-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft Energiespeicher. Genauer betrifft die Erfindung einen Speicher für thermische Energie und ein Verfahren zu dessen Herstellung, eine Anlage zur Energieerzeugung, ein Verfahren zur Energieerzeugung und eine Verwendung des Speichers für thermische Energie. Der Speicher für thermische Energie weist einen Festkörper-Hauptspeicher auf.
-
Allgemeiner Stand der Technik
-
Speicher für thermische Energie können verwendet werden, um Wärme zu speichern, wenn Wärme leicht verfügbar ist, und um Wärme abzugeben, wenn diese benötigt wird.
-
Bisher sind verschiedene Festkörper-Wärmespeicher bekannt, für die Beton oder natürliches Gestein als Speichermedium verwendet wird. Jedoch stellen ineffiziente und unpraktische Einrichtungen zum Ein- und Austragen von Wärme ein typisches Problem von Festkörper-Thermospeichern dar.
-
In der Patentveröffentlichung
DE 10 2009 036 550 A1 wird ein thermischer Festkörper-Wärmespeicher beschrieben, der einen ersten Teilbereich A und einen zweiten Teilbereich B aufweist. Ein Rohrleitungssystem zum Einspeisen oder Entnehmen von Wärme verläuft durch den ersten Teilbereich A, um Wärme durch ein durch das Rohrleitungssystem strömendes Arbeitsmedium ein- und auszutragen. Der zweite Teilbereich B weist ein Festkörper-Speichermedium auf, bei dem es sich um Beton handeln kann, und in das bzw. aus dem thermische Energie, d. h. Wärme, geladen bzw. ausgeladen wird. Im Betrieb strömt ein Wärmeübertragungsfluid als Gegenstrom zum Arbeitsfluid im ersten Teilbereich A, um Wärme zu laden oder zu entladen, und das Wärmeübertragungsfluid strömt ferner in separaten Kanälen, die durch den zweiten Teilbereich B verlaufen, um Wärme zu entladen oder zu laden, wodurch Wärme zwischen dem ersten Teilbereich A und dem zweiten Teilbereich B übertragen wird. Der zweite Teilbereich B enthält eine Mehrzahl von Kanälen, die für einen Strom des Wärmeübertragungsfluids ausgelegt sind, wobei die Kanäle vom ersten Teilbereich getrennt und mit Abstand zu diesem angeordnet sind. Das Wärmeübertragungsfluid strömt aufgrund von Zwangs- oder natürlicher Konvektion. Die Kanäle tragen zur Komplexität bei und verringern die Grade und die Bereiche von Spannungen und Verlagerungen, die bewältigt werden können, wodurch die maximale Temperatur und der maximale Temperaturbereich begrenzt werden und außerdem der Fluiddruck in den Kanälen begrenzt wird.
-
Andere Festkörper-Wärmespeicher des Standes der Technik sind in den veröffentlichten Patenten
DE 102 11 598 ,
EP 0 049 669 ,
EP 1 544 562 ,
EP 2 273 225 ,
US 3,381,113 ,
US 4,219,074 und
CN 100578133 beschrieben. Diese veröffentlichten Patente beschreiben thermische Speicher ohne ein separates Wärmeübertragungsfluid, das durch natürliche Konvektion strömen kann, um Wärme zu übertragen.
-
Der Gegenstand des nächstliegenden Standes der Technik,
DE 10 2009 036 550 A1 , wird in einem Artikel in CSP-today vom 12. März 2010 beschrieben, wo eine Arbeitstemperatur von bis zu 400°C beschrieben ist. Ferner wird Beton als preiswerter Speicher für thermische Wärmeenergie beschrieben, aber alle anderen Elemente, einschließlich der Röhren, tragen auch zu den Kosten bei, was dazu führt, dass die Kosten für große Anlagen nur wenig niedriger sind als konkurrierende Technologien. Die Schaffung eines preiswerteren Wärmespeichers wird als Hauptproblem betrachtet; ein anderes besteht darin, Wärme schneller ein- und auszutragen.
-
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Speichers für thermische Energie, der in Bezug auf die oben genannten Probleme der oben genannten Technologie überlegen ist. Ferner sollte der Speicher für thermische Wärmeenergie vorzugsweise folgende Bedingungen erfüllen:
- – er sollte geeignet sein für einen Betrieb bei einer höheren Temperatur und einem höheren Fluiddruck und dadurch eine effizientere Erzeugung von elektrischer Energie in einem Turbinen-Generator ermöglichen
- – er sollte weniger komplex und dafür kompakter sein
- – er sollte eine Anpassung von verwendeten Materialien je nach den Erfordernissen zulassen
- – er sollte eine einfache Wartung und einen einfachen Austausch von Teilen ermöglichen
- – seine Größe sollte leichter nach oben oder unten angepasst werden können
- – er sollte vielseitiger verwendbar sein, d. h. geeignet sein für einen direkten Anschluss an wärmeerzeugende Energieanlagen, wie beispielsweise Kohlekraftwerke, Kernkraftwerke, Abfallverbrennungsanlagen und manche Solarkraftwerke (konzentrierte Solarkraft), ebenso wie an Stromnetze und Elektrizitätswerke, wie beispielsweise Solarkraftwerke, Windkraftwerke und Wasserkraftwerke
- – er sollte geschützt sein gegen Explosionen und Umwelteinflüsse
- – er sollte geeignet sein für einen Betrieb bei –70 bis +700°C
- – er sollte praktisch überall und in jeder Topographie einsetzbar sein
- – er sollte ein schnelleres Ansprechverhalten beim Ein- und Austragen von Energie aufweisen
- – er sollte über den Tag, die Woche oder die Saison gesehen eine Speicherung von Produktionsspitzen zulassen, die andernfalls das Netz überlasten oder ungenutzt bleiben würden, und eine Abgabe zulassen, wenn die angeschlossene Quelle nicht genug produziert oder der Energiepreis hoch ist, und dadurch die Leistungsversorgung und den Leistungsbedarf ausgleichen
- – er sollte mit einem weniger mächtigen Stromnetz auskommen und verbesserte Betriebsparameter des Netzes ermöglichen, einschließlich der Investitionskosten für das Netz im Hinblick auf Produktionsspitzen und der Leitungsinfrastruktur zwischen Regionen und Nationen
- – er sollte die Sicherheit und die Qualität der Leistung erhöhen.
-
Kurzfassung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung hat Vorteile im Hinblick auf alle oben genannten Probleme.
-
Die Erfindung schafft einen Speicher für thermische Energie, der ein Festkörper-Thermospeichermaterial, ein Wärmeübertragungsfluid und eine Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie aufweist, und der dadurch gekennzeichnet ist, dass:
der Speicher mindestens einen Wärmeübertragungsbehälter aufweist,
Festkörper-Thermospeichermaterial um den Wärmeübertragungsbehälter herum angeordnet ist, und
der Wärmeübertragungsbehälter das Wärmeübertragungsfluid und die Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie enthält, so dass die gesamte wärmeübertragende Konvektion und Konduktion durch das Wärmeübertragungsfluid innerhalb des jeweiligen Wärmeübertragungsbehälters stattfindet.
