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Die Erfindung betrifft einen kombinierten Wärme-Lage-Energiespeicher (1), mit einem in einer flüssigkeitsgefüllten Einfassung (3) hydraulisch beweglichen Kolben (2), einer flexiblen Stülpmembran (10), welche die Flüssigkeit in einen oberen Flüssigkeitsbereich (4) und einen unteren Flüssigkeitsbereich (5) trennt, wobei der untere Flüssigkeitsbereich (5) unter einem höheren hydrostatischen Druck steht als der obere Flüssigkeitsbereich (4), und die Stülpmembran (10) an einem äußeren Endbereich (6) mit der Einfassung (3) und an einem inneren Endbereich (7) mit dem Kolben (2) fest und flüssigkeitsdicht verbunden ist und einem Flüssigkeitskreislauf (8) für die Zu- und Abfuhr von Wärme durch Stofftransport der Flüssigkeit zum oder vom Wärme-Lage-Energiespeicher (1).
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Ein derartiger Wärme-Lage-Energiespeicher ist aus der
DE 10 2013 111 543 A1 bekannt. Eine bedarfsgerechte regenerative Strom- und Wärmeversorgung auf der Basis von Sonne und Wind erfordert Energiespeichersysteme um temporäre Erzeugungsüberschüsse und -Defizite gegenüber dem Verbrauch ausgleichen zu können. Insbesondere um solare Wärme, die in den Sommermonaten im Überfluss vorhanden ist, für die Nutzung in der kalten Jahreszeit speichern zu können, muss sie zunächst einem Wärmespeicher zugeführt werden. Dies geschieht bei dem bekannten Energiespeicher, der als kombinierter Wärme-Lage-Energiespeicher ausgeführt ist, über Wärmetauscher-Rohre, die einerseits in einem oberen Flüssigkeitsbereich und andererseits in einem unteren Flüssigkeitsbereich verlegt sind. Die beiden Flüssigkeitsbereiche sind durch eine Stülpmembran voneinander getrennt, weil sie auch unterschiedliche Druckniveaus aufweisen. Umgekehrt wird bei Wärmebedarf über die gleichen Wärmetauscher-Rohre wieder Wärme aus dem Wärmespeicher beispielsweise in ein Fern- oder Nahwärmenetz eingespeist. Sowohl bei der Ein- als auch bei der Ausspeisung von Wärme kann nicht das volle Wärmepotential genutzt werden, da im Wärmetauscher Übertragungsverluste auftreten (Grädigkeit). Dadurch sinkt insgesamt die nutzbare Wärmespeicherkapazität des Wärmespeichers. Bei groß dimensionieren Wärme-Lage-Energiespeicher sind entsprechend große Wärmetauscher notwendig, welche erhebliche Investitionen erfordern.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher bei einem kombinierten Wärme-Lage-Energiespeicher dafür Sorge zu tragen, dass möglichst viel von der in den Sommermonaten eingespeisten Wärmeenergie für die kalte Jahreszeit nutzbar gemacht wird um dadurch die Wirtschaftlichkeit der Anlage zu erhöhen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 und durch die Merkmale des Anspruchs 15 gelöst.
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Ein besserer Wirkungsgrad des Wärmespeichers wird dadurch erreicht, dass die Flüssigkeit des unteren Flüssigkeitsbereichs (5) und/oder des oberen Flüssigkeitsbereichs (4) unmittelbar Teil des Flüssigkeitskreislaufs (8) ist. Dadurch sind die unvermeidlichen Verluste, die durch die Verwendung von Wärmeübertrager-Rohren und damit die Trennung der Flüssigkeitskreisläufe entstehen, deutlich verringert.
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Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargestellt. Durch die direkte Einbindung der beiden Flüssigkeitsbereiche (4 und 5) in den Flüssigkeitskreislauf (8), besteht die Schwierigkeit, dass hohe Druckunterschiede überwunden werden müssen, die zwischen den beiden Flüssigkeitsbereichen (4 und 5) aufgrund der Kombination mit dem Lage-Energiespeicher bestehen. In Weiterbildung der Erfindung werden diese Druckunterschiede in sehr vorteilhafter Weise durch einen Druck-Übertrager (16) ausgeglichen, welcher den oberen Flüssigkeitsbereich (4) mit dem unteren Flüssigkeitsbereich (5) verbindet. Der Druck-Übertrager (16) besteht aus einer Druckerhöhungsanlage (17) und einer Druckminderungsanlage (18), welche miteinander gekoppelt sind. Die Kopplung kann bei rotierenden Systemen durch eine gemeinsame Welle, zwei miteinander verbundene Wellen, bei oszillierenden Systemen über Stößel, Stangen, hydraulisch und/oder andere Kraft und/oder Drehmomentübertragungsmechanismen oder eine Kombination dieser Wirkmechanismen realisiert sein.