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Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher, insbesondere zur Speicherung der Kompressionswärme einer Druckluft-Energiespeicheranlage, mit einem festen Speichermedium und einem Speicherfluid.
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Aufgabe: In vielen Fällen soll Wärme, die in größeren Mengen im Temperaturbereich bis 250°C oder höher anfällt, für eine spätere Verwendung gespeichert werden. Ein zur Zeit stark diskutierter Fall ist die Speicherung erneuerbarer Energie mittels Druckluft, wozu in den wirkungsgradgünstigeren adiabaten Speicheranlagen auch Wärmespeicher notwendig sind.
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Bekannt sind Wärmespeicher, in denen Schotter (gebrochene Gesteinstücke) oder Kies (abgerundete Gesteinsstücke, vorzugsweise durch Strömungstransport in einem Gewässer abgerundet) als Speichermedium dienen, und die Wärme durch Flüssigkeit hinein bzw. hinaus übertragen wird (vgl.
DE000002748635C2 ; Kies erwähnt in Spalte 1, Zeile 44, auch zerkleinertes Gestein als Möglichkeit genannt – durchströmt von Flüssigkeit, Wärmeschichtung von unten nach oben).
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Auch der Gedanke, Schotter als Speichermedium zusammen mit einem Glyceringemisch als Wärmeüberträger zu verwenden, ist aus z. B.
EP000000987510A2 bekannt (Wärmespeicher mit Wärmeträgerflüssigkeit, Glyzerin-Paraffin-Mischung erwähnt in Anspruch 7, Zeile 18, Schotter im Wärmespeicher erwähnt in Anspruch 6, Zeile 12). Der Gedanke der biologischen Abbaubarkeit im Falle einer Leckage wurde allerdings nicht gefunden. Anscheinend dient das Glyzerin nur dem Schutz gegen Erstarren/Einfrieren bei Abkühlung des Gemisches.
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Speziell für Druckluft-Energiespeicher gibt es Vorschläge mit einem Wärmeträgeröl, welches in Rohrbündelwärmetauschern Wärme von der Druckluft aufnimmt bzw. dort an sie abgibt. Das Öl wird in abwechselnd in einem drucklosen Becken für warmes und in einem drucklosen Becken für kaltes Öl gelagert (vgl. http://www.espcinc.com/mobile/index.php?option=com_k2&view=item&id=10:caesadiabatic<emid=3, abgerufen am 23. Sep. 2011).
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Die Kosten so einer Energiespeicheranlage werden wesentlich auch von denen des Wärmespeichers bestimmt. Dabei sind die Kosten für das Thermoöl nachteilig, und ebenso die Gefahr einer Ölleckage in den Erdboden. Bei der Verwendung der Einrichtung aus
DE000002748636C2 können die Kosten der wärmeübertragenden Flüssigkeit durch den Einsatz des Kieses stark verringert werden. Dafür hat man den Nachteil, dass bei längerer Stillstandszeit die Temperaturschichtung aufgrund von Wärmeleitung verloren geht.
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Die vorgeschlagene Lösung:
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Ein zur Lösung der Aufgabe vorgesehener Wärmespeicher weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Vorzugsweise wird zur Speicherung von Mitteltemperaturwärme im Bereich 40°C bis 300°C, wie sie speziell bei der Speicherung der Kompressionswärme in Druckluft-Energiespeichern benötigt wird, eine Anordnung aus einem Kiesbecken, durchströmt von einer biologisch abbaubaren, organischen Flüssigkeit mit einem Siedepunkt oberhalb von 200°C als Wärmeträgermedium bzw. Speicherfluid vorgeschlagen. Anstelle von Kies kann auch Schotter Verwendung finden. Im Sinne der Erfindung wird Kies vorzugsweise als Vielzahl abgerundeter Steine, insbesondere von 8 bis 100 mm mittlerem Durchmesser definiert. Demgegenüber besteht Schotter aus einer Vielzahl nicht abgerundeter Steine, insbesondere mit einem mittleren Durchmesser von 8 bis 100 mm.
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Als wärmeübertragende Flüssigkeit wird vorteilhafterweise das im Zuge der Biodieselproduktion preiswert verfügbare Glyzerin verwendet. Dies wird an Stelle des Wärmeträgeröles durch einen (z. B. Rohrbündel-)Wärmetauscher gepumpt, um Kompressions-Wärme der Druckluft im Bereich 60°C bis 250°C aufzunehmen, bzw. sie bei der Druckluft-Expansion wieder dort abzugeben. Die Flüssigkeit wird in ein Speicherbecken geleitet.
