DE102022125604A1

DE102022125604A1 - System und Verfahren zur Energiewandlung und Energiespeicherung

Info

Publication number: DE102022125604A1
Application number: DE102022125604.9A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Schlegl; Johannes Hartz
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2022-10-05
Filing date: 2022-10-05
Publication date: 2024-04-11

Abstract

System (10) zur Energiewandlung und Energiespeicherung, nämlich zur Wandlung elektrischer Energie in thermische Energie, zur Speicherung der thermischen Energie und zur Wandlung der gespeicherten thermischen Energie in elektrische Energie, mit zu einem Wärmepumpen-Kreislauf (11) verschalteten ersten Baugruppen, nämlich zumindest mit einem Verdampfer (14), einem Verdichter (15), einem Wärmetauscher (17) und mit einem Entspannungsorgan (18, 19), mit zu einem Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf (13) verschalteten zweiten Baugruppen, nämlich zumindest mit einem Verdampfer (21), einem Expander (22), einem Kondensator (24), und einer Pumpe (26), wobei der Verdampfer (14) des Wärmepumpen-Kreislaufs (11) Wärme aus der Umgebung, nämlich Wärme aus Umgebungsluft oder Umgebungs-wasser oder Umgebungserde, auf das erste Kältemittel überträgt, und wobei der Kondensator (24) des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (13) zur Abkühlung des zweiten Kältemittels Restwärme desselben in die Umgebung überträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Energiewandlung und Energiespeicherung und ein Verfahren zum Betreiben des Systems.
Insbesondere durch den Ausbau erneuerbaren Energien ist der Bedarf an einfachen Energie-Speicherlösungen gestiegen, die es erlauben, elektrische Energie, die durch erneuerbare Energiequellen erzeugt wird, im Megawatt-Maßstab zu speichern. Bislang bekannte Systeme und Verfahren zur Energiewandlung und Energiespeicherung sind aufwendig und teuer. Es besteht daher Bedarf an einem System und einem Verfahren zur Energiewandlung und Energiespeicherung, nämlich zur Wandlung elektrischer Energie in thermische Energie, zur Speicherung der thermischen Energie und Zurückwandlung der gespeicherten thermischen Energie in elektrische Energie, welche einfach und kostengünstig ist und im Megawatt-Maßstab genutzt werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes System zur Energiewandlung und Energiespeicherung sowie in Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein System nach Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße System weist zu einem Wärmepumpen-Kreislauf verschalteten erste Baugruppen auf, nämlich zumindest einen Verdampfer zur Verdampfung eines ersten Kältemittels, einen unter Nutzung elektrischer Energie antreibbaren Verdichter zur Verdichtung des verdampften ersten Kältemittels, einen Wärmetauscher zur Auskopplung thermischer Energie aus dem ersten verdampften und verdichteten Kältemittel und zur Einspeicherung derselben in ein Speichermedium mindestens eines thermischen Energiespeichers, und ein Entspannungsorgan zur Entspannung des ersten Kältemittels.
Das erfindungsgemäße System weist ferner zu einem Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf verschaltete zweite Baugruppen auf, nämlich zumindest einen Verdampfer zur Verdampfung eines zweiten Kältemittels unter Nutzung der in dem Speichermedium des mindestens einen thermischen Energiespeichers gespeicherten thermischer Energie, einen Expander zur Entspannung des zweiten, dampfförmigen Kältemittels unter Antreiben eines Generators zur Erzeugung elektrischer Energie, einen Kondensator zur Abkühlung des zweiten Kältemittels, und eine Pumpe zur Förderung des zweiten Kältemittels vom Kondensator in Richtung auf den Verdampfer.
Der Verdampfer des Wärmepumpen-Kreislaufs überträgt Wärme aus der Umgebung, nämlich Wärme aus Umgebungsluft oder Umgebungswasser oder Umgebungserde, auf das erste Kältemittel. Der Kondensator des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs überträgt zur Abkühlung des zweiten Kältemittels Restwärme desselben in die Umgebung.
Das erfindungsgemäße System zur Energiewandlung und Energiespeicherung nutzt einen Wärmepumpen-Kreislauf, um elektrische Energie in thermische Energie zu wandeln, einen Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf, um thermische Energie in elektrische Energie zurück zu wandeln, sowie mindestens einen thermischen Energiespeicher, der sowohl in den Wärmepumpen-Kreislauf als auch in den Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf eingebunden ist.
Der Wärmepumpen-Kreislauf verfügt über einen Verdampfer, der Wärme aus der Umgebung in das Kältemittel des Wärmepumpen-Kreislaufs überträgt. Als Wärmequelle des Wärmepumpen-Kreislaufs dient demnach die Umgebung. Der Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf verfügt über einen Kondensator, welcher zur Abkühlung Restwärme des Kältemittels des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs in die Umgebung überträgt. Als Wärmesenke des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs dient demnach auch die Umgebung.