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Druck-Übertrager (16) durch ein Antriebsmittel antreibbar ist. Das Antriebsmittel dient nicht dazu Druckunterschiede zwischen den unterschiedlichen Druckniveaus der beiden Flüssigkeitsbereiche (4 und 5) des kombinierten Wärme-Lage-Energiespeichers (1) auszugleichen, sondern um Verluste, eventuelle temperaturbedingte volumetrische Differenzen und eventuelle Abweichungen der Druckdifferenzen zwischen Druckerhöhungsanlage und Druckminderungsanlage im Flüssigkeitskreislauf zu kompensieren und den Flüssigkeitskreislauf selbst anzutreiben. Das Antriebsmittel wirkt wie ein Umwälzpumpenantrieb.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Antriebsmittel eine Antriebseinheit (37), welche mit der Druckerhöhungsanlage (17) und/oder mit der Druckminderungsanlage (18) gekoppelt und Bestandteil des Druck-Übertragers (16) ist. Die Antriebseinheit (37) kann beispielsweise ein Elektromotor sein. Derartige Antriebseinheiten lassen sich einfach steuern und weisen eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer auf.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Antriebsmittel ein hydraulisches Antriebsmittel ist, das durch die Druckerhöhungsanlage (17) und die Druckminderungsanlage (18) gebildet ist. Hierdurch kann eine zusätzliche, das Antriebsmittel bildende, Bauteil oder Baugruppe eingespart werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführung eines hydraulischen Antriebsmittels sind die Druckerhöhungsanlage (17) und die Druckminderungsanlage (18) Schrägscheibenmaschinen mit jeweils einer verstellbaren Schrägscheibe, wobei sich die Neigungswinkel der beiden Schrägscheiben in mindestens einem Betriebszustand voneinander unterscheiden. Da die beiden Schrägscheibenmaschinen miteinander gekoppelt sind, bedeutet eine Differenz der beiden Schrägscheibenwinkel einen unterschiedlichen Hub von Verdrängerkolben und damit ein unterschiedliches Fördervolumen der beiden Schrägscheibenmaschinen. Die Differenz der Fördervolumina ermöglicht eine Änderung der Volumina der beiden Flüssigkeitsbereiche (4 und 5). Diese erlaubt ein geringfügiges Absinken des Kolbens (2) des Lageenergiespeichers, wobei ein geringer Teil der Lageenergie des Kolbens (2) in Antriebsenergie der Schrägscheibenmaschinen (50) umgewandelt wird. Ändert man die Schrägungswinkel der beiden Schrägscheibenmaschinen so, dass sich ein umgekehrtes Verhältnis ergibt, kehrt sich die Drehrichtung der Schrägscheibenmaschinen um. Je größer der Winkelunterschied der beiden Schrägscheiben ist, desto größer ist die Drehzahl. In einem Betriebszustand in welchem die beiden Schrägungswinkel identisch sind, stehen die beiden Schrägscheibenmaschinen still. Die Einstellung der Schrägungswinkel der Schrägscheiben kann über Einstellmechanismen erfolgen, die hydraulisch oder mechanisch betätigbar sind, z. B. Bewegungsspindeln mit Muttern, welche die Schrägscheiben einstellen. Winkelstellungsunterschiede werden hierbei insbesondere für die instationären Vorgänge zur Änderung der Volumenströme und deren Umkehrung bei Speicherauflade- und Speicherentnahmebetrieb erforderlich.
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Durch die Drehzahl oder die Frequenz und/oder in oszillierenden Systemen durch den Hub des Antriebsmittels passt es den Volumenstrom an den aktuellen Wärmebedarf oder das aktuelle Wärmeangebot an. Das Antriebsmittel bestimmt die Förderrichtung, um den Wärme-Energiespeicher z.B. im Sommer füllen und in der kalten Jahreszeit entleeren zu können. Die Förderrichtung kann über die Drehrichtung und/oder gesteuerte Ventile und/oder durch verstellbare Geometrien an den Druckerhöhungs- und Druckminderungsanlagen beeinflusst werden. Über eine integrierte Ventilschaltung kann zwischen Aufheizbetrieb und Wärmeentnahmebetrieb umgeschaltet werden. Die Ventilschaltung erlaubt auch eine feste Zuordnung von Pumpe und hydraulischer Antriebseinheit ohne eine Umkehrung der Strömungsrichtung innerhalb der beiden Aggregate.
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Die Druckerhöhungsanlage (17) und die Druckminderungsanlage (18) können in Form einer Pumpe, insbesondere einer Verdränger-Pumpe ausgeführt sein. Verdränger-Pumpen haben den Vorteil, dass sie nur sehr geringe Leckage-Verluste oder nahezu keine Leckage-Verluste aufweisen. Ein wesentlicher Gesichtspunkt bei der Auswahl einer geeigneten Pumpe besteht darin, dass sie sowohl als Pumpe, als auch als Motor oder hydraulische Antriebseinheit betreibbar sein kann. Eine Druckerhöhungsanlage (17) wird als Pumpe betrieben und eine Druckminderungsanlage (18) als Motor oder hydraulische Antriebseinheit. Je nach Betriebszustand kann eine nachfolgend kurz als Pumpe bezeichnetes Aggregat die Funktion einer Druckerhöhungsanlage (17) oder die Funktion einer Druckminderungsanlage (18) haben.