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Um die Kosten weiter zu senken, soll darin der Hauptanteil der Wärme in einer großen Menge Kies gespeichert werden, welcher sich in einem Becken befindet – ähnlich
DE000002748635C2 . Dieser Kies wird von Glyzerin durch die Hohlräume durchflossen, so dass auf einen dm^3 kostenaufwändigeres Glyzerin viele dm^3 preiswerter Kies kommen. Heiße wärmeübertragende Flüssigkeit wird oben eingeleitet, kalte Flüssigkeit unten aus dem Becken abgezogen und in den Wärmetauscher zurückgeleitet. in Stillstandszeiten wird die Flüssigkeit aus dem Becken abgelassen, die Wärmeleitung in der Kiesschüttung wird durch den Ersatz von Glyzerin durch Luft (statt 0,3 nur noch 0,03 W/mK) in den Hohlräumen zwischen den Kieskörnern verringert, die Temperaturschichtung (oben warm, unten kalt) bleibt länger erhalten.
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Erwähnt werden sollte insbesondere die Möglichkeit, den Boden des Beckens auf diese Weise durchgehend kühl, z. B. unter 70°C zu halten, wodurch als Boden eines Beckens wenig wärmestabile Stoffe wie normaler Beton verwendet werden können (ohne eine teure, druckbeständige Wärmedämmung zwischen heißem Kies und dem Boden).
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Beim Ablassen der wärmeübertragenden Flüssigkeit sollen seitliche Ablässe ermöglichen, erst die heiße Flüssigkeit seitlich abzuziehen. Erst nach Abziehen der heißen Flüssigkeit könnte durch einen Ablass am Boden die restliche, kühle Flüssigkeit abgelassen werden. Vorteilhafterweise könnten mehrere kiesgefüllte Becken oder Tanks nebeneinander angeordnet werden, wobei jeweils nur ein Tank mit Flüssigkeit gefüllt ist und zum Ein- oder Ausspeichern verwendet wird und die anderen Becken ohne Flüssigkeit still stehen. Die Menge an kostenaufwändigerem Glyzerin kann so noch wesentlich kleiner bleiben.
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Für längere Stillstandszeiten der ganzen Anlage kann das Glyzerin in einem kleinen Tank bleiben, die kiesgefüllten Becken bleiben alle ohne Flüssigkeit. Anstelle von Kies kann auch Schotter verwendet werden. Als Glyzerin im Rahmen dieser Beschreibung gilt auch durch den Herstellungsprozess oder Verunreinigungen im Betrieb mit bis zu 10% Fremdstoffen vermischtes Glyzerin, ebenso solches, welches zum Schutz gegen vorzeitigen bakteriellen Abbau oder Korrosion Zusatzstoffe bis zu 5% enthält.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung im Übrigen und aus den Ansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 Eine Darstellung der Temperatur im Wärmespeicher in Abhängigkeit von der Höhe, bei mit Wärme gefülltem Speicher (gestrichelte Linie) einerseits und nach Entnahme der Wärmeenergie (durchgezogene Linie) andererseits,
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2 Eine Druckluft-Energiespeicheranlage mit Wärmespeicher, wobei dessen Anordnung zum Diagramm der 1 ausgerichtet ist.
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Beschreibung einer vorzugsweisen Ausführung:
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Mehrere zylindrische Becken B von jeweils 10 m Durchmesser und 5 Meter Höhe sind auf je einem Betonfundament aufgebaut. Sie werden mit einer Kiesmischung (Kiesfüllung KF) aus 60 mm Körnung und 15 mm Körnung gefüllt – die kleinere Körnung füllt dabei Hohlräume zwischen den größeren Körnern weitgehend. Der Kies besteht aus stark abgerundeten Gesteins-Körnern, wie denen aus einem Bachbett. Der Hohlraum-Volumenanteil in dem Kies sollte unter 25% liegen, ein Verdichten durch Rütteln (wie bei Beton) dürfte hilfreich sein.
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Unten in den Becken ist eine Ringleitung vorgesehen, ähnlich einem Drainagerohr DR, zur Zuführung von kalter Flüssigkeit, in der Mitte oben ein Saugkorb oder Sammelkorb SK von 1 m Durchmesser zur Abführung von warmer Flüssigkeit (Fließrichtung bei der Ausspeicherung von Wärme; bei der Einspeicherung ist die Fließrichtung umgekehrt).
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Die wärmeübertragende Flüssigkeit ist Glyzerin. Damit wird vor Speichervorgängen das Becken gefüllt, bis der Kies bedeckt ist. Eine Pumpe P am Sammelkorb SK in der Mitte fördert beim Ausspeichern gemäß 2 warme Flüssigkeit von 250°C in einen Wärmetauscher (Rohrbündelwärmetauscher WT) für Druckluft, von dort strömt die Flüssigkeit in die Ringleitung (Drainagerohr DR) des Beckens B wieder mit 60°C zurück. Die von der warmen Flüssigkeit erwärmte Druckluft WDL tritt im Gegenstrom aus dem Wärmetauscher WT aus. Kalte Druckluft KDL strömt in den Wärmeaustauscher WT ein.
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Beim Einspeichern von Wärme mittels Flüssigkeit ist eine an die Ringleitung des Beckens B am Boden angeschlossene Pumpe für die entgegengesetzte Fließrichtung zuständig. Somit ist nach dem Ein- oder Ausspeichern jeweils eine Temperaturschichtung vorhanden, die Schichtgrenze hat bei zunehmender Wärmefüllung des Speichers zunehmenden Abstand von dem Sammelkorb SK.
