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Gasturbinen-Speicherkraftanlage Es sind Speicherkraftanlagen bekannt,
bei denen anfallende überschußenergie dazu verwendet wird, ein Gas, beispielsweise
Luft, zu verdichten, das einem Druckspeicher zugeführt wird und in Zeiten hohen
Energiebedarfes in Kraftanlagen, . beispielsweise einer Gasturbinenanlage, ausgenutzt
wird, um insbesondere elektrische Arbeit zu leisten. -Für derartige Druckspeicheranlagen
ergeben sich eine Anzahl schwer zu erfüllender Forderungen, besonders wenn die Wirtschaftlichkeit
der Anlage in Betracht gezogen wird. Von besonderer Bedeutung sind hierbei einerseits
die Abmessungen und Kosten für die Druckgasspeicher, die eine große Kapazität aufweisen
müssen, ,andererseits die Mittel und Einrichtungen, durch die eine Konstanthaltung
des Entnahmedruckes der Speicheranlage gewährleistet ist.
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Es sind Vorschläge bekanntgeworden, nach denen die Druckgasspeicher
für Hochdruck ausgelegt und unter Tage, beispielsweise in alten Schachtanlagen,
angeordnet sind, wobei der Hochdruckspeicherraum in vorhandenen Räumen der Schachtanlage
mit verhältnismäßig geringem Aufwand untergebracht werden kann. Um nun bei derartigen
Anlagen den Entnahmedruck konstant zu halten, ist das Innere des Druckluftbehälters
unter den Druck einer Wassersäule gesetzt. Wenn auch in der angegebenen Weise eine
verhältnismäßig günstige Ausbildung der Speicher möglich ist und auch die Druckkonstanthaltung
grundsätzlich keine Schwierigkeiten bereitet, so ist doch der Aufwand für derartige
Druckspeicheranlagen, besonders wegen der umfangreichen Rohrleitungsanlagen für
Druckgas bzw. das zur Druckkonstanthaltung benötigte Wasser, verhältnismäßig groß.
Diese Nachteile fallen ganz besonders bei Anlagen kleinerer und mittlerer Leistung
in Betracht und können nur bei Großanlagen und Anwendung sehr großer Speicherdrücke
tragbar werden.
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Die Erfindung erstrebt eine auch für Anlagen kleinerer und mittlerer
Leistung geeignete Lösung für Druckspeicheranlagen mit praktisch -konstant bleibendem
Entnahmedruck, bei der die Nachteile der vorerwähnten bekannten Anlagen vermieden
sind und bei wesentlich vermindertem Aufwand mit einfachen Mitteln die Konstanthaltung.des
Entnahmedruckes des bei Anfall von Überschußenergie mittels eines Kompressors aufgeladenen-
Speichers herbeigeführt wird.
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Gemäß der Erfindung wird bei einer Gasturbinen-Speicherkraftanlage,
in der ein zur Arbeitsleistung bestimmtes gasförmiges Medium, z. B. Luft, einem
Druckspeicher durch einen Kompressor Ünter Ausnutzung eines Energieüberschusses
zugeführt wird, dadurch gelöst, daß bei der Entladung des Druckspeichers der Entnahmedruck
durch Rückführung eines Teiles der Entnahmegasmenge in den Druckspeicher konstant
gehalten wird, wobei das spezifische Volumen der zurückgeführten Entnahmegasmenge
durch Erhitzung, z. B. in einer besonderen Heizvorrichtung, vergrößert ist.
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Für den Zustand eines idealen Gases in einem vorgegebenen Volumen
Y gilt die Formel P#V=R-G-T P = Druck, R = Gaskonstante, G = Gewicht des Gases,
T = absolute Temperatur des Gases. Da Druck und Volumen während der Speicherung
bzw. Entspeicherung konstant bleiben sollen, muß in der rechten Seite der Gleichung
auch das Produkt G - T konstant bleiben. Dies ist der Fall, wenn jeweils in dem
Maße die Temperatur T in einem Teil der Speicherfüllung erhöht wird, in dem das
Gasgewicht G durch Entnahme sich verringert.