Zur Speicherung thermischer Energie nutzt das erfindungsgemäße System demnach mindestens einen heißen Wärmespeicher, auf einen kalten Wärmespeicher wird jedoch verzichtet, da als kalten Wärmespeicher die Umgebung dient. Hierdurch baut das erfindungsgemäße System einfach und kostengünstig. Natürliche Schwankungen der Umgebungstemperatur können effizienzsteigernd genutzt werden.
Es liegt demnach im Sinne der Erfindung, im Bereich des Wärmepumpen-Kreislaufs die Umgebung als Wärmequelle und im Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf die Umgebung als Wärmesenke zu nutzen.
Vorzugsweise weist das System mehrere thermische Energiespeicher auf, deren Speichermedien auf unterschiedlichen Temperaturniveaus thermische Energie speichern. Hiermit kann die Effizienz des Systems zur Energiewandlung und Energiespeicherung gesteigert werden.
Vorzugsweise ist zum Verdichter des Wärmepumpen-Kreislaufs mindestens ein Zusatzverdichter mit unterschiedlichem Eingangsdruckniveau jedoch identischem Ausgangsdruckniveau parallel geschaltet. Auch hiermit kann die Effizienz des Systems zur Energiewandlung und Energiespeicherung weiter gesteigert werden.
Nach einer ersten Variante sind die ersten Baugruppen des Wärmepumpen-Kreislaufs und die zweiten Baugruppen des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs auf zwei getrennte Teilsysteme verteilt, derart, dass die beide Teilsysteme hinsichtlich der Kältemittelströmung derart getrennt sind, dass beide Kreisläufe zeitlich im Prinzip parallel betreibbar wären. Bei der ersten Variante können beide Kreisläufe, also der Wärmepumpen-Kreislauf und der Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf, mit kurzen Umschaltzeiten zwischen Be- und Entladen betrieben werden.
Nach einer zweiten Variante sind die ersten Baugruppen des Wärmepumpen-Kreislaufs und die zweiten Baugruppen des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs in ein Gesamtsystem integriert, derart, dass die beiden Kreisläufe dasselbe Kältemittel nutzen, jedoch zeitlich nur getrennt, nämlich wechselweise, betreibbar sind. Insbesondere sind bei der zweiten Variante der Verdichter des Wärmepumpen-Kreislaufs und der Expander des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs von einer gemeinsamen Baugruppe ausgebildet, insbesondere von einem Hubkolben-Verdichter-Expander. Alternativ oder zuzugsweise zusätzlich sind bei der zweiten Variante der Expander des Wärmepumpen-Kreislaufs und die Pumpe des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs von einer gemeinsamen Baugruppe ausgebildet, insbesondere von einer Pump-Turbine. Bei der zweiten Variante können der Wärmepumpen-Kreislauf und der Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf nicht gleichzeitig bzw. zeitlich parallel, sondern lediglich nacheinander, also zeitlich getrennt, betrieben werden. Der Vorteil der zweiten Variante besteht jedoch darin, dass für den Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf und den Wärmepumpen-Kreislauf dasselbe Kältemittel verwendet wird, wodurch Bauraum und Kosten eingespart werden können. Dann, wenn in der zweiten Variante der Verdichter des Wärmepumpen-Kreislaufs und der Expander des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs und/oder der Expander des Wärmepumpen-Kreislaufs und die Pumpe des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs von einer gemeinsamen Baugruppe ausgebildet sind, können der Bauraumbedarf und die Kosten des Systems weiter reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Anspruch 8 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1: ein Blockschaltbild eines ersten erfindungsgemäßen Systems zur Energiewandlung und Energiespeicherung,
2 ein Blockschaltbild eines zweiten erfindungsgemäßen Systems zur Energiewandlung und Energiespeicherung,
3 ein Blockschaltbild eines dritten erfindungsgemäßen Systems zur Energiewandlung und Energiespeicherung,
4 ein Blockschaltbild eines vierten erfindungsgemäßen Systems zur Energiewandlung und Energiespeicherung,
5 ein Diagramm zur Verdeutlichung des speichertemperaturabhängigen Wirkungsgrads des erfindungsgemäßen Systems,
6a bis 6c schematische Darstellungen möglicher Ausführungen eines erfindungsgemäßen Systems zur Energiewandlung und Energiespeicherung, und
7a bis 7b schematische Darstellungen weiterer möglicher Ausführungen eines erfindungsgemäßen Systems zur Energiewandlung und Energiespeicherung.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems 10 zur Energiewandlung und Energiespeicherung, nämlich zur Wandlung elektrischer Energie in thermische Energie unter Nutzung eines Wärmepumpen-Kreislaufs 11, zur Speicherung der bei dieser Energiewandlung genutzten thermischen Energie in mindestens einem thermischen Energiespeicher 12, sowie zur Rückwandlung der gespeicherten thermischen Energie in elektrische Energie unter Nutzung eines Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 13.