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Zweckmäßigerweise ist der Druck-Übertrager (16) über eine Stoffübertragungsleitung (20), einerseits mit dem oberen Flüssigkeitsbereich (4) und andererseits mit dem unteren Flüssigkeitsbereich (5) verbunden. Der obere Flüssigkeitsbereich (4) bildet einen Bereich niedrigen Drucks, während der untere Flüssigkeitsbereich (5) einen Bereich hohen Drucks bildet. Bei der Befüllung des Wärmespeichers wird der obere Flüssigkeitsbereich (4) mit warmem Wasser gefüllt. Dies ist nur möglich, wenn am unteren Ende des unteren Flüssigkeitsbereichs (5) gleichzeitig Wasser entnommen wird und die Stoffübertragungsleitung (20) einen Flüssigkeitstransport vom oberen Bereich (4) in den unteren Bereich (5) ermöglicht. Die Höhenlage des Kolbens (2) soll sich bei diesen Strömungsvorgängen möglichst nicht verändern. Anderenfalls würde selbst im Falle einer unmerklich kleinen Absenkung dem System potentielle Energie entnommen oder im Falle einer unmerklich kleinen Anhebung dem Speichersystem potentielle Energie zugeführt. Eine Ausnahme bildet hier die Systemlösung ohne eigenen Antriebsmotor für den Druck-Übertrager. Hierbei wird die Antriebsenergie zur Volumenstromänderung und zur Überwindung von Reibung des Druck-Übertragersystems der potentiellen Energie des Stromspeichersystems entnommen, wenngleich es dabei lediglich um marginal geringe Energiebeträge geht.
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Um einen in sich geschlossenen Flüssigkeitskreislauf zu ermöglichen und Energie in der Druckminderungsanlage (18) zurückgewinnen zu können, ist der Druck-Übertrager (16) einerseits über eine Niedertemperaturrohrleitung (14) mit dem unteren Flüssigkeitsbereich (5) und andererseits über eine Niedertemperaturrohrleitung (15) mit dem Flüssigkeitskreislauf (8) eines Wärmenetzes verbunden.
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Weiter ist für einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf eine Hochtemperaturrohrleitung (13) vorgesehen, welche im oberen Endbereich (21) des oberen Flüssigkeitsbereichs (4) an diesen hydraulisch angeschlossen ist, wobei die Hochtemperaturrohrleitung (13) mit dem Flüssigkeitskreislauf (8) des Wärmenetzes verbunden ist.
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Die Führung der Volumenströme der Stoffübertragungsleitungen (19, 20) und der Niedertemperaturrohrleitungen (14, 15) ist zweckmäßigerweise durch hydraulische Wegeventile, insbesondere 4/3-Wegeventile (38, 39) wählbar, so dass je nach Ventilstellung der Aufheizbetrieb oder der Wärmeentnahmebetrieb aktiv ist oder die Anlage inaktiv ist.
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In der Regel ist der Wärmespeicher stets voll mit Wasser gefüllt. Beim Laden des Wärmespeichers fließt warmes Wasser von einer Warmwassererzeugungsanlage, beispielsweise einer Solarthermieanlage über die Hochtemperaturrohrleitung (13) in den oberen Bereich (4) des Wärmespeichers. Für den Flüssigkeitsaustausch aus dem oberen Bereich (4) dient die Stoffübertragungsleitung (20), welche über die Druckerhöhungsanlage (17) des Druck-Übertragers (16) eine Verbindung mit dem unteren Bereich (5) herstellt. Die Druckerhöhungsanlage (17) pumpt das Wasser aus dem oberen Bereich (4) niedrigen Drucks in den unteren Bereich (5) hohen Drucks. Über die Niedertemperaturrohrleitung (14) wird kühleres Wasser aus dem Wärmespeicher herausbefördert und passiert dabei die Druckminderungsanlage (18) des Druck-Übertragers (16) und gelangt dann wieder in den Flüssigkeitskreislauf (8), der zum Bereich niedrigen Drucks gehört. Über die Kopplung zwischen der Druckerhöhungsanlage (17) und der Druckminderungsanlage (18) wird der größte Teil des Energieaufwands der in der Druckerhöhungsanlage (17) benötigt wird aus der Druckminderungsanlage (18) zurückgewonnen. Die Antriebseinheit (37), die im Druck-Übertrager (16) mit der Druckminderungsanlage (18) und über deren Kopplung mit der Druckerhöhungsanlage (17) auch mit dieser gekoppelt ist, trägt daher lediglich zur Überwindung auftretender Verluste im hydraulischen Kreis und die zur Umwälzung des Wassers im Flüssigkeitskreislauf (8) benötigte Energie bei.
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Durch die Kombination aus Wärme-Energiespeicher und Lage-Energiespeicher, insbesondere bei einem Stülpmembranspeicher sind geometrische Gegebenheiten zu berücksichtigen, welche die Lage von Rohranschlüssen beeinflussen. Daher ist eine obere Öffnung (11) der Stoffübertragungsleitung (20) oberhalb eines Erstreckungsbereichs (36), in welchen sich die Stülpmembran (10) bei maximal geladenem Lage-Energiespeicher erstreckt, angeordnet ist und eine untere Öffnung (12) der Stoffübertragungsleitung (20) unterhalb des äußeren Endbereichs (6) der Stülpmembran (1) angeordnet. Der äußere Endbereich (6) der Stülpmembran ist der Bereich in welchem die Stülpmembran (10) mit der Einfassung (3) fest verbunden ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Stoffübertragungsleitung (20) und eine parallel geschaltete Lageenergiedruckleitung (35) zumindest einen gemeinsamen Leitungsteil aufweisen der sich lediglich im Bereich des Druck-Übertragers (16) bzw. im Bereich einer Turbine (9) in zwei parallele Zweige aufteilt (in der Zeichnung nicht dargestellt). Der Abstand zwischen der oberen Öffnung (11) und der unteren Öffnung (12) kann bei großen Anlagen in einer Größenordnung von 100 m betragen, deshalb kann es wirtschaftlich sinnvoll sein, auf diese Weise Rohrleitungen einzusparen.