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Da kalte Luft in ihrem Verhalten vom idealen Gas erheblich im Sinne
einer weiteren Verringerung des spezifischen Volumens abweicht, wird das Speichervolumen
noch besser ausgenutzt.
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Mit besonderem Vorteil läßt sich der Erfindungsgedanke verwirklichen,
wenn dem Speicher einerseits eine Anlage zur Tiefkühlung des zugeführten Speichergases,
andererseits eine Anlage zur Vorwärmung des entnommenen Gases vorgeschaltet wird.
An sich ist der Gedanke, Gase in tiefgekühltem Zustande zu
speichern
und der Speicherentnahmeleitung eine Erwärmungsanlage zur Gaserwärmung bzw. bei
vorangegangener Verflüssigung zur Verdampfung des entnommenen Gases vorzuschalten,
bekannt. Vorzugsweise kann hierbei für die Gastiefkühlung ein Regenerator mit Kältespeicher
vorgesehen werden, der bei Ladung des Speichers. das Gas auf eine tiefe Temperatur,
beispielsweise- von etwa -140° C herunterkühlt; andererseits bei der Speicherentladung
die Temperatur des tiefgekühlten Gases wesentlich zu erhöhen ermöglicht. Der Regenerator
kann hierbei unter Verwendung eines flüssigen oder aus Masseteilcheri gebildeten,
umgewälzten Wärmeträgers gebildet werden, wobei für den Wärmeaustausch, d. h. die
Herabkühlung des gespeicherten Gases und die Aufwärmung des dem Speicher entnommenen
Gases; gesonderte Wärmeaustauschkammern vorhanden sind, die in einen außerdem Speicherräume
für den wärmeren bzw. kälteren Wärmeträger enthaltenden Kreislauf eingeschaltet
sind.
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Charakteristisch für die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Speicherkraftanlage
ist, daß jeweils bei Entladung des Druckgasspeichers durch Gasentnahme aus einem
Speicherabschnitt einem anderen eine Teilmenge des entnommenen .Gases nach vorheriger
Erwärmung und entsprechender Volumenvergrößerung zugeführt wird. Bei Anwendung einer
Tiefkühlung und eines Regenerators wird also hinter der die Aufwärmung des dem Speicher
entnommenen Gases bewirkenden Regeneratorkammer eine Teilgasmenge der Entnahmeleitung
entnommen und dem Speicherraum in seinem oberen Teil zugeleitet. Da diese Gasmenge
praktisch den Entnahmedruck hat - der Druckabfall in der die Aufwärmung ermöglichende
Regeneratorkammer sei zunächst vernachlässigt - ergibt sich, daß bei der Speicherentladung
stets die entnommene Gasmenge tieferer Temperatur durch eine auf dieser gewissermaßen
schwimmende Gasmenge gleichen Druckes ersetzt wird, so daß trotz der Gasentnahme
aus dem Speicher eine Druckabsenkung bei der Speicherentladung vermieden wird. Wie
angedeutet, sind die Gasmengen niedriger und höherer Temperaturen infolge ihrer
unterschiedlichen spezifischen Gewichte innerhalb des Speichers voneinander getrennt.
Um eine absolute Trennung zu ermöglichen, kann jedoch gemäß der weiteren Ausgestaltung
der Erfindung zwischen den verschiedene Temperatur aufweisenden Gasmengen des Speichers
ein Zwischenwandkörper angeordnet sein, der vorzugsweise als Hohlkörper aus Kunststoff
ausgebildet ist und sich selbsttätig bei der Gasentnahme bzw. Einspeisung von Kaltgas
in den Speicher verschiebt, indem er auf der unteren, spezifisch schwereren Luft
schwimmt.