-
Bei dem Festkörpermaterial kann es sich um ein beliebiges festes Material oder um Kombinationen von festen Materialien mit einer für die geplanten Betriebsbedingungen ausreichenden Wärmespeicherkapazität und Festigkeit handeln, beispielsweise um natürliches Gestein, Metalle und Legierungen, Substrate, Beton, Vergussmasse und dergleichen. Bei dem Wärmeübertragungsfluid kann es sich um Flüssigkeiten oder Gase handeln, die unter den Betriebsbedingungen vorzugsweise stabil und wenig viskos sind, nicht-toxisch sind und eine hohe Wärmekapazität und ausgeprägte Dichteänderung bei Temperaturänderungen und dadurch eine gute Wärmeübertragungsrate durch Konvektion aufweisen, wie beispielsweise Thermoöl oder Salzschmelzen: Thermoöle, insbesondere synthetische Öle, aber auch Mineralöle, sind an sich und als Öl für Transformatoren oder Motoren im Handel erhältlich. Derzeit sind Thermoöle für Temperaturen bis zu etwa 400°C für einen Betrieb bei Atmosphärendruck erhältlich, jedoch steigt durch eine Erhöhung des Drucks über den des Wärmeübertragungsfluids die Betriebstemperatur. Noch leistungsfähigere Öle befinden sich in der Entwicklung und werden, sobald sie verfügbar sind, vorzuziehen sein. Natürliche oder synthetische Salzschmelzen oder Metall- oder Legierungsschmelzen sind derzeit geeignet und erhältlich für Temperaturen im Bereich bis zu 400–700°C oder darüber, wenn heißere Quellen zur Verfügung stehen. Die Salzschmelzen können beispielsweise auf Na-, K-, Ca-Nitraten, -Nitriten oder Diphenyl-/Biphenyloxiden basieren. Der Wärmeübertragungsbehälter kann jede Form und Ausrichtung haben, aber vorzugsweise ist er ein Zylinder, ein Rohr oder eine Röhre von glatter oder gewellter Form, ist aufrecht stehend angeordnet und ermöglicht die Anordnung eines Abschnitts eines Rohrkreislaufs zum Einbringen und Ausbringen von Energie ebenso wie einer elektrischen Heizeinrichtung zum Einbringen von Energie in seinem Inneren, wobei er über eine große Strecke entlang der Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie und entlang der Wände des Wärmeübertragungsbehälters eine natürliche Konvektion zulässt, um die Wärmeübertragungsrate zu maximieren. In diesem Kontext ist ein Wärmeübertragungsbehälter ein einzelnes, leeres Volumen oder ein einzelner Hohlraum oder leerer Raum ohne separate Teile, Zweige oder Kanäle außerhalb seiner Innenfläche oder seines zentralen Volumens, beispielsweise das Innere eines Zylinders, eines Rohrs oder einer Röhre, oder ein Hohlraum oder ein Volumen, das sich direkt in einem Betonblock, in Gestein oder anderem festen Material befindet und offen oder geschlossen, aber in der Lage ist, das Wärmeübertragungsfluid aufzunehmen. Dies steht im Gegensatz zu der Lehre von
DE 10 2009 036 550 A1 . Auch wenn der Wärmeübertragungsbehälter das Innenvolumen eines Zylinders, eines Rohrs oder einer Röhre, ein leerer Raum oder irgendein geeignetes Volumen in dem Speicher ohne Zweige ist, wird der Wärmeübertragungsbehälter im vorliegenden Kontext um der Klarheit willen auch lediglich anhand der Begriffe Zylinder, Rohr oder Röhre oder als deren Abschnitte beschrieben. Die Wärmeübertragung findet in oder genauer durch die jeweiligen Wärmeübertragungsbehälter statt, das heißt, die Wärme wird über die Wärmeübertragungsbehälter, die mit dem Wärmeübertragungsfluid gefüllt sind, zwischen der Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie und dem umgebenden Festkörper-Thermospeichermaterial übertragen. Jede Wärmeübertragung zwischen der Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie und dem Festkörper-Thermospeichermaterial findet grundsätzlich durch die Wärmeübertragungsbehälter, die ein einziges Volumen aufweisen, statt, und zwar durch oder über das Wärmeübertragungsfluid und vorzugsweise im Wesentlichen aufgrund der Konvektion als hochwirksamem Wärmeübertragungsmechanismus. Die Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie, die operativ im Wärmeübertragungsbehälter angeordnet ist, der mit Wärmeübertragungsfluid gefüllt ist, dient als wirksamer, aber einfacher Wärmetauscher. Sämtliche Speicherteile weisen ihre eigene Thermospeicherkapazität auf, die zur Wärmespeicherung beiträgt. Der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung wird in bevorzugten Ausführungsformen durch eine substantielle Wärmeübertragung durch Konvektion verbessert, bei der es sich um einen schnellen und effektiven Wärmeübertragungsmechanismus handelt, der zur langsameren Konduktion und Abstrahlung hinzukommt. Mit der Lösung der vorliegenden Erfindung werden ein effizienter Ein- und Austrag von Energie und gleichzeitig ein einfaches, vielseitiges, in der Größe leicht anzupassendes Design erreicht. Mit dem Wärmeenergiespeicher der Erfindung findet jegliche Wärmeübertragung zwischen der Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie und dem umgebenden Festkörper-Thermospeichermaterial in den jeweiligen Wärmeübertragungsbehältern statt. Oder anders ausgedrückt geschieht das Ein- und Austragen von Wärme durch das Festkörper-Speichermaterial über die Wärmeübertragung zwischen der Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie und dem umgebenden Festkörper-Thermospeichermaterial im mit Wärmeübertragungsfluid gefüllten Wärmeübertragungsbehälter.
-
Die einfachste Ausführungsform des thermischen Energiespeichers der Erfindung ist womöglich natürliches Gestein oder ein Betonblock mit einem einzigen Hohlraum als Wärmeübertragungsbehälter, der direkt in dem festen Material angeordnet ist und in den Wärmeübertragungsfluid gefüllt worden und ein Rohrkreislaufsegment als Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie angeordnet worden ist. Somit wird Wärmeenergie in dem natürlichen Gestein oder Betonblock gespeichert, und der mit Wärmeübertragungsfluid gefüllte Hohlraum erhöht die Geschwindigkeit, mit der thermische Energie in das Rohrsegment geladen oder daraus entladen wird, dadurch, dass er für eine substanzielle Wärmeübertragung durch Konvektion im Wärmeübertragungsfluid sorgt, wobei diese Wärmeübertragung durch Konvektion zu der Wärmekonduktion und -abstrahlung hinzukommt.
-
Eine weitere einfache Ausführungsform des thermischen Speichers der vorliegenden Erfindung besteht aus einer Mehrzahl von Wärmeübertragungsbehältern, die nebeneinander mit einem angemessenen Abstand voneinander in einem einzigen Betonblock angeordnet sind, der in einem Arbeitsgang gegossen werden kann, wobei der Betonblock klein oder groß sein kann. Die Ausführungsform kann aufgrund einer einfachen Herstellung von Vorteil sein. Zum Beispiel können vormontierte Wärmeübertragungsbehälterröhren nebeneinander innerhalb der äußeren Begrenzungen des Speichers angeordnet sein, das Volumen zwischen den Röhren innerhalb der äußeren Begrenzungen des Speichers kann durch Einfüllen von Zement oder flüssiger Vergussmasse, beispielsweise durch Pumpen, hergestellt werden.
-
Das einfache Design des Speichers, das keinerlei zusätzliche Kanäle oder Rohre innerhalb der Teile des Festkörper-Wärmespeichers außerhalb der Wärmeübertragungsbehälter benötigt, erleichtert die Produktion, den Zusammenbau und die Vergrößerung oder Verkleinerung, erhöht die Vielseitigkeit und erleichtert die Wartung und den Austausch von beschädigten Rohren und verbessert die Fähigkeit, hohen Temperaturen und Temperaturgradienten unbeschadet standzuhalten.
-
Der Speicher hat zahlreiche bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale, von denen einige nachstehend beschrieben sind.