Der Wärmepumpen-Kreislauf 11 verfügt über einen Verdampfer 14, der zur Verdampfung eines ersten Kältemittels, nämlich zur Verdampfung eines ersten Kältemittels des Wärmepumpen-Kreislaufs 11, Wärme einer Wärmequelle in das erste Kältemittel unter Verdampfung desselben einbringt. Der Verdampfer 14 des Wärmepumpen-Kreislaufs 11 überträgt dabei Wärme aus der Umgebung, nämlich Wärme aus Umgebungsluft oder Umgebungswasser oder Umgebungserde, auf das erste Kältemittel des Wärmepumpen-Kreislaufs 11.
In Strömungsrichtung des ersten Kältemittels gesehen, weist der Wärmepumpen-Kreislauf 11 stromabwärts des Verdampfers 14 einen Verdichter bzw. Kompressor 15 auf, welcher unter Nutzung elektrischer Energie ausgehend von einem Motor 16 angetrieben wird und das verdampfte erste Kältemittel verdichtet. Der Verdichter 15 saugt im Bereich des Verdampfers 14 verdampftes erstes Kältemittel als Sattdampf oder leicht überhitzt an.
Stromabwärts des Verdichters 15 verfügt der Wärmepumpen-Kreislauf 11 über einen Wärmetauscher 17, welcher Wärme des ersten Kältemittels zur Auskopplung thermischer Energie aus dem verdampften und verdichteten ersten Kältemittel des Wärmepumpen-Kreislaufs 11 auf ein Speichermedium überträgt, nämlich auf ein Speichermedium des mindestens einen thermischen Energiespeichers 12.
Ferner verfügt der Wärmepumpen-Kreislauf 11 über ein Entspannungsorgan zur Entspannung des ersten Kältemittels des Wärmepumpen-Kreislaufs 11, wobei in 1 das Entspannungsorgan als Expander 18 ausgeführt ist. Im Expander 18 wird das Druckniveau des ersten Kältemittels abgebaut und hierbei Energie rückgewonnen, insbesondere über eine ideal isentrope Entspannung des ersten Kältemittels, wobei die hierbei rückgewonnene Energie zum Antreiben des Verdichters 15 genutzt werden kann.
Alternativ zum Expander 18 kann als Entspannungsorgan auch ein Entspannungsventil 19 genutzt werden. Durch Einsatz eines solchen Entspannungsventils 19 und den Verzicht auf einen Expander 18 kann der Wärmepumpen-Kreislauf 11 einfacher und kostengünstiger realisiert werden.
Bei Einsatz eines Entspannungsventils 19 wird das erste Kältemittel ohne Rückgewinnung von Energie isenthalp entspannt.
1 zeigt als weitere, optionale Baugruppe des Wärmepumpen-Kreislaufs 11 einen weiteren Wärmetauscher 20, wobei über diesen weiteren Wärmetauscher 20 das Kältemittel des Wärmepumpen-Kreislaufs 11 einerseits zwischen dem Verdampfer 14 und den Verdichter 15 und andererseits zwischen dem Wärmetauscher 17 und dem Entspannungsorgan 18 bzw. 19 geführt wird. Der weitere Wärmetauscher 20 dient als Rekuperator, welcher Restwärme nach der Wärmeauskopplung im Bereich des Wärmetauschers 17 auf das erste Kältemittel stromaufwärts des Verdichters 15 zu übertragen. Hierdurch kann am Verdichteraustritt eine höhere Temperatur erreicht bzw. eine nasse Verdichtung vermieden werden.
Im Wärmepumpen-Kreislauf 11 wird demnach im Bereich des Verdampfers 14 Wärme aus der Umgebung, nämlich Wärme aus Umgebungsluft oder Umgebungswasser oder Umgebungserde, auf das erste Kältemittel des Wärmepumpen-Kreislaufs 11 übertragen. Der Verdichter 15 des Wärmepumpen-Kreislaufs wird ausgehend vom Motor 16 unter Einsatz elektrischer Energie angetrieben. Diese elektrische Energie wird in thermische Energie gewandelt, die im Bereich des Wärmetauschers 17 ausgekoppelt wird, nämlich auf mindestens ein Speichermedium mindestens eines thermischen Energiespeichers 12 übertragen wird.