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Die Aufgabe wird weiter durch einen Druck-Übertrager (16) als technische Einheit zur Druckerhöhung eines Volumenstroms bei gleichzeitiger Druckabsenkung eines gegenläufigen Volumenstroms gelöst, wobei der Druck-Übertrager (16) aus einer Druckerhöhungsanlage (17), einer Druckminderungsanlage (18) und einem Antriebsmittel besteht, bei welchem die Antriebsleistung zur Druckerhöhung im Wesentlichen aus der hydraulischen Leistung bei der Druckabsenkung ziehbar ist und die Leistung des Antriebsmittels lediglich dem Ausgleich von Verlusten und eventuellen Differenzen bei den Volumenströmen und anliegenden Druckunterschieden dient.
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Der Druck-Übertrager (16) wird vorzugsweise, in einem kombinierten Lage-Wärme-Energiespeicher verwendet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen kombinierten Wärme-Lage-Energiespeicher gemäß dem Stand der Technik,
- 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärme-Lage-Energiespeicher in einem ersten Betriebszustand mit Wärmeentnahme,
- 3 den erfindungsgemäßen Wärme-Lage-Energiespeicher in einem zweiten Betriebszustand mit Wärmeeinspeisung,
- 4 eine Ventilsteuerung einer zweiten Ausführungsform des Druck-Übertragers in einer ersten aktiven Ventilstellung,
- 5 die Ventilsteuerung der zweiten Ausführungsform in einer neutralen Ventilstellung,
- 6 die Ventilsteuerung der zweiten Ausführungsform in einer zweiten aktiven Ventilstellung,
- 7 eine Schnittansicht eines Druck-Übertragers mit Schrägscheibenmaschine gemäß einer dritten Ausführungsform und
- 8 eine Seitenansicht einer Schrägscheibenmaschine.
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Hinweis: Bezugszeichen mit Index und entsprechende Bezugszeichen ohne Index bezeichnen namensgleiche Einzelheiten in den Zeichnungen und der Zeichnungsbeschreibung. Es handelt sich dabei um die Verwendung in einer anderen Ausführungsform, dem Stand der Technik und/oder die Einzelheit ist eine Variante. Die Ansprüche, die Beschreibungseinleitung, die Bezugszeichenliste und die Zusammenfassung enthalten der Einfachheit halber nur Bezugszeichen ohne Index.
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1 zeigt einen kombinierten Wärme-Lage-Energiespeicher 1a gemäß dem Stand der Technik, mit einer Speichereinrichtung für regenerativer Energie, beispielsweise aus Wind und Sonne und einer Parallelnutzung seines Speichervolumens und seiner dabei eingesetzten Flüssigkeit als Großwärmespeicher, z. B. als saisonalen Wärmespeicher. Das große zur Lage-Energiespeicherung eingesetzte Speichervolumen setzt sich zusammen aus einem Flüssigkeitsvolumen, im Besonderen einem oberen Flüssigkeitsbereich 4a und einem unteren Flüssigkeitsbereich 5a und dem Volumen eines Kolbens 2a. Der Kolben 2a besteht im Wesentlichen aus einem Betonmantel 26 mit darin eingeschlossenem Untergrundmaterial 27. Das gesamte Speichervolumen befindet sich innerhalb einer Einfassung 3a, welche als Betonschale ausgeführt ist und den umgebenden Untergrund 28 abstützt und gegenüber der eingeschlossenen Flüssigkeit abdichtet. Als Flüssigkeit kommt aus Umweltschutz-, physikalischen und praktischen Gründen vor allem Wasser in Frage. Wasser hat eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität, ist in großen Mengen vorhanden und verursacht bei einem Leck keine Umweltschäden. Der obere Flüssigkeitsbereich 4a ist vom unteren Flüssigkeitsbereich 5a durch eine Stülpmembran 10a abgedichtet. Die Stülpmembran 10a ist hierzu einerseits mit der Einfassung 3a und andererseits mit dem Kolben 2a fest verbunden. In sich ist die Stülpmembran flexibel und lässt eine vertikale Bewegung des Kolbens 2a innerhalb der Einfassung 3a unter Beibehaltung der Dichtwirkung zu.
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Da die Stülpmembran 10a des Wärme-Lage-Energiespeichers 1a, wie 1 zeigt, jeweils nur die halbe Stecke des Kolbenhubs an der Außenwand überdeckt, können in allen darunter und darüber liegenden Bereichen, wie zum Beispiel in Fermentern von Biogasanlagen üblich und wie in 1 dargestellt, Wärmetauscher, hier in Form eines oberen Wärmetauschers 24 und eines unteren Wärmetauscher 25 an der Einfassung 3a schraubenförmig umlaufend angebracht sein. Denkbar sind auch andere Anordnungen, z. B. freistehend im Spalt zwischen Einfassung und Kolben oder direkt am Kolben.