-
Die Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie umfasst vorzugsweise Rohre, die für einen Strom von Fluid, das wärmer ist als die Speichertemperatur für eingebrachte Wärmeenergie, oder von Fluid, das kühler ist als die Speichertemperatur für ausgebrachte Wärmeenergie, ausgelegt sind. Bei den Rohren, durch die Wärmeenergie eingebracht wird, kann es sich um dieselben Rohre handeln, die zum Ausbringen von Energie verwendet werden, oder es können unterschiedliche Rohrkreislaufschleifen oder -segmente zum Einbringen und zum Ausbringen von Energie vorgesehen sein, was zweckmäßig ist, wenn verschiedene Fluide als Wärmeträger zum Einbringen und Ausbringen von Energie verwendet werden. Jede geeignete elektrische Heizeinrichtung, beispielsweise eine Ohm'sche Heizung, Heizkabel oder eine Begleitheizung, können als Einrichtung zum Einbringen von Energie verwendet werden, entweder allein oder in Kombination mit Rohren, die Fluid transportieren. Auch das Fluid im Wärmeübertragungsbehälter kann direkt als Einrichtung bzw. Mittel zum Abgeben von Wärme oder zur Wärmeentnahme verwendet werden. Zum Beispiel kann Wärme dadurch an den Speicher abgegeben werden, dass man Wärmetauscherfluid, beispielsweise Öl, umwälzt, wohingegen Wärme durch eine separate Wasser/Dampf-Druckrohrschleife innerhalb des Wärmetauschers entnommen werden kann.
-
Vorzugsweise umfasst die Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie ein Rohr, das von oben nach unten und wieder nach oben führend in den Wärmeübertragungsbehälter eingebracht ist, vorzugsweise sind die nach unten und die nach oben führenden Rohrabschnitte mit einem Abstand voneinander angeordnet, um Wärme entlang der gesamten Länge, die in das Wärmeübertragungsfluid getaucht ist, ein- oder auszutragen. Das Rohr kann Wellen oder anderen Strukturen, die seine Oberfläche vergrößern und die in Längsrichtung gesehen entlang Teilen davon angeordnet sind, sowie eine Trennwand zwischen Teilen der nach oben und nach unten führenden Rohrabschnitte aufweisen, um die Wärmeübertragungsrate zu erhöhen. Alternativ dazu gehen Rohre oben in den Wärmeübertragungsbehälter hinein und kommen unten daraus hervor oder umgekehrt, oder sie gehen in die Hohlräume hinein und kommen unten daraus hervor. Rohre, die an jedem Ende des Wärmeübertragungsbehälters in diesen hineingehen und aus diesem herauskommen, stellen eine alternative Ausführungsform dar. Alternativ dazu umfasst die Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie ein äußeres Rohr, das von oben nach unten durch den Wärmeübertragungsbehälter verläuft und unten geschlossen ist, und ein inneres Rohr, das in der Nähe des unteren Endes des äußeren Rohrs beginnt und dort offen ist und zurück nach oben verläuft, die konzentrisch in einem zylindrischen Wärmeübertragungsbehälter als konzentrische Rohr-im-Rohr-Anordnung angeordnet sind. Ein konzentrisches Design kann im Hinblick darauf bevorzugt sein, dass ein Abstand für die Konvektion gleichmäßig ist und man eine vollständig konzentrische Ausführungsform mit einem einzigen konzentrischen Wärmeübertragungsbehälter erhalten kann, die wegen ihrer perfekt kreissymmetrischen Temperaturprofile ohne Anomalien für die höchsten Temperaturen bevorzugt sein kann.
-
Die Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie umfasst vorzugsweise Rohre, die superkritisches Wasser, Dampf, Wasser, synthetische oder natürliche Thermoöle, synthetische oder natürliche Salzschmelzen, Rauchgas oder Abgas führen. Vorzugsweise sind die Rohre oder Rohrkreislaufteile zum Einbringen und Ausbringen von Energie zweckmäßigerweise mit Einrichtungen zum korrekten Positionieren in den Wärmeübertragungsbehältern, wie Abstandhalterstrukturen, ausgestattet, beispielsweise Distanzklemmen, die in Höhenabständen angeordnet sind. Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das System direkt angeschlossen werden kann, um das typische erhitzte Fluid zu nutzen, das von Kraftwerken bereitgestellt wird, beispielsweise erhitztes Wasser, Dampf und superkritisches Wasser. Moderne Kohlekraftwerke können superkritisches Wasser bei 375–700°C bereitstellen, was bevorzugt ist, falls verfügbar. Kernkraftwerke stellen Dampf oder Wasser bei 150–300°C bereit, was bevorzugt ist, falls problemlos verfügbar. Abfallverbrennungsanlagen und Biogasanlagen stellen Dampf oder Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken bereit, je nach der verwendeten Technik. Solarkraftwerke können erhitzte Öle oder Salzschmelzen bereitstellen, die einem Wärmetausch mit Wasserdampf unterzogen werden können, um Elektrizität zu erzeugen. Geeignete Rohre von kleinem Durchmesser für hohe Temperaturen und hohe Drücke sowie Armaturen und Ventile sind ohne weiteres erhältlich und basieren beispielsweise auf ferritischem Stahl. Für die allerhöchsten Temperaturen und Drücke kann die Verwendung so genannter Superlegierungen erforderlich sein. Ein direkter Anschluss an superkritisches Wasser oder unter hohem Druck stehenden heißen Dampf ist wirkungsvoll, da keine weitere Energieumwandlung zum Ein- und Austragen der thermischen Energie erforderlich ist und die höheren Temperatur- und Druckbereiche für die Einbringung von thermischer Wärme, wie sie von modernen Kohle- und Kernkraftwerken bereitgestellt wird, verwendet werden können, um durch das Antreiben von Turbinen mit hohem Wirkungsgrad elektrische Generatoren zu betreiben. Elektrische Heizelemente oder -vorrichtungen, Ohm'sche Heizeinrichtungen, beispielsweise Heizstäbe oder -kabel, sind vorzugsweise für Ausführungsformen mit Öl, Salzschmelzen oder Metallschmelzen in Zu- und Ausleitungsrohren oder in den wärmeübertragenden Hohlräumen enthalten, um die Materialien im Falle einer längeren Betriebsruhe in einem fließfähigen Zustand zu halten, und außerdem oder alternativ dazu können Speichergefäße, in denen diese Fluide erstarren können, operativ angeschlossen sein, um diese Salze oder Schmelzen aufzubewahren.
-
Der Wärmeübertragungsbehälter ist vorzugsweise ein Zylinder, ein Rohr oder eine Röhre, steht vertikal aufrecht, reicht oben über eine Oberseite des Speichers und weist am oberen Ende einen Flansch, einen Deckel, eine Abdeckung oder ähnliches auf, wohindurch die Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie in Form von Hochdruckrohren mit kleinem Durchmesser angeordnet ist, der Wärmeübertragungsbehälter ist mit Thermoöl oder einem anderen Wärmeübertragungsfluid mindestens bis zu einem Niveau gefüllt, das dem des umgebenden festen Materials gleich ist, der oberste Teil ist voll gefüllt oder mit Dampf gefüllt und weist vorzugsweise Sensoren und Einrichtungen zur Erfassung und Bewältigung von Lecks auf, die dafür ausgelegt sind, etwaige Lecks in der Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie zu erfassen und zu bewältigen. Ebenso kann das untere Ende des Behälters oder Rohrs einen Flansch, einen Deckel oder dergleichen aufweisen. Vorzugsweise sind Durchführungen oder Hülsen in den Flanschen angeordnet, durch die Hochdruckrohre und optional Begleitheizungen als Einrichtungen zum Einbringen und Ausbringen von Energie sowie Sensoreinrichtungen eingeführt werden können, der Behälter ist mit Thermoöl gefüllt und wird vorzugsweise bei einem Druck von unter 20 Bar, stärker bevorzugt unter 8 Bar, noch stärker bevorzugt bei Atmosphärendruck gehalten, die Sensoreinrichtung überwacht den Druck oder andere Parameter, die ein Lecken der Hochdruck-Rohre anzeigen.