Der Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 13 des Systems 10 verfügt über einen Verdampfer 21, über welchen thermische Energie des mindestens einen Speichermediums des mindestens einen thermischen Energiespeichers 12 in ein zweites Kältemittel des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 13 übertragen werden kann, und zwar unter Verdampfung des zweiten Kältemittels im Bereich des Verdampfers 21 unter Zuführung der thermischen Energie aus dem mindestens einen thermischen Energiespeicher 12. Das im Bereich des Verdampfers 21 verdampfte zweite Kältemittel wird stromabwärts des Verdampfers 21 über einen Expander 22 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 13 geführt, um bei der Entspannung des zweiten Kältemittels elektrische Energie zu gewinnen, wobei hierzu mit dem Expander 22 ein Generator 23 gekoppelt ist, der vom Expander 22 aus angetrieben wird.
Das entspannte zweite Kältemittel strömt über einen Kondensator 24 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 13, wobei im Bereich des Kondensators 24 das zweite Kältemittel abgekühlt wird und kondensiert. Hierbei wird Restwärme des zweiten Kältemittels in die Umgebung übertragen.
Das im Bereich des Kondensators 24 abgekühlte und kondensierte Kältemittel kann von einer über einen Motor 25 angetriebenen Pumpe 26 wieder in Richtung auf den Verdampfer 21 gefördert werden. Die Pumpe 26 treibt den Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 13 an und pumpt flüssiges Kältemittel vom Kondensationsdruck auf Hochdruck in Richtung auf den Verdampfer 21. Die Pumpe kann mechanisch oder elektrisch mit dem Expander 22 gekoppelt sein.
1 zeigt als optionale Baugruppe des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 13 einen weiteren Wärmetauscher 27, über den das zweite Kältemittel des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 13 einerseits zwischen dem Expander 22 und dem Kondensator 24 und andererseits zwischen der Pumpe 26 und dem Verdampfer 21 geführt werden kann. Dieser weitere Wärmetauscher 27 arbeitet als Rekuperator, der Restwärme des im Expander 22 entspannten zweiten Kältemittels stromabwärts des Expanders 22 aufnimmt und stromaufwärts des Verdampfers 21 in dasselbe einkoppelt.
Während im Wärmepumpen-Kreislauf 11 im Bereich des Verdampfers 14 Umgebungswärme in das erste Kältemittel des Wärmepumpen-Kreislaufs 11 eingebracht wird, wird im Bereich des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 13 das zweite Kältemittel im Bereich des Kondensators 24 gegen die Umgebung gekühlt. Die Umgebung dient demnach als Wärmequelle des Wärmepumpen-Kreislaufs 11 und als Wärmesenke des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 13, wobei unter der Umgebung sowohl Umgebungsluft als auch Umgebungswasser oder Umgebungserde verstanden werden kann. Die Umgebung dient demnach sozusagen als unendliche Wärmequelle sowie Wärmesenke, bzw. kaltes Speicherreservoir.
Der Wärmepumpen-Kreislauf 11 sowie der Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 13 sind über den mindestens einen thermischen Energiespeicher 12 bzw. das Speichermedium desselben, welches sowohl über den Verdampfer 21 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 13 als auch über den Wärmetauscher 17 des Wärmepumpen-Kreislaufs 11 strömt, gekoppelt. Um unterschiedliche Temperaturbereiche abzudecken, können mehrere thermische Energiespeicher 12 vorhanden sein, die auf unterschiedlichen Temperaturniveaus thermische Energie speichern.
Als thermische Energiespeicher 12 eignen sich Heißwasserspeicher, Dampfspeicher, Flüssigsalzspeicher, Sand-/Beton-/Feststoffspeicher und dergleichen.
Bei dem System 10 der 1 nutzen der Wärmepumpen-Kreislauf 11 und der Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 13 eigene Kältemittel. Als erstes Kältemittel für den Wärmepumpen-Kreislauf 11 eignet sich zum Beispiel CO2, Ammoniak, Propan, Butan, R1234yf, R1234ze oder dergleichen. Es ist ein Kältemittel zu wählen, dessen Kompatibilität zu den Baugruppen des Wärmepumpen-Kreislaufs 11 und zu den Temperaturniveaus im thermischen Energiespeicher 12 und zu der Umgebung gegeben ist. Diese Kompatibilität zu den Baugruppen sowie zum Temperaturniveau des thermischen Energiespeichers 12 sowie der Umgebung ist auch für die Wahl des zweiten Kältemittels für den Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 13 von Bedeutung. Es kann dabei das gleiche Kältemittel wie im Wärmepumpen-Kreislauf 11 oder auch ein anderes Kältemittel gewählt werden.
Im Ausführungsbeispiel der 1 sind die Baugruppen des Wärmepumpen-Kreislaufs 11 sowie die Baugruppen des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 13 auf zwei getrennte Teilsysteme verteilt, wobei die Teilsysteme hinsichtlich ihrer Kältemittelströmung voneinander getrennt sind, nämlich derart, dass der Wärmepumpen-Kreislauf 11 und der Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 13 zeitlich parallel betrieben werden können.