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Im folgenden soll die Erfindung näher an Hand eines Ausführungsbeispiels
erläutert werden, das in der Figur der Zeichnung wiedergegeben ist. In dem Schaltschema
der Figur - bedeutet 1 einen Gasverdichter, zwischen dessen beiden Stufen
l a, 1 b ein Zwischenkühler 1 c eingeschaltet ist. 1 d bedeutet einen
nachgeschalteten Wärmeaustauscher, durch den das vom Verdichter ausgestoßene Gas
(insbesondere Luft) vorzugsweise unter Ausnutzung der dem Gas entzogenen Wärme für
Heiz- oder Arbeitszwecke auf eine Anfangstemperatur von beispielsweise 10° C bei
einem Druck von 30@ atü aufgewärmt wird. 2 bedeutet einen Druckgasspeicher, dem
die von dem Verdichter 1 gelieferte Luft zugeführt wird. In Zeiten, in denen überschußenergie
zur Verfügung steht, kann der Speicher 2 von dem Verdichter 1 aufgeladen werden.
Der Antrieb erfolgt durch einen elektrischen Motor, dem die überschußenergie eines
elektrischen Netzes zugeführt wird. In Zeiten eines Energieunterschusses dient nun
der Speicher 2 dazu, einer zweistufigen Gasturbinenanlage 3 Druckgas bzw. Druckluft
zuzuführen, zu deren Erhitzung vor dem Hochdruckturbinenteil 3a eine Brennkammer
4a und vor dem Niederdruckturbinenteil 3 b eine Brennkammer 4 b vorgeschaltet ist.
Der Turbinenanlage 3 ist noch der Vörwärmer 3 d zugeordnet, der beispielsweise unter
Ausnutzung der Abgaswärme der Gasturbine 3 oder Speicherwärme zur Vorwärmung dient.
Um das Gasvolumen und damit den Speicher 2 gering zu halten, ist zwischen dem Speicher
2 einerseits und Verdichter 1 bzw. Gasturbinenanlage 3 andererseits ein Regeneratorsystem
6 als Tiefkühlanlage eingeschaltet. Im wesentlichen besteht dieses Regeneratorsystem
aus der Kühlkammer 6a, der Aufwärmkammer 6 b und den Speicherräumen 6c bzw. 6d für
den Wärmeträger des Regeneratorsystems, der im Kreislauf durch die Kammern
6a, 6b bzw. die Speicherräume 6 c und 6 d umgewälzt wird. Als Wärmeträger
kann ein flüssiges Medium Anwendung finden. Besondere Vorteile bietet aber die Verwendung
einer feinkörnigen, fließförmigen Masse aus kleinen Teilchen aus Metall, Kunststoff
oder Keramik. Für die Umwälzung des Wärmeträgers sind in geeigneter Weise Fördereinrichtungen
oder Pumpen vorhanden, die in der Figur schematisch durch das Bezugszeichen-6e angedeutet
sind. In der Ladedruckgasleitung 8 ist hinter der Regeneratorkammer 6a eine Entspannungsturbine
9 eingeschaltet. Diese Entspannungsturbine dient dazu, nach der Hdrabkühlung des
Speichergases in der Kammer 6 a auf einen gewissen Wert, beispielsweise - 130° C
unter Senkung des Druckes z. B. von 30 auf 25 atü eine weitere Herabkühlung des
dem Speicher zugeführten Gases auf etwa - 140° C herbeizuführen. Zwischen der Ladeleitung
8 und dem Speicher 2 ist noch ein Absperrventil 10 vorhanden. Das zur Speicherung
vorgesehene Gas wird dem Speicher 2, der beispielsweise eine zylindrische oder prismatische
Form aufweist, in seinem unteren Teil durch den Ladestutzen 11 zugeführt. In seinem
oberen Teil ist der Speicherraum an eine Ausgleichleitung 12 angeschlossen, die
ein Absperrventil 13 sowie einen Hilfsverdichter 14 aufweist und eine Verbindung
zwischen dem oberen Teil 2b des Speicherraumes und der Ladeleitung 8 vor der Wärmeaustauschkammer
6a ermöglicht. In dem Speicherkörper 2 mit dem Beruhigungsgitter 40 ist ein kolbenähnlicher,
hohl ausgebildeter Trennwandteil 1.6 vorhanden, der den Speicherraum 2 in einen
unteren Abschnitt 2 a und einen oberen Abschnitt 2 b
unterteilt. Bei
Ladung des Speichers durch Zuführung des Druckgases über den Ladestutzen