-
Das Festkörper-Wärmespeichermaterial umfasst vorzugsweise Vergussmasse und Beton, der Beton bildet eine Basis-Speichereinheit und weist einen oder mehrere vertikal ausgerichtete Hohlräume oder Kanäle auf, die jeweils einen Wärmeübertragungsbehälter in Form eines Zylinders, eines Rohrs oder einer Röhre oder eines Abschnitts davon aufweisen, um den bzw. die herum Vergussmasse angeordnet ist, wobei die Vergussmasse das Volumen zwischen der Behälteroberfläche und dem Beton füllt. Wie viele Kanäle und Wärmeübertragungsbehälter jeweils innerhalb einer Einheit angeordnet werden, hängt von der gewünschten Wärmeeintrag- und Wärmeentnahmeleistung ebenso wie von den jeweiligen Abmessungen und dem physischen Design der einzelnen Wärmeübertragungsbehälter ab. Die Vergussmasse hat zwei Hauptfunktionen: die Bereitstellung einer kontinuierlichen Verbindung zwischen dem Wärmetauscher und dem Haupt-Festzustandsmaterial und zweitens eine erleichterte Verwendung eines leistungsfähigeren Materials in der kritischsten Temperaturzone. Bei der Vergussmasse handelt es sich in der Regel um einen Brei aus starkem Mörtel oder Beton von hoher Qualität, der auch bei hohen Temperaturen und großen Temperaturschwankungen eine höhere Stärke bzw. Festigkeit bereitstellt und gleichzeitig einen direkten Kontakt ohne irgendwelche Lücken zwischen dem Rohr und dem Beton gewährleistet, was sowohl eine bessere mechanische Festigkeit als auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglicht. Der Speicher weist vorzugsweise hochfeste, faserverstärkte Vergussmasse zwischen den Wärmeübertragungsbehältern und hochfesten, hochdichten, faserverstärkten oder mit Bewehrungsstäben verstärkten Beton auf, wobei der Beton vorzugsweise eine vorgefertigte Verstärkungsstruktur aufweist. Bei den Fasern handelt es sich beispielsweise um Stahl-, Kohle- oder Basaltfasern. Die Bewehrungsstäbe können auf ähnliche Wiese aus Stahl- oder gebündelten Kohle- oder Basaltfasern bestehen. Vorzugsweise enthält der Speicher keine Aggregate, die für den Einsatz bei hohen Temperaturen nicht gut geeignet sind, wie beispielsweise SiO2. Jedoch sind Basalt, Serpentin, Magnetit und Olivin Beispiele für Gesteinsaggregate, die aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität für einen Betrieb bei hohen Temperaturen annehmbar sein können.
-
Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von Betoneinheiten, jeweils eine über der anderen, angeordnet, die Hohlräume oder Kanäle weisen die gleiche Ausrichtung auf und erstrecken sich von der Oberseite der obersten Einheit zumindest bis zu einem unteren Teil der untersten Einheit, obere Rohr- oder Röhrenenden mit Deckeln, d. h. Wärmeübertragungsbehälter, erstrecken sich oben über den Beton hinaus, die in Mehrzahl vorhandenen Betoneinheiten bilden einen Stapel von Betoneinheiten, mehrere Stapel sind nebeneinander im Innenraum zwischen thermisch isolierenden Wänden, Boden und Decke angeordnet, die oberen Rohr- oder Röhrenenden sind jedoch von oben her leicht zugänglich, wenn man die Isolierung abhebt, optional ist eine Isolierung zwischen Stapeln oder Gruppen von Stapeln angeordnet, um verschiedene Temperaturzonen innerhalb des Speichers zu schaffen. Jedoch sind Lücken mit Abmessungen, die geeignet sind, einen Kontakt zu vermeiden, zweckmäßig zwischen Stapeln von Betoneinheiten angeordnet, um eine temperaturbedingte Ausdehnung und Kontraktion zuzulassen und für eine gewisse Isolierung zu sorgen und um Wege bereitzustellen, auf denen Feuchtigkeit entweichen kann. Eine innere Isolierung kann aus verschiedenen Gründen nützlich sein und insbesondere dann, wenn ein Teil des Speichers bei einer anderen Betriebstemperatur betrieben wird, beispielsweise bei einer hohen Betriebstemperatur, die für einen Betrieb eines bestimmten Turbinen-Stromgenerators geeignet ist. Der Speicher ist typischerweise in einem Gebäude oder einer Außenstruktur angeordnet und mit mehreren Quellen und mehreren Abnehmern verbunden, von denen jede(r) Wärme bei jeweils anderen Temperaturen abgibt oder abnimmt und denen jeweils entsprechende Teile des Speichers zugeordnet sein können. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Speicher zum Teil oder ganz im Boden angeordnet.
-
Vorzugsweise ist der Abstand zwischen der Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie und der Innenwand eines vertikal ausgerichteten, mit Wärmeübertragungsfluid gefüllten Wärmeübertragungsbehälters so ausgelegt, dass er einen Kompromiss zwischen einer maximalen Wärmeübertragungsrate durch Konvektion und Konduktion und den dafür entstehenden Kosten darstellt. Bei einem zu kurzen Abstand findet die Wärmeübertragung hauptsächlich über Konduktion und möglicherweise etwas Abstrahlung statt, bei einem angemessenen Abstand tritt die Konvektion in den Vordergrund und erhöht die Wärmeübertragungsrate. Je größer der Wärmetauscher ist, desto größer ist die Oberfläche, über die Wärme auf den umgebenden Feststoff übertragen werden kann. Je größer jedoch die Wärmeübertragungs-Hohlräume sind, desto mehr teures Thermoöl oder anderes teures Fluid muss in den ringförmigen Raum zwischen den Wärmeenergie transportierenden Rohren und der Innenwand des Wärmeübertragungsbehälters gefüllt werden. Durch eine numerische Simulation oder durch Tests können geeignete Abmessungen für in Frage kommende Wärmeübertragungsfluide, Abmessungen von Wärmeübertragungsbehältern und Betriebstemperaturen gemäß angestrebten Betriebskennwerten für den Speicher gefunden werden. Als Anhaltspunkt sollte die Breite des mit Wärmeübertragungsfluid gefüllten, ringförmigen Raums des Wärmeübertragungsbehälters das 2-10-fache des Durchmessers der Rohre zum Einbringen und Ausbringen von Energie sein.