Demgegenüber zeigt 2 eine Variante eines erfindungsgemäßen Systems 10 zur Energiewandlung und Energiespeicherung, bei welcher die Baugruppen des Wärmepumpen-Kreislaufs 11 und die Baugruppen des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 13 in ein Gesamtsystem integriert sind, und zwar derart, dass beide Kreisläufe 11, 13 dasselbe Kältemittel nutzen, und dann nicht zeitlich parallel, sondern nur zeitlich getrennt, nämlich wechselweise, betreibbar sind. In 2 werden zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet wie in 1.
In 2 wird demnach dann, wenn elektrische Energie in thermische Energie gewandelt und in den mindestens einen thermischen Energiespeicher 12a, 12b eingespeichert werden soll, das in 2 gezeigte System 10 im Wärmepumpen-Kreislauf 11 betrieben, in welchem der Verdichter 15 und der Expander 18 aktiv sind und der Expander 22 sowie die Pumpe 26 inaktiv sind. Zur Ausspeicherung thermischer Energie aus dem mindestens einen thermischen Energiespeicher 12a, 12b und zur Wandlung thermischer Energie in elektrische Energie, wird das System 10 der 2 im Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 13 betrieben, in welchem der Expander 22 und die Pumpe 26 aktiv sind, und in welchem der Verdichter 15 und der Expander 18 inaktiv sind. Über Schaltventile 28, 29 kann je nachdem, ob das System 10 der 2 im Wärmepumpen-Kreislauf 11 oder im Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 13 betrieben wird, die Strömungsführung des Kältemittels eingestellt werden.
Bei dem System 10 der 2 wird demnach für das Einspeichern thermischer Energie in den mindestens einen Energiespeicher 12a, 12b im Wärmepumpen-Kreislauf 11 und für das Ausspeichern thermischer Energie aus dem mindestens einen thermischen Energiespeicher 12a, 12b im Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 13 dasselbe Kältemittel verwendet. Die Kreisläufe 11, 13 werden dabei zeitlich nacheinander genutzt.
Ferner zeigt 2, dass das System 10 der 2 mehrere thermische Energiespeicher 12a, 12b nutzt, die über Wärmetauscher 17a, 17b bzw. Verdampfer 21a, 21b in das System 10 eingebunden sind, wobei in 2 der jeweilige Wärmetauscher 17a, 17b und der jeweilige Verdampfer 21a, 21 b von ein und derselben Baugruppe gebildet sind. Dies gilt auch für den jeweils weiteren Wärmetauscher 20, 27.
Durch das Nutzen mehrerer thermischer Energiespeicher 12a, 12b kann der Temperaturbereich in mehrere Teilsysteme aufgeteilt werden, es kann Wärme auf verschiedenen Temperaturniveaus eingespeichert und ausgespeichert werden. Beispielsweise kann im Wärmepumpen-Kreislauf zunächst ein Flüssigsalzspeicher erwärmt und mit der verbliebenen Restwärme Dampf oder Warmwasser in einem Dampfspeicher oder Wasserspeicher erwärmt werden. Zur Ausspeicherung thermischer Energie kann dann das Kältemittel im Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 13 zunächst über den Warmwasserspeicher oder Dampfspeicher und anschließend über den Flüssigsalzspeicher in mehreren Stufen aufgewärmt werden, um in der nachfolgenden Entspannung im Bereich des Expanders 22 thermische Energie in elektrische Energie zu wandeln. Der Motor 16 und der Generator 23 werden in 2 gemeinsam von einer elektrischen Maschine bereitgestellt. Die 4 Strömungsmaschinen können mechanisch oder elektrisch miteinander gekoppelt werden.
Ferner zeigt 2 einen zusätzlichen Wärmetauscher 30, über den im Betrieb des Systems 10 im Wärmepumpen-Kreislauf 11 Abwärme einer Wärmequelle eingekoppelt werden kann. Hiermit kann im Wärmepumpen-Kreislauf 11 optional Wärme, die auf einem höheren Temperaturniveau als die Umgebungswärme im Bereich des Verdampfers 14 liegt, in das Kältemittel über den weiteren Wärmetauscher 30 eingekoppelt werden. Ferner kann über den Wärmetauscher 30 optional Wärme, die auf einem niedrigeren Temperaturniveau liegt, in den Wärmepumpen-kreislauf eingekoppelt werden. Die Wärmeeinkopplung unterhalb der Umgebungstemperatur entspricht dann einer Kühlleistung und die Wärmepumpe arbeitet als Kältemaschine. Über ein Umschaltventil 31 kann festgelegt werden, ob im Wärmepumpen-Kreislauf 11 das Kältemittel entweder im Bereich des Verdampfers 14 unter Nutzung von Umgebungswärme oder im Bereich des Wärmetauschers 30 unter Nutzung von Wärme einer anderen Wärmequelle verdampft wird. Im Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 13 wird das Kältemittel im Bereich des Kondensators 24 gegen die Umgebung gekühlt.
