) nach Anspruch 25 oder 26, welches ferner einen zweiten Speicherkörper (30, 68) zur Aufnahme einer Elektrolytlösung umfasst, wobei der erste Speicherkörper (26, 66) und der zweite Speicherkörper (30, 68) jeweils mit unterschiedlichen Elektroden der elektrochemischen Zelle (64) gekoppelt sind.
Verfahren zum Betreiben eines Systems (10) mit einer Wärmepumpe (12), einem ersten thermischen Energiespeicher (18), und einem zweiten thermischen Energiespeicher (20), wobei der erste Energiespeicher (18) und der zweite Energiespeicher (20) jeweils eine energiespeichernde Komponente (26-32) im Erdreich (24) umfassen, und wobei der erste Energiespeicher (18) von dem zweiten Energiespeicher (20) thermisch isoliert ist, wobei das Verfahren umfasst: Betreiben der Wärmepumpe (12), um Wärme von einem ersten Wärmeträgerkreislauf, welcher mit dem zweiten Energiespeicher (20) gekoppelt ist, zu dem ersten Energiespeicher (18) zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Verfahren ferner umfasst: Koppeln einer zeitlich variablen Wärmequelle mit einem zweiten Wärmeträgerkreislauf, wenn eine charakteristische Temperatur der Wärmequelle oder eine thermische Leistung der Wärmequelle einen Schwellwert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 29, welches ferner umfasst: Koppeln des zweiten Wärmeträgerkreislaufs und des ersten Wärmeträgerkreislaufs; und/oder Betreiben der Wärmepumpe (12), um Wärme von dem zweiten Wärmeträgerkreislauf zu dem ersten Energiespeicher (18) zu übertragen, wenn ein Kennwert für eine Verfügbarkeit von elektrischer Energie oberhalb eines verbrauchsabhängigen Schwellwerts liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen, ob eine Ist-Temperatur der energiespeichernden Komponente (26-32) des ersten Energiespeichers (18) oberhalb eines Sollwerts ist, und falls die Ist-Temperatur oberhalb der Solltemperatur ist, Betreiben der Wärmepumpe (12), um Wärme von dem zweiten Energiespeicher (20) zu einer zweiten energiespeichernden Komponente (26-32) des ersten Energiespeichers (18) zu übertragen, wobei die zweite energiespeichernde Komponente (26-32) ein Langzeit-Energiespeicher, insbesondere mit höherer Speicherkapazität oder niedrigerer thermischer Abgabeleistung als die erste energiespeichernde Komponente (26-32) ist, und falls die Ist-Temperatur unterhalb der Solltemperatur ist, Betreiben der Wärmepumpe (12), um Wärme von dem zweiten Energiespeicher (20) zu der ersten energiespeichernden Komponente (26-32) zu übertragen.
Gebäude (48), dessen untere Begrenzung gegenüber dem Erdreich (24) eine wärmedämmende Schicht (52) umfasst, wobei unterhalb der wärmedämmenden Schicht (52) ein erster Energiespeicher (18) und ein zweiter Energiespeicher (20) angeordnet sind, welche jeweils einen flüssigkeitsdicht gegenüber dem umliegenden Erdreich (24) abgegrenzten Hohlraum zur Aufnahme eines Speichermediums als energiespeichernde Komponenten (26-32) umfassen, und wobei die energiespeichernden Komponenten (26-32) des ersten Energiespeichers (18) und des zweiten Energiespeichers (20) seitlich thermisch voneinander isoliert sind.
Gebäude (48) nach Anspruch 32, wobei das Gebäude (48) eine thermisch isolierende Trennwand (42) umfasst, welche im Erdreich (24) zwischen der energiespeichernden Komponente (26, 28) des ersten Energiespeichers (18) und der energiespeichernden Komponente (30, 32) des zweiten Energiespeichers (20) angeordnet ist.