-
Der Speicher ist vorzugsweise für einen Betrieb bei einer Temperatur im Bereich von –70 bis +700°C ausgelegt, beispielsweise 0–650 oder 60–600°C, bei einem dynamischen Temperaturbereich, der breit schwanken und sehr breit sein kann. Der dynamische Temperaturbereich ΔT kann ≥ 50, 100, 200 oder sogar 400°C sein. Uns ist kein vergleichbarer Wärmespeicher des Standes der Technik bekannt, der bei so breiten Temperaturbereichen betrieben werden kann, ohne dass es zu unerwünschten Rissen, Brüchen oder anderen Betriebsproblemen kommt. Die Betriebstemperatur und der dynamische Temperaturbereich können je nach den angeschlossenen Quellen und Abnehmern innerhalb des derzeit angenommenen breitesten realistischen Temperaturbereichs von –70 bis +700°C breit schwanken. Im Grunde sind es Beschränkungen, die auf Materialien, Thermoöle oder Salzschmelzen zurückgehen, durch die die Betriebstemperatur und die Temperaturbereiche beschränkt werden. In der Praxis werden Design-Parameter je nach Betriebsparametern gewählt, die von der Art der angeschlossenen Quellen und Turbinen definiert werden, welche die Temperaturen des Fluides, das in den und aus dem Speicher strömt, und den resultierenden dynamischen Temperaturbereich bestimmen und die eine geeignete Wahl in Bezug auf Materialien und Form erfordern. Geeignete Beton-, Vergussmassen-, Rohr- und Zylindermaterialien sind im Handel erhältlich. Vorzugsweise weist der Speicher Rohre und Ventile auf oder ist mit Rohren und Ventilen verbunden, die als Sammelrohre oder Zweigleitungen, um Fluid durch Rohre zum Einbringen und Ausbringen von Energie strömen zu lassen, hintereinander oder parallel und durch Ventile steuerbar angeordnet sind. Für Energiespeicher mit mehreren Wärmeübertragungsbehältern kann der Strom durch Zu- und Ausleitungsrohre parallel verlaufen, um eine möglichst optimale Erwärmung und Abkühlung zu erreichen. Vorzugsweise weist der Speicher eine Einrichtung zur Konditionierung von Wärmeübertragungsfluid auf oder ist mit einer solchen verbunden, beispielsweise einen Brüdenkondensator und eine Pumpe in einer Konditionierungsschleife. Die Steuerung des Wasserdampfs ist von essenzieller Bedeutung für die Sicherheit. Ähnliche Anordnungen können auch für energietransportierendes Fluid in den Rohren zum Einbringen und Ausbringen von Energie nötig sein, je nach der Wahl des Fluids und der Betriebsparameter. Sicherheitsventile und Rohre, die etwa austretendes heißes Fluid an einen sicheren Ort leiten, sind vorzugsweise an den Deckeln oder Flanschen oben, optional auch unten, an den Wärmeübertragungsbehältern vorgesehen. Vorzugsweise sind alle Ventile und Pumpen oben an den Wärmeübertragungsbehältern außerhalb der Deckel oder Flansche angeordnet, während Rohranschlüsse in Deckeln oder Flanschen angeordnet sind, beispielsweise als Durchführungen mit Gewinden, und Sensoreinrichtungen im Wärmeübertragungsbehälter angeordnet, aber mit dem Deckel oder Flansch verbunden sind. Dies ist ein gewaltiger Vorteil, da die Zugänglichkeit verbessert ist, was einen vereinfachten Betrieb und eine einfachere Wartung zur Folge hat.
-
Die Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines Thermoenergiespeichers gemäß der Erfindung durch Anordnen einer Mehrzahl von vertikal ausgerichteten Wärmeübertragungsbehältern in dem Speicher und Füllen von Vergussmasse oder Zement in das Volumen außerhalb der Behälter bis zu einer Höhe, die fast an die oberen Enden der Behälter reicht. Dadurch wird ein gewaltiger Vorteil gegenüber thermischen Speichern des Standes der Technik erreicht, wie aus der folgenden Erläuterung deutlich werden wird. Für die typischen Ausführungsformen des Verfahrens werden Wärmeübertragungsbehälter in Kanälen angeordnet, die durch gestapelte Betonblöcke verlaufen, und Vergussmasse wird in die ringförmigen Volumina zwischen den Behältern und den Blöcken gefüllt. Dadurch wird ein enger Kontakt sichergestellt, der günstig ist für die Wärmeübertragung, und es wird die Verwendung einer angepassten Vergussmasse von hoher Qualität in den ringförmigen Volumina, wo die temperaturbedingten Spannungen am größten sind, ermöglicht.
-
Jedoch besteht eine einfache Ausführungsform des Verfahrens darin, eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsbehältern nebeneinander mit einem angemessenen Abstand voneinander in einem einzigen Betonblock anzuordnen, der in einem Arbeitsgang gegossen werden kann, wobei der Betonblock klein oder groß sein kann. Eine Standardisierung dieser Ausführungsform kann aufgrund einer einfachen Herstellung von Vorteil sein. Zum Beispiel können vormontierte Wärmeübertragungsbehälterröhren nebeneinander innerhalb der äußeren Abgrenzungen oder Schalungen des Speichers angeordnet werden, der einzelne Betonblock kann durch Füllen von Zement oder flüssiger Vergussmasse, beispielsweise durch Pumpen, in das Volumen zwischen den Röhren innerhalb der äußeren Abgrenzungen des Speichers hergestellt werden. Der Wärmeübertragungsbehälter kann während des Herstellungsverfahrens für eine Temperatursteuerung, beispielsweise zum Kühlen eines großen Betonblocks, verwendet werden. Kanäle oder trennende Spalte für eine temperaturbedingte Ausdehnung und Kontraktion und als Möglichkeit zum Entweichen von Wasser, das nicht chemisch gebunden ist, können vorzugsweise in einem großen Speicher angeordnet sein. Geeignete Abstandhalter können je nach Bedarf verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Wärmeübertragungsbehälterröhren vor Ort mit vorinstallierten Rohrkreislaufsegmenten zum Einbringen und Ausbringen von Energie geliefert, vorzugsweise mit Anschlüssen, die unter Schutzabdeckungen in den oberen Behälterenden ohne Weiteres verfügbar sind, und wenn möglich sind die Behälter bereits mit Wärmeübertragungsfluid gefüllt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden zuerst Einheitsblöcke aus Beton, die vertikale Kanäle aufweisen, die zwischen einer Oberseite und einer Unterseite verteilt sind, hergestellt, Wärmeübertragungsbehälter mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der der Kanäle, werden in den jeweiligen Kanälen angeordnet, Vergussmasse wird in die Volumina zwischen den Behältern und den Kanaloberflächen aus Beton gefüllt, und Einrichtungen zum Einbringen und Ausbringen von Energie und Sensoreinrichtungen werden in die Behälter eingebracht, und die Einrichtungen werden lösbar angeordnet und mit einem Deckel in den jeweiligen Wärmeübertragungsbehältern verbunden. Wärmeübertragungsfluid wird ebenfalls in die Behälter eingebracht, und Abstandhalter zum Positionieren von Rohrkreislaufsegmenten zum Einbringen und Ausbringen von Energie und Steuerventile und andere Betätigungs- und Steuereinrichtungen werden bereitgestellt und operativ angeordnet. Die Einheitsblöcke aus Beton sind vorzugsweise vorgefertigt und weisen eine solche Größe und ein solches Gewicht auf, dass ein normaler Baustellenkran mit ihnen fertig wird.
-
Die Erfindung schafft außerdem eine Anlage zur Energieerzeugung, die eine Energiequelle und eine Einrichtung zum Abgeben, Verbrauchen oder Erzeugen von Energie aufweist, wobei die Quelle und die Einrichtung operativ angeordnet sind. Die Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass ein thermischer Energiespeicher operativ zwischen der Quelle und der Einrichtung angeordnet ist, der Speicher ein Festkörper-Thermospeichermaterial, ein Wärmeübertragungsfluid und eine Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie aufweist, der Speicher ferner mindestens einen Wärmeübertragungsbehälter aufweist, Festkörper-Thermospeichermaterial um den Wärmeübertragungsbehälter herum angeordnet ist und der Wärmeübertragungsbehälter das Wärmeübertragungsfluid und die Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie enthält, so dass jegliche wärmeübertragende Konvektion und Konduktion durch das Wärmeübertragungsfluid innerhalb der jeweiligen Wärmeübertragungsbehälter stattfindet. Die erfindungsgemäße Anlage beinhaltet den Thermoenergiespeicher der Erfindung, der operativ an einer Mehrzahl von Quellen und einer Mehrzahl von Verbrauchern angeordnet ist.
-
Die Energiequelle für die Anlage ist eine thermische Quelle oder eine elektrische Quelle oder eine Kombination aus beiden. Zum Beispiel sind in einer bevorzugten Ausführungsform eine Mehrzahl von Quellen, das heißt thermische Quellen mit unterschiedlichen Abgabetemperaturen und elektrische Quellen, angeschlossen, der Wärmespeicher ist dafür ausgelegt, in seinen verschiedenen Zonen Wärme bei verschiedenen Temperaturen zu speichern, die Zonen können durch Isolierungen oder Luftspalte getrennt sein, und mehrere Abgabe-, Verbrauchs- oder Produktionseinrichtungen, unter anderem Kombinationen aus Turbinen und elektrischen Generatoren für jedes Fluid, das zum Einbringen und Ausbringen von Energie verwendet wird, beispielsweise für superkritisches Wasser oder Dampf, und Rohre für Fernheizungen oder für die Lieferung von Dampf für die Industrie, sind angeschlossen.