3 zeigt eine Abwandlung des Systems 10 der 2, wobei zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen wiederum für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden und nachfolgend nur auf solche Details eingegangen wird, durch die sich das Ausführungsbeispiel der 3 vom Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet.
In 3 kann im Wärmepumpen-Kreislauf 11 in das Kältemittel über drei Wärmetauscher bzw. Verdampfer 14, 32, 33 auf unterschiedlichen Druckniveaus Wärme in das Kältemittel eingekoppelt werden. Das Druckniveau des Wärmetauschers bzw. Verdampfers 32 ist höher als das Druckniveau des Verdampfers 14, das Druckniveau des Verdampfers 14 ist höher als das Druckniveau des Verdampfers 33, wobei gemäß 3 zwischen den Ausgang des Expanders 18 und den Wärmetauscher bzw. Verdampfer 33 ein Entspannungsventil 34 geschaltet ist. Mit jedem der Verdampfer 32, 14, 33 wirkt ein separater Verdichter 15, 35, 36 zusammen, die ein unterschiedliches Eingangsdruckniveau jedoch ein identisches Ausgangsdruckniveau aufweisen.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems 10 zur Energiewandlung und Energiespeicherung, bei welchem ebenso wie in 2 und 3 die Baugruppen des Wärmepumpen-Kreislaufs 11 und die Baugruppen des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 13 in ein Gesamtsystem integriert sind, wobei beide Kreisläufe wiederum dasselbe Kältemittel nutzen und damit nur zeitlich getrennt, nämlich wechselweise, betreibbar sind. In 4 ist jedoch vorgesehen, dass der Verdichter 15 des Wärmepumpen-Kreislaufs 11 und der Expander 22 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 13 von einer gemeinsamen Baugruppe ausgebildet sind, insbesondere von einem Hubkolben-Verdichter-Expander. Ferner ist in 4 vorgesehen, dass der Expander 18 des Wärmepumpen-Kreislaufs 11 und die Pumpe 26 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 13 von einer gemeinsamen Baugruppe ausgebildet sind, nämlich in 4 von einer Pump-Turbine, wie sie aus Pumpspeicherkraftwerken grundsätzlich bekannt ist.
5 zeigt für das erfindungsgemäße System 10 zur Energiewandlung und Energiespeicherung über der Temperatur des thermischen Energiespeichers 12 bzw. der Temperatur des Speichermediums desselben den Wirkungsgrad des Systems in Prozent.
So visualisiert der Kurvenverlauf 37 der 5 den Wirkungsgrad des Gesamtsystems 10, der von dem durch den Kurvenverlauf 38 visualisierten Wirkungsgrad des Wärmepumpen-Kreislaufs 11 und dem durch den Kurvenverlauf 39 visualisierten Wirkungsgrad des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 39 abhängig ist. Die Kurvenverläufe 37, 38 und 39 zeigen dabei jeweils den Wirkungsgrad, wenn die Umgebungstemperatur für den Verdampfer 14 des Wärmepumpen-Kreislaufs 11 und den Kondensator 24 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 13 20 °C beträgt.
Der Kurvenverlauf 38a visualisiert einen theoretischen, maximal möglichen Wirkungsgrad des Wärmepumpen-Kreislaufs 11, der Kurvenverlauf 39a einen theoretischen, maximal möglichen Wirkungsgrad des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 13.
Gemäß 5 ermöglichen geringe Speichertemperaturen im Bereich des thermischen Energiespeichers 12 eine hohe Effizienz bei der Wärmeproduktion im Wärmepumpen-Kreislauf 11. Hohe Temperaturen im Bereich des thermischen Energiespeichers 12 sind weniger effizient für die Erzeugung von Wärme im Wärmepumpen-Kreislauf 11, dafür jedoch effizienter für den Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 13 bei der Wandlung thermischer Energie in elektrische Energie.
Der erzielbare Gesamtwirkungsgrad des Systems 10 liegt in einem breiten Temperaturbereich zwischen 100 °C und 500 °C über 50%. Das System 10 kann demnach mit einem hohen Wirkungsgrad effizient betrieben werden.
6a, 6b und 6c zeigen jeweils mögliche Ausführungen eines erfindungsgemäßen Systems 10 zur Energiewandlung und Energiespeicherung unter Nutzung einer Windkraftanlage 40 zur Erzeugung elektrischer Energie, die genutzt wird, um im Wärmepumpen-Kreislauf 11 den Verdichter 15 anzutreiben und im Wärmepumpen-Kreislauf 11 aus elektrischer Energie thermische Energie zu gewinnen. In 6a, 6b und 6c ist die thermische Energiespeicher 12 in einem Turm der Windkraftanlage 10 integriert, wobei der thermische Energiespeicher 12 als Warmwasserspeicher ausgebildet ist. In 6a wird als Wärmequelle für den Wärmepumpen-Kreislauf 11 und als Wärmesenke für den Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 13 Wärme von Umgebungswasser genutzt, so zum Beispiel Wärme, die in einem See, Fluss oder Meer als natürliche Umgebungswärmequelle vorliegt. In 6b wird als Umgebung Umgebungsluft und in 6c als Umgebung Umgebungserde genutzt, also in 6b die Temperatur von Umgebungsluft und in 6c die Temperatur von Erde, Gestein oder Grundwasser.