11 in den Raum 2a wird über den Hilfsverdichter 14 das Druckgas aus dem oberen
Speicherraumabschnitt 2 b abgesaugt und unter Drucksteigung der Ladeleitung
8
zugeführt. Zur Gasentnahme aus dem Speicher ist in dessen unterem Teil 2
a der Entnahmestutzen 17 vorhanden, aus dem das entnommene Gas bei Öffnung des Ventils
18 der Entnahmeleitung 19 zugeführt wird. Außerdem ist der obere Speicherraumabschnitt
2 b über eine weitere Ausgleichleitung 20 mit der Entnahmelteitung
19 zwischen Gasturbine 3 und Regeneratorkammer 6 b verbunden, die ebenfalls einen
Hilfsverdichter
21 und ein Ventil 22 aufweist. Wird dem Speicher über den Stutzen 17, Ventil 18,
Leitung 19 Druckgas für die Turbine 3 entnommen, so wird infolge der Wirkung.des
Verdichters 21 ein Teil der entnommenen Gasmenge nach vorheriger Aufwärmung in der
Regeneratorkammer 6 b dem Abschnitt 2 b des Speichers zugeführt. Verringert sich
entsprechend der Gasentnahme das Volumen des kälteren Gases in dem Speicherraum
2 a, so tritt dementsprechend eine Verschiebung des schwimmenden Zwischenwandteiles
16 innerhalb der Abschnitte des Speicherraumes ein. Der Hilfsverdichter 14 kann
durch die Entspannungsturbine 9 angetrieben sein. Für den Verdichter 21 kann ein
besonderer Antriebsmotor 21a vorgesehen sein; statt dessen kann der Verdichter 21
auch abhängig von der Gasturbinenanlage angetrieben werden.
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Zusammengefaßt ergibt sich für die erfindungsgemäße Anlage folgende
Wirkungsweise: I. Laden Die vom Verdichter 1 mit einem Anfangsdruck von 30 atü bei
10° C der Ladeleitung 8 zugeführte Gasmenge wird in der Kühlkammer 6a bei nur unwesentlichem
Druckabfall auf - 130° C abgekühlt. In der Entspannungsturbine 9 wird bei Entspannung
des Gases auf beispielsweise 25 atü die Gastemperatur auf - 140° C abgesenkt. Das
Gas strömt infolgedessen über das Ventil 10, Stutzen 11 dem unteren Speicherabschnitt
2 a zu. Der Speicher wird geladen, wobei durch den Hilfsverdichter 14. über Leitung
12, Ventil 13 eine entsprechende Gasmenge des oberen Speicherabschnittes 2 b in
die Ladeleitung 8 zwischen Verdichter 1 und Regeneratorkammer 6a zurückgeführt
wird. Der Verdichter 14 ist im wesentlichen so bemessen, daß der Druckabfall, insbesondere
der Entspannungsturbine 9 sowie der Regeneratorkammer 6a, durch ihn ausgeglichen
wird. II. Entladen des Speichers Die Ventile 10 und 13 sind geschlossen, das Ventil
18 in der Entladeleitung 19 sowie das Ventil 22
in der Ausgleichleitung
20 sind geöffnet. Das in dem Speicher 2 vorhandene Gas strömt über das Ventil 18,
die Entladeleitung 19 und den. Vorwärmer 6 b des Regenerators 6 der Gasturbinenanlage
3 zu, wo das Gas nach weiterer Vorwärmung in dem Wärmeaustauscher 3 d sowie unter
weiterer Wärmezufuhr in den Brennkammern 4 a bzw. 4 b Arbeit leistet. In der Kammer
6 b des Regenerators wird das mit einer niedrigeren Temperatur von beispielsweise
- 140° C zugeführte Gas unter Abkühlung des Wärmeaustauschmediums des Regeneratorsystems
beispielsweise auf eine Temperatur von etwa - 20° C angewärmt. Durch den Verdichter
21 wird erfindungsgemäß dem Abschnitt 2 b des Speichers 2 etwa das gleiche Gasvolumen,
das dem Speicherraum 2a entnommen war, jedoch bei einer wesentlich höheren Gastemperatur,
zugeführt. Infolgedessen bleibt der Entnahmedruck des Speichers 2 konstant. Da innerhalb
des Speichers 2 sich der Anteil des tiefgekühlten Speichergases und des wärmeren
den Gegendruck erzeugenden Gases verändern, wird der zwischen den Speicherabschnitten
eingeschaltete Wandteil 16 entsprechend der Abnahme der gespeicherten Kaltgasmenge
nach unten verschoben.