-
Die Anlage oder der Speicher kann in einem bestimmten Nutzungsmodus primär als Wärmetauscher zwischen verschiedenen Fluiden statt als Energiespeicher verwendet werden. Zum Beispiel kann thermisch erwärmtes Öl, das beispielsweise von einer konzentrierten Solarkraftanlage abgegeben wird, innerhalb der Wärmeübertragungsbehälter umgewälzt werden, wo es in erster Linie einem direkten Wärmetausch mit Wasser/Dampf, das/der im internen Rohrleitungssystem umgewälzt wird, unterzogen wird.
-
Die Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zur Energieerzeugung mit einer Anlage gemäß der Erfindung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass Energie in Zeiten von Produktionsspitzen, niedrigen Marktpreisen oder einem Produktionsüberschuss gespeichert wird und Energie in Zeiten geringer Produktion oder hoher Marktpreise abgegeben wird. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, bei dem eine Mehrzahl von Quellen mit der Anlage verbunden sind, weisen die Quellen phasenversetzte Produktions- und Kostenzyklen auf, wobei eine Quelle zum Speichern gewählt wird, wenn diese Quelle in einem Spitzenproduktions-, Produktionsüberschuss- oder Energieniedrigpreismodus ist.
-
Ferner sieht die Erfindung eine Verwendung eines Speichers gemäß der Erfindung in irgendeiner seiner Ausführungsformen oder einer Anlage gemäß der Erfindung in irgendeiner ihrer Ausführungsformen vor zum Speichern von Energie aus Energiequellen in Zeiten von Produktionsspitzen oder Überschussproduktion oder geringen Marktpreisen, um diese Energie in Zeiten nicht ausreichender Produktion oder hoher Markpreise abzugeben. Die Verwendung gemäß der Erfindung bietet einen oder mehrere der folgenden Vorteile: sie senkt die Anforderungen an die Übertragungskapazität von Netzen, die elektrische Energie übertragen, die Energieversorgungssicherheit nimmt zu und der maximale Stromverbrauch kann erhöht werden, ohne das Netz zu überlasten.
-
Die Erfindung kann außerdem einem wichtigen Zweck dienen, der darin besteht, durch Speichern verschiedener Arten von erneuerbaren Energiequellen wie Wind, Wellen, Meeresströmungen und Sonne, die eine relativ schlecht vorhersagbare Energieabgabeleistung haben, für Energieversorgungssicherheit zu sorgen. Diese Energiespeicherfähigkeiten der Erfindung können in der Zukunft besonders wichtig werden, da zu erwarten ist, dass ein wachsender Anteil der Energieversorgung aus erneuerbaren Quellen kommen wird. Es ist auch von Bedeutung, dass die Erfindung sich gut zur Verbindung mit einer geothermischen Wärmequelle eignet, die durch Wärmespeicherung während der Nacht die Leistungserzeugung während des Tages erhöhen kann.
-
Der thermische Energiespeicher der Erfindung ist natürlich auch mit Vorteil als Kältespeicher zu verwenden. Unter warmen klimatischen Bedingungen und in entwickelten Ländern dient ein ganz erheblicher Teil des Energieverbrauchs der Kühlung, der Speicher der Erfindung kann Energie bei niedriger Temperatur (Energiesenke) zur Abgabe als kühles Fluid zum Kühlen oder für Klimatisierungszwecke zu verringerten Kosten speichern.
-
Figuren
-
Die Erfindung ist in 8 Figuren dargestellt, von denen:
-
1 eine Ausführungsform eines Speichers gemäß der Erfindung darstellt,
-
2 eine andere Ausführungsform eines Speichers gemäß der Erfindung darstellt,
-
3 darstellt, wie Rohre zum Einbringen und Ausbringen von Energie für einen Speicher gemäß der Erfindung angeordnet sein können,
-
4 darstellt, wie eine Verstärkung in einem Betonblock in einem Speicher gemäß der Erfindung angeordnet sein kann,
-
5 eine Ausführungsform eines Speichers der Erfindung darstellt,
-
6 eine Anlage der Erfindung darstellt,
-
7 eine andere Ausführungsform einer Anlage der Erfindung darstellt,
-
8 eine weitere Ausführungsform einer Anlage der Erfindung darstellt,
-
9–13 einige von den anderen Anordnungen der Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie im Wärmeübertragungsbehälter darstellen, und
-
14 eines von den Verfahren zum Gießen eines Einheitsblocks aus Beton für einen Wärmespeicher der Erfindung darstellt.
-
Ausführliche Beschreibung
-
Es wird Bezug genommen auf 1, wo eine einfache, aber wirkungsvolle Ausführungsform eines Speichers der Erfindung dargestellt ist. Eine thermische Energiespeicher- und Wärmetauschereinheit 1 sind im Längsschnitt und im Querschnitt dargestellt. Der Speicher weist ein Festkörper-Thermospeichermaterial 2, 4, genauer Beton 2 und Vergussmasse 4 in der dargestellten Ausführungsform, ein Wärmeübertragungsfluid 3 und eine Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie 5 auf, bei der es sich in der dargestellten Ausführungsform um Druckrohre handelt. Die Zahl der Druckrohre kann je nach Verwendungszweck variieren. Der Speicher weist ferner mindestens einen Wärmeübertragungsbehälter 6 auf, in der dargestellten Ausführungsform als Abschnitt eines Zylinders oder eines Rohrs. Das Festkörper-Thermospeichermaterial, die Vergussmasse 4 und der Beton 2, ist um den Wärmeübertragungsbehälter 6 herum angeordnet. Der Wärmeübertragungsbehälter 6 enthält Wärmeübertragungsfluid 3 und die Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen von Energie 5, so dass die gesamte wärmeübertragende Konvektion und Konduktion durch das Wärmeübertragungsfluid innerhalb des Wärmeübertragungsbehälters stattfindet, anders als bei Lösungen des Standes der Technik. Die der Einbringung und der Ausbringung dienenden Teile des Rohrs 5, mit abwärts bzw. aufwärts gerichtetem Strom, können vorzugsweise mit einem Abstand dazwischen angeordnet sein, der für Konvektionsbedingungen ideal ist. Im Betrieb enthält das Rohr ein Fluid, das wärmer oder kälter ist als das umgebende Wärmeübertragungsfluid, je nach dem Betriebsmodus, bei dem es sich um das Eintragen oder Austragen von Wärme handelt. Während des Ladens oder Eintragens von Wärme sind die Rohre 5 wärmer als das Wärmeübertragungsfluid, das wärmer ist als die Wand des Wärmeübertragungsbehälters, die wärmer ist als die Vergussmasse, daher läuft die Konvektion so ab, dass das Wärmeübertragungsfluid hauptsächliche nach oben entlang der wärmeren Rohre 5 und nach unten entlang der Wand des kälteren Wärmeübertragungsbehälters 6 strömt. Während des Entladens oder Austragens von Wärme sind die Rohre 5 kälter als das Wärmeübertragungsfluid, das kälter ist als die Wand des Wärmeübertragungsbehälters, die kälter ist als die Vergussmasse; daher läuft die Konvektion so ab, dass das Wärmeübertragungsfluid hauptsächliche nach unten entlang der kälteren Rohre 5 und nach oben entlang der Wand des Wärmeübertragungsbehälters 6 strömt. Alle Materialien oder Teile des Speichers tragen zur Wärmespeicherkapazität des Speichers bei. In der dargestellten Ausführungsform sind zwei zylindrische Betonblöcke 7 dargestellt, mit Rohren und Wärmeübertragungsbehälter, die sich durch die Blöcke hindurch erstrecken, die Blöcke sind Teil eines Blockstapels.