7a zeigt eine mögliche Ausführung eines erfindungsgemäßen Systems zur Energiewandlung und Energiespeicherung, welches zur Bereitstellung elektrischer Energie eine photovoltaische Anlage 41 nutzt. Die von der photovoltaische Anlage 41 bereitgestellte elektrische Energie wird im Wärmepumpen-Kreislauf 11 in thermische Energie gewandelt, die wiederum in einem thermischen Energiespeicher 12, insbesondere in einem Warmwasserspeicher oder dergleichen, gespeichert wird. Zum Auskoppeln der thermischen Energie aus dem thermischen Energiespeicher 12 und zur Umwandlung derselben in elektrische Energie dient dann wiederum der Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 13.
7b zeigt eine Abwandlung des Systems 10 der 7a, wobei in 7b in das System 10 eine Wasserelektrolysevorrichtung 42 integriert ist. Erzeugte elektrische Energie kann zum Betreiben der Wasserelektrolysevorrichtung 42 genutzt werden, bei der Wasserelektrolyse anfallende thermische Energie kann rückgewonnen und im Wärmepumpen-Kreislauf 11 als Wärmequelle genutzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen System 10 zur Energiewandlung und Energiespeicherung ist es möglich, natürliche Schwankungen der Umgebungstemperatur, also der Wärmequelle im Wärmepumpen-Kreislauf 11 und der Wärmesenke im Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 13, effizienzsteigernd zu nutzen. So kann vorgesehen sein, elektrische Energie in thermische Energie über den Wärmepumpen-Kreislauf 11 dann zu wandeln und thermische Energie dann in den mindestens einen Energiespeicher 12 dann einzuspeichern, wenn die Umgebungstemperatur größer als ein Grenzwert ist, insbesondere bei Tagtemperaturen. Das Ausspeichern thermischer Energie aus dem thermischen Energiespeicher 12 und das Wandeln derselben in elektrische Energie kann bei einer Umgebungstemperatur erfolgen, die kleiner als ein Grenzwert ist, insbesondere bei Nachttemperaturen.
Die Erfindung betrifft nicht nur das System 10 als solches, sondern auch ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Systems 10 zur Energiewandlung und Energiespeicherung. Zur Wandlung von elektrischer Energie in thermische Energie und zur Einspeicherung der thermischen Energie in den mindestens einen thermischen Energiespeicher 12 wird das System 10 im Wärmepumpen-Kreislauf 11 betrieben. Zum Ausspeichern von thermischer Energie aus dem mindestens einen thermischen Energiespeicher 12 und zum Wandeln der thermischen Energie in elektrische Energie wird das System 10 im Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 13 betrieben. Wie bereits ausgeführt, kann abhängig von der Umgebungstemperatur das System 10 entweder im Wärmepumpen-Kreislauf 11 oder im Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 13 betrieben werden, um das System jeweils im jeweiligen Kreislauf mit möglichst hohem Wirkungsgrad und demnach möglichst effizient zu betreiben.