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Zur Verminderung von Wärmeverlusten an die Umgebung ist der Wärme-Lage-Energiespeicher 1a einschließlich der miterwärmten Untergrundumgebung mit einer dafür geeigneten Wärmedämmung 29 abgedeckt. Diese Wärmedämmung 29 ist wiederum von einer schützenden Abdeckung 49 überdeckt, welche beispielsweise Sickerwasser fernhalten kann und auch eine zusätzliche Nutzung oder Begrünung seiner Oberfläche zulässt.
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Am oberen Ende des oberen Flüssigkeitsbereichs 4a stellt sich die höchste Temperatur ein, am untersten Ende des untern Flüssigkeitsbereichs 5a die niedrigste.
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Zur Aufladung des Wärmespeichers ist warmes Wasser in Zulauf-Fließrichtung 30 einzuspeisen und die korrespondierende Menge kühleren Wassers aus dem System in Ablauf-Fließrichtung 31 zu entnehmen.
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Zur Wärmeentnahme ist kühleres Wasser in Einspeise-Fließrichtung 32 einzuspeisen und wärmeres Wasser in Entnahme-Fließrichtung 33 zu entnehmen.
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Eine angedeutete Heizzentrale 34 dient, wie 1 zeigt, als Schnittstelle zwischen dem Wärmespeicher und Wärmenutzern. Diese können über ein Wärmenetz miteinander verbunden sein und sowohl Wärme liefern als auch anfordern. Mit Sonnenkollektoren auf Dächern eines Siedlungsgebiets könnte damit die reichlich vorhandene Überschusswärme des Sommers gespeichert und in der kalten Jahreszeit wieder abgerufen werden. Die verfügbare Wärmespeicherkapazität ist so ausgelegt, dass die angeschlossenen Prosumer (Verbraucher, die gleichzeitig Produzenten sind) der jahreszeitliche Wärmehaushalt ganz ohne Wärmepumpenprinzip und allein durch die Umwälzung gedeckt werden.
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Eine parallele Nutzung des Lage-Energiespeichers und des Wärme-Energiespeichers in einer kombinierten Anlage ist besonders dann zweckmäßig, wenn der Wärme-Lage-Energiespeicher in der Nähe zu einem Siedlungsgebiet errichtet wird.
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2 und 3 zeigen einen erfindungsgemäßen Wärme-Lage-Energiespeicher 1 in Form eines Stülpmembranspeichers in einem ersten bzw. einem zweiten Betriebszustand, mit einer im Untergrund 28 eingebetteten und diesen abstützende Einfassung 3, einem Kolben 2, einer Stülpmembran 10 mit einem inneren Endbereich 7, einem gestrichelt angedeuteten maximalen Erstreckungsbereich 36 und einem äußeren Endbereich 6, einer Pumpturbineneinheit 9, einem Motorgenerator 23, einem oberen Flüssigkeitsbereich 4, einem unteren Flüssigkeitsbereich 5, einer Hochtemperaturrohrleitung 13 an einem oberen Endbereich 21, einer Niedertemperaturrohrleitung 14 an einem unteren Endbereich 22, einem Flüssigkeitskreislauf 8, einem Druck-Übertrager 16, mit einer Druckerhöhungsanlage 17, einer Druckminderungsanlage 18 und einer Antriebseinheit 37, einer Stoffübertragungsleitung 20, zwischen einer oberen Stoffübertragungsöffnung 11 und einer unteren Stoffübertragungsöffnung 12 und einer Lageenergiedruckleitung 35.
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Der Kolben 2 befindet sich in einer Zwischenstellung, in welcher er zur Hälfte seiner Speicherfähigkeit mit Lageenergie beladen ist. Der Kolben lässt sich hydraulisch weiter anheben, indem die Pumpturbineneinheit 9 Wasser in ihrer Funktion als Pumpe vom oberen Flüssigkeitsbereich 4 in den unteren Flüssigkeitsbereich 5 pumpt. Der Motorgenerator 23 wird hierbei in seiner Funktion als Motor betrieben. Umgekehrt lässt sich elektrische Energie gewinnen, indem die Pumpturbineneinheit 9 von der durch den Kolben 2 verdrängten Flüssigkeit in ihrer Funktion als Turbine angetrieben wird. Die Drehbewegung der Turbine wird direkt auf den Motorgenerator in Funktion als Generator übertragen, welcher Strom erzeugt und diesen ins Stromnetz einspeist. Unabhängig von der Lage des Kolbens 2 kann sowohl der obere Flüssigkeitsbereich 4 als auch der untere Flüssigkeitsbereich 5 zur Wärmespeicherung verwendet werden. Ab der Inbetriebnahme des Wärme-Lage-Energiespeichers erwärmt sich dabei auch der großvolumige Kolben 2 langsam und über einen längeren Zeitraum.