-
Aus Gründen der Übersichtlichkeit haben von identischen Gegenständen in den Figuren nur manche Bezugszahlen erhalten, und einige Teile sind möglicherweise nicht maßstabs- oder ausrichtungsgetreu oder fehlen ganz, um dafür andere Teile deutlicher darstellen zu können. Gleiche oder ähnliche Gegenstände haben in verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszahlen.
-
In 2 sind zwei verschiedene Ausführungsformen dargestellt, erstens hexagonale Betonblöcke 7 als Basis-Speichereinheit, mit sieben Kanälen für Wärmeübertragungsbehälter 6, die vertikal durch die Blöcke hindurch angeordnet sind. Zweitens ist ein Betonblock 7 mit quadratischem Querschnitt als Basis-Speichereinheit dargestellt, mit neun Kanälen für Wärmeübertragungsbehälter. Die Figur zeigt außerdem acht Betonblöcke mit quadratischem Querschnitt, die übereinander gestapelt sind, im Längsschnitt. Die gestapelten Blöcke sind nicht maßstabsgetreu, die Stöße zwischen den Blöcken sind von gepunkteten Linien dargestellt, und jeder Kanal ist durch eine gepunktete Linie angedeutet, aber dies zeigt etwas von der Einfachheit und Vielseitigkeit der Erfindung. Die gestapelten Blöcke stehen in bevorzugten Ausführungsformen vertikal und stellen eine lange Strecke für Wärmeleitung bzw. -konduktion und -konvektion bereit, wodurch die Wärmeübertragungsleistung erhöht wird.
-
3 zeigt eine Anordnung von Rohren 5 zum Einbringen und zum Ausbringen von Energie, um Wärme zu laden und zu entladen. Es können mehrere andere Anordnungen verwendet werden, mit Ventilen 17, die einen seriellen oder parallelen Strom zwischen Stapeln oder Einheiten ermöglichen. Bei vielen Ausführungsformen ist ein Rohrleitungssystem an den Wärmeübertragungsbehältern 6 angeordnet und auch eine Sensoreinrichtung, um Dampf und Druck zu bewältigen und Lecks einzugrenzen, um der Übersichtlichkeit willen sind diese Rohre und Einrichtungen hier nicht dargestellt. Eine Säulensicherheitsabdeckung 16 ist oben auf den Stapeln, jedoch unterhalb von Ventilen 17, Zugangsdecks 18 und anderen Steuervorrichtungen angeordnet, die sich unterhalb einer Isolierschicht 19 befindet
-
4 zeigt, wie eine Verstärkungsstruktur mit vertikaler Verstärkung 8 und einer Schleifenverstärkung 9 in einem Betonblock 7 angeordnet sein kann. Eine Verstärkung kann auch außerhalb des Betonblocks angeordnet sein, und Teile der Verstärkung können aus dem Betonblock herausragen, beispielsweise als Struktur, die Hebeösen aufweist. Eine Verstärkung kann als Gitter oder als Metallmembran auf der Seite des Betonblocks und der Bodenfläche angeordnet sein, mit oder ohne Öffnungen, durch die Wasserdampf entweichen kann.
-
5 zeigt einen thermischen Speicher 1 der Erfindung im Querschnitt, angeordnet in einer Gebäudestruktur 10, mit einer Isolierung 11, einer Membran 12, einer Bodensohle 13, einer Bodenplatte 14 und einem Betriebs- oder Zugangsraum 15. Der Speicher 1 ist stehend auf der Erde 20 angeordnet. Komponenten wie Rohre, Flansche, Ventile und Sensoreinrichtungen sind vom Betriebs- oder Zugangsraum 15 aus für Wartungs-, Reparatur- und Betriebszwecke leicht zugänglich. Das Dach und die obere Isolierung können mit einem normalen Kran abgehoben werden, ebenso wie einzelne Betonblöcke und Wärmeübertragungsbehälter. Aufgrund des einfachen Designs kann die Größe des Speichers auf einfache Weise nach oben oder unten angepasst werden und er ist einfach zu warten und zu reparieren. Der Speicher kann oben bündig mit dem Boden- oder Erdniveau abschließen, wenn der Speicher im Boden eingebaut ist.
-
Zum Beispiel kann ein Speicher gemäß der Erfindung viele gleiche Stapel mit 8 Einheiten aus verstärktem Beton aufweisen, die übereinander angeordnet sind, wobei jede Einheit eine Abmessung von 180 cm mal 180 cm in der horizontalen Ebene und 200 cm in der Höhe aufweist. Innerhalb jeder Einheit befindet sich eine Gruppe von 3 mal 3 vertikalen, zylindrischen Hohlräumen oder Kanälen mit einem Durchmesser von 30 cm und mit Abständen zueinander von 60 cm, gemessen von Mitte zu Mitte, die kontinuierliche Kanäle für die Gesamthöhe des Speichers von 16 Metern bereitstellen. In jeden Kanal oder jeden Hohlraum und über dessen gesamte Höhe ist ein zylindrischer Wärmeübertragungsbehälter mit einem Durchmesser von 20 cm eingefügt, der mit Wärmeübertragungsfluid gefüllt ist, und eine Einrichtung für die Einbringung und Ausbringung von Energie, genauer ein Hochdruck-Rohrschleifensegment mit geringem Durchmesser, ist in dem Behälter angeordnet. Die 5 cm breite Lücke zwischen dem Wärmeübertragungsbehälter und den Hohlraumwänden des Betons ist mit faserverstärkter, hochfester Betonvergussmasse gefüllt. Die Rohre für das einströmende Thermofluid sind oben über ein einzelnes Zuleitungsrohr und eine Zweigleitung verbunden, die sicherstellt, dass der Wärmestrom in alle Wärmeübertragungsbehälter im Stapel gleichmäßig ist. Ebenso sind alle Ausleitungsrohre über eine Zweigleitung oben am Stapel miteinander verbunden, weswegen nur ein einziges Ausleitungsrohr nötig ist. Jedoch können Zweigleitungen, Rohre und Steuerventile auf viele Arten angeordnet sein.
-
Die 6, 7 und 8 zeigen Ausführungsformen einer Anlage gemäß der Erfindung, wobei jede Ausführungsform mindestens einen erfindungsgemäßen thermischen Energiespeicher 1 aufweist. Auf sehr vereinfachte Weise zeigt 6 eine Anlage mit einer Thermoquelle 21, beispielsweise einer modernen Kohleanlage oder einem Kernkraftwerk, die ein heißes, fließfähiges Medium direkt von der Quelle als wärmetransportierendes Fluid für die Einbringung von Energie nutzt, das heiße Fluid wird durch Rohre zum Speicher 1 oder zur Turbine 23 transportiert, wie anhand von Linien dargestellt ist. Wärmeverlust ist mit Pfeilen 22 dargestellt, zurückgeführte oder verbrauchte Wärme mit einem Pfeil 26, der Turbinen-Generator mit Bezugszahlen 23 bzw. 24 und die elektrische Leistung für den Markt ist mit der Bezugszahl 25 dargestellt. 7 zeigt eine Anlage mit einer elektrische Leistung erzeugenden Einheit als Quelle oder einer Stromnetzquelle 27, und 8 zeigt eine Anlage mit einer Wärmeleistung erzeugenden Einheit als Quelle oder einer Abfallverbrennungseinheit 31. Die Ausgangsleistung ist für die in 6 und 7 dargestellten Ausführungsformen elektrische Leistung 25 und für die in 8 dargestellte Ausführungsform Wärme für die Industrie oder für Verbraucher 32. Ein alternatives Merkmal mit einem Boiler 30, der als alternative Eingangsquelle mit einer elektrischen Quelle verbunden ist, ist in 7 dargestellt, jedoch ist diese Alternative weniger effektiv als die dargestellte direkte elektrische Erhitzung 29 innerhalb der Wärmeübertragungsbehälter. In 7 ist die Quelle über das Stromnetz 28 direkt mit dem Markt 25 und über eine elektrische Heizung 29 und den Boiler 30 für die Speicherung von Energie indirekt verbunden, wenn die Quellenproduktion höher ist als die Nachfrage des Marktes oder der Preis niedrig ist.