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Für die Wirkungsweise der Anlage ist die Arbeitsweise des Regenerators
von wesentlicher Bedeutung, die im folgenden für den Lade- bzw. Entladevorgang kurz
erläutert wird.
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Beim Ladebetrieb wird dem Speicherraum 6c das tiefgekühlte Wärmeaustauschmittel
von etwa - 135° C entnommen. Beim Durchtritt durch die Regeneratorkammer kühlt das
Wärmeaustauschmittel die Speicherluft von 10° C auf etwa -130° C ab. Das Wärmeaustauschmittel
wird sodann mit einer Temperatur von etwa 0° C dem Speicherraum 6d zugeleitet und
in diesem angesammelt. Beim Entladebetrieb wird aus dem Speicherraum 6d das etwa
0° C aufweisende Wärmeaustauschmittel durch die Regeneratorkammer 6 b hindurchgeleitet.
Sie wärmt hierbei das von dem Speicher mit etwa - 140° C austretende Gas auf - 10
bis - 20° C auf und verläßt die Wärmeaustauschkammer nach Abkühlung mit etwa -135°
C. Das abgekühlte Wärmeaustauschmittel wird sodann dem Speicher-6c zugeführt, wo
es mit einer Temperatur von-- 135° C für die nächste Ladeperiode zur Verfügung steht.
Die Wärmeverluste des Regenerators werden durch die Kälteleistung der Entspannungsturbine
9 gedeckt. Die Einschaltung, einer Einrichtung zur Tiefkühlung des Speichergases
hat den großen Vorteil, daß das Speichervolumen erheblich verringert werden kann.
Dies bedingt jedoch zum ersten Anfahren der Anlage, daß das Regeneratorsystem, das
zur Abkühlung der Speicherluft bzw. zur Aufwärmung des dem Speicher entnommenen
Gases dient, mit einer Einrichtung zur Herabkühlung des als Wärmeträger dienenden
Mediums versehen sein muß. Man kann zu diesem Zweck ein einfaches Kälteaggregat
6K vorsehen, das beispielsweise beim Anfahren der Anlage ermöglicht, das in dem
Kaltspeicher 6c vorhandene Wärmeaustauschmittel auf die für den Prozeß erforderliche
tiefste Temperatur von z. B. -140° C herunterzukühlen. Unter Umständen kann eine
solche Abkühlung des Wärmeaustauschmittels für den Regenerator durch Verdampfung
von flüssiger Luft oder in -ähnlicher Weise erfolgen. Statt dessen ist es jedoch
auch möglich, in einfacher Weise die Herabkühlung des Wärmeaustauschmittels mit
Hilfe der Entspannungsturbine 9 bei laufendem Verdichter 1 herbeizuführen. Eine
solche Wirkung ergibt sich, wenn bei laufendem Verdichter gleichzeitig die Ventile
10 und 18 geöffnet sind und das verdichtete Gas nach Entspannung durch die Regeneratorkammer
6b geleitet wird. Auf diesem Weg kann unter Umwälzung des Wärmeaustauschmittels
in dem Regeneratorkreis die allmähliche Abkühlung des Wärmeaustauschmittels auf
die für den Arbeitsprozeß benötigten Temperaturen erreicht werden, wobei infolge
der Entspannung des Gases in der Entspannungsturbine in Verbindung mit der Herunterkühlung
des Wärmeaustauschmittels allmählich die erforderliche Temperatur in dem Regeneratorkreis
erzielt wird.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann in verschiedener Weise abgeändert
werden. So ist es beispielsweise möglich, zur Herabsetzung der aus dem Entladekreis
und dem Leitungszweig 20 zurückgeführten Gasmenge eine Heizvorrichtung 30 vorzusehen,
die die Gastemperatur des hinter der Aufwärmkammer 6 b entnommenen zurückgeführten
Gases erhöht. Diese Heizvorrichtung kann unter Umständen auch unmittelbar dem Abschnitt
2 b des Speicherraumes 2 zugeordnet werden.