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Um dem Wärmespeicher Wärme zuzuführen oder zu entnehmen ist der obere Flüssigkeitsbereich 4 einerseits und der untere Flüssigkeitsbereich 5 andererseits Teil eines Flüssigkeitskreislaufs ohne hydraulische Trennwände. Dadurch ist der Wirkungsgrad der gesamten Anlage deutlich erhöht. Um eine verlustarme Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr zu ermöglichen, ist ein Druck-Übertrager vorgesehen, der eine Druckerhöhungsanlage 17 und eine damit gekoppelte Druckminderungsanlage 18 aufweist. Durch die Kopplung wird erreicht, dass der größte Teil des Energieaufwands zur Überwindung des Kolbendrucks in der Druckerhöhungsanlage 17 durch den Energiegewinn in der Druckminderungsanlage 18 zurückgewonnen wird. Je geringer die Leckage von Druckerhöhungsanlage 17 und Druckminderungsanlage 18 ist und je geringer die Reibungsverluste des eingesetzten Wirkmechanismus sind, desto vollständiger ist die Druckkompensation. Zum Ausgleich der geringen aber unvermeidlichen Verluste und zur Umwälzung der Flüssigkeit im Flüssigkeitskreislauf 8 ist eine Antriebseinheit 37 vorgesehen, welche ein Teil des Druck-Übertragers 16 ist. Je nach Betriebszustand kann die Druckerhöhungsanlage 17 als Druckminderungsanlage dienen und die Druckminderungsanlage 18 als Druckerhöhungsanlage wirken.
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In 2 ist der Betriebszustand dargestellt, in welchem dem Wärmespeicher Wärme entnommen wird, wobei die Pumpe, die in der Niedertemperaturrohrleitung 14 angeordnet ist, die Druckerhöhungsanlage 17 ist und die Pumpe, die in der Stoffübertragungsleitung 20 angeordnet ist, die Druckminderungsanlage 18 ist.
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In 3 ist der Betriebszustand dargestellt, in welchem dem Wärmespeicher Wärme zugeführt wird, wobei die Pumpe, die in der Stoffübertragungsleitung 20 angeordnet ist, die Druckerhöhungsanlage 17 ist und die Pumpe, die in der Niedertemperaturrohrleitung 14 angeordnet ist, die Druckminderungsanlage 18 ist.
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Der Kolben besteht, wie im Stand der Technik beschrieben, aus einer Betonhülle, welche Untergrundmaterial 27 einschließt. Die Einfassung besteht aus einer Betonschale, welche in einem Ringspalt vor Ort gegossen wurde; sie dient zur Abstützung des umgebenden Untergrunds 28 zur Abdichtung der beiden Flüssigkeitsbereiche 4 und 5 gegenüber diesem und im Bereich der Stülpmembran für diese als Abrollfläche. Die Stülpmembran 10 stellt das anspruchsvollste Bauteil des Wärme-Lage-Energiespeichers dar. Sie muss hohen Druckdifferenzen standhalten, darf dabei nicht undicht werden, muss eine hohe Lebensdauer aufweisen und vor Ort montierbar sein. Das gleiche gilt für die Verbindung der Stülpmembran 10 mit dem Kolben 2 einerseits und mit der Einfassung 3 andererseits.
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Die 4, 5 und 6 zeigen eine Ventilsteuerung einer zweiten Ausführungsform des Druck-Übertragers 16b, mit einer Antriebseinheit 37b, einer Druckerhöhungsanlage 17b, einer Druckminderungsanlage 18b, welche über ein hochdruckseitiges 4/3-Wegeventil 38 mit einer hochdruckseitigen Stoffübertragungsleitung 19b bzw. einer hochdruckseitigen Niedertemperaturrohrleitung 14b, sowie ein niederdruckseitiges 4/3-Wegeventil 39 mit einer niederdruckseitigen Stoffübertragungsleitung 20b bzw. einer niederdruckseitigen Niedertemperaturrohrleitung 15b hydraulisch verbindbar ist.
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4 zeigt die Ventilsteuerung des Druck-Übertragers 16b in einer ersten aktiven Ventilstellung, in welcher die niederdruckseitige Niedertemperaturrohrleitung 15b über die Druckerhöhungsanlage 17b mit der hochdruckseitigen Niedertemperaturrohrleitung 14b verbunden ist und die hochdruckseitige Stoffübertragungsleitung 19b über die Druckminderungsanlage 18b mit der niederdruckseitigen Stoffübertragungsleitung 20b verbunden ist. Bei dieser Ventilstellung wird dem Wärmespeicher warmes Wasser entnommen und kühleres Wasser zugeführt. Weiter ist eine Kopplungseinrichtung 40 angedeutet, die dafür sorgt, dass beide Ventile, also das hochdruckseitige 4/3-Wegeventil 38 und das niederdruckseitige 4/3-Wegeventil 39 synchron von einer neutralen Ventilstellung in eine erste aktive Ventilstellung gebracht werden kann. Die durchgezogene Linie der Kopplungseinrichtung 40 soll zeigen, dass für die gezeigte erste aktive Ventilstellung ein erster Steueranschluss 41 und ein damit gekoppelter zweiter Steueranschluss 42 aktiviert sind.