-
9–13 zeigen einige von den anderen Anordnungen der Einrichtung 5 zum Einbringen und Ausbringen von Energie im Wärmeübertragungsbehälter und damit Beispiele für die außerordentliche Vielseitigkeit der Erfindung. Die Einrichtung 5 zum Einbringen und Ausbringen von Energie im Wärmeübertragungsbehälter umfasst Rohre, Rohrschleifen- oder Rohrkreislaufsegmente, elektrische Heizelemente und in einigen Ausführungsformen ein Fluid, beispielsweise ein Wärmeübertragungsfluid. In 9 wird die gleiche Art von Fluid zum Einbringen von Wärme verwendet wie zum Ausbringen von Wärme, während das Wärmeübertragungsfluid im Wärmeübertragungsbehälter in der Regel von anderer Art ist. Ein Beispiel hierfür wäre, dass Wasser/Dampf sowohl zum Einbringen als auch zum Ausbringen verwendet wird, während das Wärmeübertragungsfluid Öl ist. In 10 wird Wärme mittels eines Ohm'schen elektrischen Heizelements 5, das direkt im Wärmeübertragungsfluid angeordnet ist, eingebracht, während Wärme mittels eines Rohrfluids ausgebracht wird. Ein Beispiel hierfür wäre, dass der Speicher mit einem Stromnetz oder einer Windanlage verbunden ist und wobei die Ausgangsleistung Dampf wäre, der verwendet wird, um über Turbinen und Generatoren Elektrizität zurückzugewinnen, falls nötig. Das Wärmeübertragungsfluid kann Öl oder Salzschmelze oder ein anderes geeignetes Fluid sein. In 11 ist das Wärme einbringende Fluid das gleiche wie das Wärmeübertragungsfluid, während die Wärmeausbringung von einem anderen Fluid geleistet wird. Ein Beispiel dafür ist, dass der Wärmebringer Öl aus einer konzentrierten Solaranlage (CSP) ist und dass das gleiche Öl als Wärmeübertragungsfluid verwendet wird. Die Wärmeausbringung wird andererseits durch Dampf oder ein anderes Fluid geleistet. In 12 sind die Fluide im Wärmeeinbringungssystem, im Wärmeausbringungssystem und das Wärmeübertragungsfluid jeweils unterschiedlich. Zum Beispiel kann Salzschmelze aus einer CSP-Anlage zum Einbringen verwendet werden, zum Ausbringen kann Dampf verwendet werden, und das Wärmeübertragungsfluid kann Öl oder Salzschmelze sein. In 13 sind alle Fluide gleich. Dies wäre typisch für einen Kältespeicher, wo alle Fluide aus dem gleichen Kühlmittel bestehen könnten. Es könnte auch den Fall geben, dass die Wärmeeinbringung ebenso wie die Wärmeausbringung und jede andere Umwandlung, beispielsweise von Öl in Dampf, außerhalb des Speichers stattfindet. Man beachte, dass sich das Zuleitungsrohr 5 im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Wärmeübertragungsbehälters erstreckt, vorzugsweise in der Mitte des Wärmeübertragungsbehälters, da diese eine Linie maximaler oder minimaler Temperatur während des Betriebs bietet, was eine hohe Wärmeübertragungsrate ermöglicht. Eine möglicherweise weniger günstige Alternative besteht darin, dass die Einrichtung zum Einbringen und Ausbringen für die Wärmeübertragung einfach aus Anschlüssen am Wärmeübertragungsbehälter besteht, beispielsweise einem Eingang am Boden in der Mitte des Behälters und einem oder mehreren Ausgängen oben und zu den Seitenwänden hin, was von dem Begriff Einrichtung zum Einführen und Ausführen von Wärme im Kontext der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sein soll.
-
Es verdient besondere Beachtung, dass der „Speicher” in den meisten Fällen nicht nur als Wärmespeicher dient, sondern auch als Wärmetauscher; tatsächlich handelt es sich hier um ein System mit einem „eingebauten” Wärmetauscher. Genauer ermöglicht der Speicher einen Austausch von Wärme zwischen unterschiedlichen Medien und einen Austausch von Wärme im Lauf der Zeit. Zu beachten ist, dass er auch primär in einem Wärmetauschermodus verwendet werden kann, wie im Tagesbetrieb von konzentrierten Solaranlagen.
-
14 stellt eines von den Verfahren zum Gießen eines Einheitsblocks aus Beton für einen Wärmespeicher der Erfindung dar. Genauer sind eine Bodenplatte 33, kanalbildende Stäbe 34, Beton 35, mit Scharnieren befestigte Wände 36 und eine perforierte Deckplatte 39 dargestellt. Beton wird von oben, 40, eingegossen, der Beton wird durch Rütteln der Form oder durch eingeführte Rüttler verdichtet, die Deckplatte 39 mit den kanalbildenden Stäben 34 wird nach oben gezogen, nachdem der Beton ausreichend hart geworden ist, die Wände werden nach außen gelegt 37 und die Bodenplatte 33 wird ebenfalls entfernt, wenn das Härten ausreichend weit fortgeschritten ist. Dieses Verfahren stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar. Andere Möglichkeiten zur Herstellung eines Betonblocks sind ebenfalls geeignet, beispielsweise die Verwendung einer äußeren, umhüllenden Metallplatte als Schalung ebenso wie als dauerhafte äußere Verstärkung.
-
Der Wärmeverlust eines großen Thermospeichers der Erfindung ist überraschend gering. Für einen isolierten Speicher von 100000 m3 mit einer Speicherkapazität von 10000 MWh liegt der Wärmeverlust pro Tag typischerweise bei weniger als 1‰ (Promille) der gespeicherten Wärmeenergie.
-
Derzeitige Kraftwerke, insbesondere ältere Versionen, sind unbeweglich im Hinblick auf die Anpassung der Leistungserzeugung an den Bedarf. Über den Tag gesehen kann die Schwankung des Energiepreises einen Faktor von über 2 haben. Die Hauptkosten für ein Kohlekraftwerk, ein Kernkraftwerk und für Kraftwerke im Allgemeinen fallen für die Anlage bzw. die Ausstattung an. Die zusätzliche Ausstattung für die Nutzung eines Thermospeichers der Erfindung in einem Kraftwerk wird in Fallstudien als erstaunlich günstig bewertet in Bezug auf Profit und Abgabesicherheit. Dies ist möglich, weil keine oder kaum eine Produktion verschwendet wird oder zu Schleuderpreisen verkauft wird, während mehr Produktion zu höheren Preisen verkauft wird und außerdem die Sicherheit der Energieversorgung steigt. Gleichzeitig steigt die Sicherheit der Leistungsabgabe, was auch von erheblichem Wert ist.
-
Der Wärmespeicher der Erfindung kann beliebige der in dieser Schrift beschriebenen oder dargestellten Merkmale aufweisen, jede dieser operativen Kombinationen ist eine Ausführungsform der Erfindung. Die Anlage der Erfindung kann beliebige der in diesem Dokument beschriebenen oder dargestellten Merkmale aufweisen, jede dieser operativen Kombinationen ist eine Ausführungsform der Erfindung. Die Verfahren der Erfindung können beliebige der in diesem Dokument beschriebenen oder dargestellten Merkmale oder Schritte beinhalten, jede dieser operativen Kombinationen ist eine Ausführungsform der Erfindung.