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Dem in 1 gezeigten Diagramm ist eine Temperaturschichtung über der Höhe im Becken B entnehmbar, nämlich für zwei verschiedene Zustände. Die gestrichelte Linie ZWF zeigt den Verlauf der Temperatur im Becken B bei mit Wärme gefülltem Speicher. Relativ hohe Temperaturen liegen schon in niedriger Höhe vor. Entsprechend zeigt die durchgezogene Linie ZWL den Temperaturverlauf des Speichers nach einer gerade erst durchgeführten Wärmeabfuhr. Hohe Temperaturen sind nur im oberen Bereich des Beckens vorhanden. Bei guter Isolierung und kurzzeitig aufeinander folgenden Lade- und Entladezyklen bewegt sich die Temperaturschichtung im Becken B zwischen den gezeigten Linien ZWF und ZWL.
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Nach dem Ein- oder Ausspeichern wird die Flüssigkeit abgelassen, so dass die Wärmeleitung in der Kiesmasse sinkt und die Temperaturschichtung im Stillstand besser erhalten bleibt. In die mehreren Becken wird die Wärme nacheinander eingespeichert bzw. ausgespeichert, so dass nur jeweils ein Becken mit Flüssigkeit gefüllt sein muss.
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Zum Ablassen des warmen Anteils der Flüssigkeit dient mindestens ein Abfluss ABF an der Seitenwand, vorzugsweise werden mehrere Abflüsse mit einer gemeinsamen Absaugpumpe verwendet, welche mit je einem waagerecht im Abstand von 1, 2 und 3 Meter vom Boden laufenden zusätzlichen Ringrohr, ähnlich einem Drainagerohr DR, verbunden sind. Nach dem Abziehen des warmen Anteils der Flüssigkeit kann die restliche, kalte Flüssigkeit durch die Ringleitung am Boden abgelassen werden.
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Erwähnt seien die Möglichkeiten, andere organische, hochsiedende, biologisch abbaubare Flüssigkeiten (Glykol, Diethylenglykol, Laurylalkohol, usw.), auch als Mischung, zu verwenden. Statt natürlichem Kies aus Gestein könnten auch künstliche Steine (womöglich auch in der Form von z. B. Lochziegeln für weniger Hohlraum) gepresst werden. Eine Hydrophobierung der Oberfläche würde die Menge an nach dem Ablassen verbleibender Flüssigkeit verringern.
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Anstelle von zylindrischen Becken könnten mit einer Art ”Teichfolie” am Boden und Stahlwänden an den Seiten abgedichtete Erdgruben verwendet werden. Es könnten auch Becken strömungstechnisch in Reihe geschaltet werden. Dabei könnte die Wärmeübertragung zwischen Kies und Flüssigkeit in einem Becken auch durch Versprühen von Flüssigkeit über der Kiesschüttung und Sammeln der Flüssigkeit nach Wärmeaustausch am Boden erfolgen. Dabei wäre die notwendige Flüssigkeitsmenge geringer als bei bis zum Rand mit Flüssigkeit gefüllten Becken und der Kies könnte in Haufenform, ohne seitliche Beckenwände und mit geringerem Bauaufwand angeordent werden.
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Erwähnt werden sollte auch die Möglichkeit, mit einer Mischung aus zwei Korngrößen die Hohlräume zu verringern und dabei die unmittelbare Berührung der großen Körner zu verringern. In einer Weiterentwicklung des Gedankens kann die Kiesschüttung unten, nahe des Bodens nur aus großen Körnern bestehen, um hier die Wärmeleitung zu verringern und den Durchfluss des Glyzerins zu erleichtern; weiter oben werden – wie schon oben beschrieben- mit einer Mischung zweier Korngrößen die Hohlräume verringert.
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Es könnte auch ein Lochblech, Gitter oder Ähnliches mit kleinen Abstandshaltern auf den Boden gelegt werden, um die gleiche Wirkung zu erzielen. Dann könnte statt einer Ringleitung am Boden auch eine andere Anordnung von Rohren mit flüssigkeitsdurchlässiger Wand dort vorliegen, statt eines Saugkorbes oder Sammelkorbes oben in der Mitte könnte auch dort eine entsprechende Anordnung von Rohren vorliegen. Bezugszeichenliste:
| ABF | Abfluss |
| B | Becken |
| DR | Drainagerohr |
| KDL | Kalte Druckluft |
| KF | Kiesfüllung |
| P | Pumpe |
| SK | Sammelkorb |
| WDL | Erwärmte Druckluft |
| WT | Wärmetauscher |
| ZWF | Gestrichelte Linie/Speicher mit Wärme gefüllt |
| ZWL | Durchgezogene Linie/Speicher Wärme-entleert |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 000002748635 C2 [0003, 0009]
- EP 000000987510 A2 [0004]
- DE 000002748636 C2 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.espcinc.com/mobile/index.php?option=com_k2&view=item&id=10:caesadiabatic<emid=3 [0005]