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5 zeigt eine neutrale Ventilstellung, welche durch Federkraft aufrechterhalten wird und in welcher weder Wärme zugeführt noch abgeführt wird. Das hochdruckseitige 4/3-Wegeventil 38 wird durch eine erste Rückstellfeder 45 und durch eine zweite Rückstellfeder 46 und das niederdruckseitige 4/3-Wegeventil 39 durch eine dritte Rückstellfeder 47 und durch eine vierte Rückstellfeder 48 in der neutralen Ventilstellung gehalten. Die hochdruckseitige Niedertemperaturleitung 14b, die niederdruckseitige Niedertemperaturleitung 15b, die hochdruckseitige Stoffübertragungsleitung 19b und die niederdruckseitige Stoffübertragungsleitung 20b sind durch das hochdruckseitige 4/3-Wegeventil 38 und das niederdruckseitige 4/3-Wegeventil 39 gesperrt. Diese Ventilstellung kann beispielsweise für Wartungsarbeiten oder für ein temporäres außer Betrieb setzen der Anlage gewählt werden.
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6 zeigt die Ventilsteuerung des Druck-Übertragers 16b in einer zweiten aktiven Ventilstellung, in welcher die hochdruckseitige Niedertemperaturrohrleitung 14b über die Druckminderungsanlage 18b mit der niederdruckseitigen Niedertemperaturrohrleitung 15b verbunden ist und die niederdruckseitige Stoffübertragungsleitung 20b über die Druckerhöhungsanlage 17b mit der hochdruckseitigen Stoffübertragungsleitung 19b verbunden ist. Bei dieser Ventilstellung wird dem Wärmespeicher warmes Wasser zugeführt und kühleres Wasser entnommen, die Kopplungseinrichtung 40 deutet an, dass beide Ventile, also das hochdruckseitige 4/3-Wegeventil 38 und das niederdruckseitige 4/3-Wegeventil 39 synchron von der neutralen Ventilstellung in eine zweite aktive Ventilstellung gebracht worden ist und in dieser Lage gehalten wird. Die durchgezogene Linie der Kopplungseinrichtung 40 soll zeigen, dass für die gezeigte zweite aktive Ventilstellung ein dritter Steueranschluss 43 und ein damit gekoppelter vierter Steueranschluss 44 aktiviert sind.
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Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung wechseln die Druckerhöhungsanlage 17a bzw. die Druckminderungsanlage 18b nicht ihre Funktion, sondern die die Druckerhöhungsanlage 17b kann für die Druckerhöhungsfunktion und die Druckminderungsanlage 18b für die Druckminderungsfunktion optimiert sein. Die Antriebseinheit 37b kann immer in die gleiche Richtung betrieben werden und kann auch hierfür optimiert sein.
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7 zeigt eine Schnittansicht eines Druck-Übertragers 16c mit zwei gekoppelten Schrägscheibenmaschinen 50 mit einer Welle 51, welche in einem Gehäuse 56 und einer Lagerplatte 57 drehbar gelagert ist, zwei Zylindertrommeln 54, die beiderseits der Lagerplatte 57 angeordnet und formschlüssig mit der Welle verbunden sind, mehreren Verdrängerkolben 52, die in Bohrungen 65 der Zylindertrommeln 54 axialbeweglich aufgenommen sind und an einem Ende über Kugelgelenke 58 mit einer Gleitscheibe 59 verbunden sind, welche an jeweils einer Schrägscheibe 53 anliegt, Einstellmechanismen 60, bestehend aus einer Bewegungsspindel 61 und einer Mutter 62 und Steuerplatten 55, welche nierenförmige (siehe 8) Ventilöffnungen 64, die als Ventileingang oder Ventilausgang dienen können, aufweisen. Die beiden Schrägscheiben 53 können durch den jeweils zugeordneten Einstellmechanismus 60 in ihrer Neigung verstellt und an die jeweiligen Betriebserfordernisse angepasst werden. Hierzu lassen sich die Muttern 62 unabhängig voneinander durch Drehen der zugeordneten Bewegungsspindel 61 achsparallel zur Welle 51 bewegen. Jede Bewegungsspindel 61 lässt sich z. B. durch einen Schrittmotor (hier nicht dargestellt) betätigen, welcher ein Teil einer Steuerungsanlage ist. Die Muttern sind jeweils mit einer Schrägscheibe 53 formschlüssig aber schwenkbeweglich verbunden, so dass bei Bewegung einer Mutter 62 auch die daran angelenkte Schrägscheibe 53 mitbewegt und in ihrer Neigung verstellt wird. In 7 ist die erste Schrägscheibe (links) um einen Winkel α und die zweite Schrägscheibe 53 (rechts) um einen Winkel β gegenüber der Lagerplatte 57 verschwenkt. Da sich die Winkel α und β voneinander unterscheiden ergibt sich ein unterschiedlicher