Bezugszeichenliste

10: System
11: Wärmepumpen-Kreislauf
12: thermischer Energiespeicher
12a: thermischer Energiespeicher
12b: thermischer Energiespeicher
13: Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf
14: Verdampfer
15: Verdichter
16: Motor
17: Wärmetauscher
17a: Wärmetauscher
17b: Wärmetauscher
18: Expander
19: Entspannungsventil
20: Wärmetauscher
21: Verdampfer
21a: Verdampfer
21b: Verdampfer
22: Expander
23: Generator
24: Kondensator
25: Motor
26: Pumpe
27: Wärmetauscher
28: Schaltventil
29: Schaltventil
30: Wärmetauscher
31: Schaltventil
32: Wärmetauscher
33: Wärmetauscher
34: Entspannungsventil
35: Verdichter
36: Verdichter
37: Gesamtwirkungsgrad
38: Wirkungsgrad Wärmpumpe
38a: Wirkungsgrad Carnot Wärmepumpe
39: Wirkungsgrad ORC
39a: Wirkungsgrad Canot ORC
40: Windskraftanlage
41: photovoltaische Anlage
42: Wasserelektrolysevorrichtung

Claims

System (10) zur Energiewandlung und Energiespeicherung, nämlich zur Wandlung elektrischer Energie in thermische Energie, zur Speicherung der thermischen Energie und zur Wandlung der gespeicherten thermischen Energie in elektrische Energie, mit zu einem Wärmepumpen-Kreislauf (11) verschalteten ersten Baugruppen, nämlich zumindest mit einem Verdampfer (14) zur Verdampfung eines ersten Kältemittels, mit einem unter Nutzung elektrischer Energie antreibbaren Verdichter (15) zur Verdichtung des verdampften ersten Kältemittels, mit einem Wärmetauscher (17) zur Auskopplung thermischer Energie aus dem ersten verdampften und verdichteten Kältemittel und zur Einspeicherung derselben in ein Speichermedium mindestens eines thermischen Energiespeichers (12, 12a, 12b), und mit einem Entspannungsorgan (18, 19) zur Entspannung des ersten Kältemittels, mit zu einem Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf (13) verschalteten zweiten Baugruppen, nämlich zumindest mit einem Verdampfer (21) zur Verdampfung eines zweiten Kältemittels unter Nutzung der in dem Speichermedium des mindestens einen thermischen Energiespeichers (12, 12a, 12b) gespeicherten thermischer Energie, mit einem Expander (22) zur Entspannung des zweiten, dampfförmigen Kältemittels unter Antreiben eines Generators (23) zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einem Kondensator (24) zur Abkühlung des zweiten Kältemittels, und mit einer Pumpe (26) zur Förderung des zweiten Kältemittels vom Kondensator (24) in Richtung auf den Verdampfer (21), wobei der Verdampfer (14) des Wärmepumpen-Kreislaufs (11) Wärme aus der Umgebung, nämlich Wärme aus Umgebungsluft oder Umgebungswasser oder Umgebungserde, auf das erste Kältemittel überträgt, wobei der Kondensator (24) des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (13) zur Abkühlung des zweiten Kältemittels Restwärme desselben in die Umgebung überträgt.
System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Baugruppen des Wärmepumpen-Kreislaufs (11) und die zweiten Baugruppen des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (13) auf zwei getrennte Teilsysteme verteilt sind, derart, dass die beide Teilsysteme hinsichtlich der Kältemittelströmung derart getrennt sind, dass beide Kreisläufe zeitlich parallel betreibbar sind.
System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Baugruppen des Wärmepumpen-Kreislaufs (11) und die zweiten Baugruppen des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (13) in ein Gesamtsystem integriert sind, derart, dass die beide Kreisläufe dasselbe Kältemittel nutzen, jedoch zeitlich nur getrennt, nämlich wechselweise, betreibbar sind.
System (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (15) des Wärmepumpen-Kreislaufs (11) und der Expander (22) des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (13) von einer gemeinsamen Baugruppe ausgebildet sind, insbesondere von einem Hubkolben-Verdichter-Expander.
System (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (18) des Wärmepumpen-Kreislaufs (11) und die Pumpe (26) des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (13) von einer gemeinsamen Baugruppe ausgebildet sind, insbesondere von einer Pump-Turbine.
System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch mehrere thermische Energiespeicher (12a, 12b), deren Speichermedien auf unterschiedlichen Temperaturniveaus thermische Energie speichern.
System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verdichter (15) des Wärmepumpen-Kreislaufs (11) mindestens ein Zusatzverdichter (35, 36) mit unterschiedlichem Eingangsdruckniveau jedoch identischem Ausgangsdruckniveau parallel geschaltet ist.
System (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (15) und der mindestens eine Zusatzverdichter (35, 36) des Wärmepumpen-Kreislaufs (11) mit Wärmetauschern (30, 32, 33) verbunden sind, um Wärmequellen einzukoppeln oder Nutzkälte zu erzeugen.
Verfahren zum Betreiben eines Systems (10) zur Energiewandlung und Energiespeicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit folgenden Schritten: Wandeln von elektrischer Energie in thermische Energie und Einspeichern der thermischen Energie in den mindestens einen thermischen Energiespeicher (12, 12a, 12b) über die ersten Baugruppen des Wärmepumpen-Kreislaufs (11), Ausspeichern von thermischer Energie aus dem mindestens einen thermischen Energiespeicher (12, 12a, 12b) und Wandeln derselben in elektrische Energie über die zweiten Baugruppen des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (13).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandeln von elektrischer Energie in thermische Energie und das Einspeichern der thermischen Energie in den mindestens einen thermischen Energiespeicher (12, 12a, 12b) bei einer Umgebungstemperatur erfolgt, die größer als ein erster Grenzwert ist, das Ausspeichern von thermischer Energie aus dem mindestens einen thermischen Energiespeicher (12, 12a, 12b) und das Wandeln derselben in elektrische Energie bei einer Umgebungstemperatur erfolgt, die kleiner als ein zweiter Grenzwert ist.