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Grundsätzlich könnte auch das Temperaturniveau der Anlage insgesamt
so weit angehoben werden, daß
an Stelle der Zuführung eines stark
abgekühlten Arbeitsmittels in den unteren Speicherbereich 2 a ausschließlich eine
Aufheizung des dem oberen Speicherbereich 2 b zugeführten Gases oder des in diesem
Bereich vorhandenen Gases erfolgt. Eine derartige vereinfachte Anlage kann unter
Umständen in Sonderfällen Vorteile bieten.
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Weiter ist es möglich, die erfindungsgemäße Anordnung durch selbsttätige
Regeleinrichtungen zu ergänzen, durch welche die bei der Speicherladung aus dem
Speicherabschnitt 2 b über die Ausgleichleitung 12, das Ventil
13 und den Hilfsverdichter 14 abgeführte Luft bzw. beim Entladebetrieb
des Speichers die über die Ausgleichleitung 20, den Verdichter 21, das Ventil 22
zur Druckkonstanthaltung zurückgespeiste Gasmenge der in den Speicherraum 2 a eingespeisten
bzw. entnommenen Kaltgasmenge angepaßt,wird.
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Um für die Ausbildung besonders der Elemente der Regeneratoranlage
günstige Verhältnisse zu erzielen, kann . es Vorteile bieten, sämtliche Teile der
Speicheranlage oder wenigstens der Regeneratoranlage in einem Druckraum 31 anzuordnen,
dessen Druck .teilweise oder völlig dem Speicherdruck entspricht.
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Unter Umständen kann es auch Vorteile bieten, zwischen der Entspannungsturbine
9 und dem Speicher 2 noch eine Entspannungsdüse einzuschalten, um das Gas bis zur
Verflüssigung zu entspannen bzw. zu unterkühlen. In der Figur ist mit
32 gestrichelt eine entsprechende Entspannungsdüse angedeutet. Im letzteren
Fall wird zwischen Speicher und Entladeleitung 19 eine nach dem Verdrängerprinzip
arbeitende Pumpe 33, z. B. Zahnradpumpe, nebst nachgeschaltetem Verdampfer 34 angeordnet,
durch welche bei Energieentnahme aus dem Speicher eine bestimmte Menge flüssiger
Luft entnommen und in dem Verdampfer unter Zufuhr von Wärme in den gasförmigen Zustand
überführt wird. Der Verdampfer 34 kann auch unmittelbar durch die Regeneratorkammer
6 b gebildet werden. In diesem Fall dient das flüssige Gas unmittelbar dazu, die
dem -Speicher 6d des erwärmten Regeneratoraustauschmittels entnommene Menge unter
überführung des flüssigen Gases in den gasförmigen Zustand abzukühlen.
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Bemerkt sei, daß die erwähnten Temperaturen und Drücke, die in der
Zeichnung an den Anlageteilen in Klammern angedeutet sind, nur beispielsweise angegeben
sind und die angeführten Größen selbstverständlich auch andere Werte aufweisen können.