Förderhub der Verdrängerkolben 52. Dadurch werden pro Umdrehung der Welle 51 unterschiedliche Flüssigkeitsmengen durch die beiden Schrägscheibenmaschinen 50 geschleust. Der Druck-Übertrager 16c ist einerseits an einer hochdruckseitigen Stoffübertragungsleitung 19c und einer niederdruckseitigen Stoffübertragungsleitung 20c und andererseits an einer hochdruckseitigen Niedertemperaturrohrleitung 14c und einer niederdruckseitigen Niedertemperaturrohrleitung 15c angeschlossen. Die beiden Schrägscheibenmaschinen 50 sind Teil desselben Flüssigkeitskreislaufs. Durch die, bei der gezeigten Schrägscheibenstellung, unterschiedlichen Fördervolumina muss deshalb ein Volumenausgleich stattfinden. Dieser erfolgt durch das Absenken der Kolbens 2 des Lage-Energiespeichers (vgl. 2, 3) und damit verbunden eine geringfügige Erhöhung des Volumens des oberen Flüssigkeitsbereichs und eine geringfügige Verminderung des Volumens des unteren Flüssigkeitsbereichs. Diese Absenkung bewirkt die Drehung der Welle 51. In welche Richtung die Welle 51 und damit der Flüssigkeitskreislauf dabei in Bewegung gesetzt wird hängt von den Einstellwinkeln der Schrägscheiben 53 ab. Bei einem Winkel α > β fließt mehr Flüssigkeit durch die Stoffübertragungsleitungen 19c, 20, als durch die Niedertemperaturrohrleitungen 14c, 15c, so dass der Wärmespeicher in Entladerichtung betrieben bzw. im Volumenstrom erhöht wird. Durch Winkelumkehr α <= β lässt sich der Volumenstrom entsprechend reduzieren. Umgekehrt fließt bei einem Winkel β > α mehr Flüssigkeit durch die Niedertemperaturrohrleitungen 14c, 15c als durch die Stoffübertragungsleitunen 19c, 20c, so dass der Wärmespeicher in Laderichtung betrieben bzw. im Volumenstrom erhöht wird. Durch Winkelumkehr β <= α lässt sich der Volumenstrom entsprechend reduzieren.
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8 zeigt eine Seitenansicht einer Schrägscheibenmaschine 50 des Druck-Übertragers 16c bei teilweise ausgeblendetem Gehäuse 56, mit der Steuerplatte 55, der Bewegungsspindel 61, der Steuerplatte 55, welche nierenförmige Ventilöffnungen 64 in Form von Durchbrüchen aufweist. Durch diese Durchbrüche sind Zylinderöffnungen 63 erkennbar. Jede Steuerplatte 55 weist zwei Ventilöffnungen 64 auf, wovon eine erste Ventilöffnung an der hochdruckseitigen Stoffübertragungsleitung 19c und eine zweite Ventilöffnung an der niederdruckseitigen Stoffübertragungsleitung 20c angeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärme-Lage-Energiespeicher
- 2
- Kolben
- 3
- Einfassung
- 4
- oberer Flüssigkeitsbereich
- 5
- unterer Flüssigkeitsbereich
- 6
- äußerer Endbereich
- 7
- innerer Endbereich
- 8
- Flüssigkeitskreislauf
- 9
- Pumpturbineneinheit
- 10
- Stülpmembran
- 11
- obere Öffnung
- 12
- untere Öffnung
- 13
- Hochtemperaturrohrleitung
- 14
- hochdruckseitige Niedertemperaturrohrleitung
- 15
- niederdruckseitige Niedertemperaturrohrleitung
- 16
- Druck-Übertrager
- 17
- Druckerhöhungsanlage
- 18
- Druckminderungsanlage
- 19
- hochdruckseitige Stoffübertragungsleitung
- 20
- niederdruckseitige Stoffübertragungsleitung
- 21
- oberer Endbereich
- 22
- unterer Endbereich
- 23
- Motorgenerator
- 24
- oberer Wärmetauscher
- 25
- unterer Wärmetauscher
- 26
- Betonmantel
- 27
- Untergrundmaterial
- 28
- Untergrund
- 29
- Wärmedämmung
- 30
- Zulauf-Fließrichtung
- 31
- Ablauf-Fließrichtung
- 32
- Einspeise-Fließrichtung
- 33
- Entnahme-Fließrichtung
- 34
- Heizzentrale
- 35
- Lageenergiedruckleitung
- 36
- Erstreckungsbereich
- 37
- Antriebseinheit
- 38
- hochdruckseitiges 4/3-Wegeventil
- 39
- niederdruckseitiges 4/3-Wegeventil
- 40
- Kopplungseinrichtung
- 41
- erster Steueranschluss
- 42
- zweiter Steueranschluss
- 43
- dritter Steueranschluss
- 44
- vierter Steueranschluss
- 45
- erste Rückstellfeder
- 46
- zweite Rückstellfeder
- 47
- dritte Rückstellfeder
- 48
- vierte Rückstellfeder
- 49
- Abdeckung
- 50
- Schrägscheibenmaschine
- 51
- Welle
- 52
- Verdrängerkolben
- 53
- Schrägscheibe
- 54
- Zylindertrommel
- 55
- Steuerplatte
- 56
- Gehäuse
- 57
- Lagerplatte
- 58
- Kugelgelenk
- 59
- Gleitscheibe
- 60
- Einstellmechanismus
- 61
- Bewegungsspindel
- 62
- Mutter
- 63
- Zylinderöffnung
- 64
- Ventilöffnung
- 65
- Bohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013111543 A1 [0002]
