DE202016003851U1 - Strom - Hochtemperatur-Speicher für Regelenergie - Google Patents

Abstract

Strom-Hochtemperatur-Speicher für Regelenergie mit Verdampfer für ein Medium und einen Dampfmotor mit Generator dadurch gekennzeichnet, dass ein Behälter bestückt mit einem oder mehreren Wärmeträger-Keramikrohren gebündelt ist.

Description

• Aus den Patenten DE 10 2013 017 010 , EP 2 574 865 , EP 2 241 737 u. a. sind Systeme zur Speicherung von Strom in Form von Wärme bekannt. Diese Systeme sind aufgrund ihrer Bauteile und ihrer Komplexität sehr hochpreisig.
• Die folgende Erfindung beschreibt ein System, das kostengünstig eine Lösung für die dezentrale Stromspeicherung in kleinen sowie in mittleren Leistungsbereich liefert. Dazu werden die Vorteile von unterschiedlichen Systemen kombiniert. So wird ein neuartiges System für die kostengünstige Stromspeicherung mit gleichzeitiger sofortiger Nutzung von Wärme und Strom dezentral ermöglicht.
• Die Kombination folgender Komponenten hat sich als Vorteil erwiesen:
  Die Verwendung eines Dampfmotors mit angeschlossenem Generator hat den Vorteil, dass diese Einheit kostengünstig für die Umwandlung von Dampf in elektrische Energie eingesetzt werden kann.
• Die Kombination von einem Wärmeträgermedium wie z. B. Hochtemperatur-Keramik und einer Verdampfungsflüssigkeit zur Übertragung von Energie hat den Vorteil, dass die Produkteigenschaften sich ergänzen. Die verwendete Hochtemperatur-Keramik hat die Fähigkeit, dass auch bei sehr hohen Temperaturen bis zu 1.000°C keine Veränderung der Struktur stattfindet und dadurch die hohe Temperaturspreizung ein hohes Speichervermögen für die thermische Energie besitzt.
• Die Verwendung von aufbereitetem Wasser als Verdampfermedium hat den Vorteil, dass es günstig und von seinen thermischen Eigenschaften gut geeignet ist. Der Einsatz von genau zu dosierender Verdampfungsflüssigkeit wie z. B. aufbereitetes Wasser, das sofort in den Verdampfungsrohren verdampft, hat den Vorteil, dass die Dampfmenge mit dem entsprechenden Druck schnell zu regeln ist und dadurch sofort auf Schwankungen im Netz reagiert werden kann.
• In einem Behälter [1] befindet sich Keramikrohre [2] mit elektrischen Heizspindeln [3]. Die Anzahl der Keramikrohre kann je nach gewünschter Leistung variiert werden. Als Beispiel in 2 ist eine Lösung mit 8 Keramikkerzen dargestellt. Die Keramik [2] der Wärmerohre und ein zusätzliches Wärmeträgermaterial [6] dienen der Speicherung der Wärmeenergie. Die Keramikrohre [2] werden über elektrische Wendelheizwiderstände beheizt, die den Regelstrom aufnehmen.
• In den Wärmeträgerrohren befindet sich ein Verdampfungsrohr [4] mit wiederum innenliegenden Einspritzrohren [5]. In das innenliegende Einspritzrohr wird eine leicht verdampfende Flüssigkeit [7], bei der es sich um aufbereitetes Wasser handeln kann, eingespritzt. Um die Temperatur im Behälter [8] auf Kondensationstemperatur zu halten, befindet sich in den Behälter [8] ein großvolumiger Wärmetauscher [8] als Wärmesenke. Die Verdampfungsflüssigkeit [7] wird über eine kleine selbstansaugende Druckerhöhungspumpe [10] angesaugt. Die Menge der zu verdampfenden Flüssigkeit [7] wird über ein Regelventil [11] gesteuert. Der Druck wird über ein Druckerhaltungsventil [12] gesteuert.
• Ein Plattenwärmetauscher [13] vor dem Dampfmotor mit Generator [14] dient zum Schutz gegen zu hohe Temperaturen. Im Dampfmotor mit Generator [14] wird der Regelstrom produziert. Der entspannte Dampf wird anschließend in dem Behälter [8] kondensiert. Der Flüssigkeits-Dampf-Kreislauf ist geschlossen.
• Zusätzlich lässt sich die Wärmeproduktion für das Heizungsnetz erhöhen, indem Dampf über den Wärmetausche [15] kondensiert wird.
• Der Nutzen der erzeugten elektrischen Energie ist variable einsetzbar. Der Hochtemperatur-Speicher kann jedem Aufstellungsort angepasst werden, vorrangig sollte hier die garantierte Wärmeabnahme des Aufstellungsortes sein.
• Hindergrundwissen
• Bekannt und genutzt werden derzeit folgende Möglichkeiten der Energiespeicherung: Druckluftspeicher, Pumpenspeicherkraftwerke, Schwungräder, stationäre Speicher für stoffliche Energieträger, thermische Speicher, Latentwärmespeicher, chemische Energiespeicher, elektrische-/elektromagnetische Speicher Alle diese Energiespeicher sind zu groß, zu teuer, unwirtschaftlich und nur in großen Einheiten einigermaßen nutzbar.
• Seit einiger Zeit nehmen die Anteile an fluktuierenden Energieträger (Sonne und Wind) zu. Mittlerweile haben die damit erreichbaren Strommengen eine Größenordnung erreicht, bei der es zukünftig zu Situationen kommt, in denen die eingeplanten Anteile dieser Energieträger in unserer Stromversorgung entweder nicht oder im Überschuss vorhanden sind.
• Die Erfindung betrifft eine Regelenergie-Hochtemperatur-Speicherung in kleinen und mittleren Einheiten, über das Land verteilt, die auch in Einfamilienhäusern einsetzbar sind. Die Hochtemperatur-Speicherung und wiedernutzbare Regelenergie ist in diesem System drucklos und stellt keine überhöhten Anforderungen an den Benutzer.
• In jedem Gebäude, welches auch Heizenergie braucht, ist der Regelenergie-Hochtemperatur-Speicher einsetzbar. Je nach Bedarfsfall ist der Regelenergie-Hochtemperatur-Speicher nur für Heizzwecke einsetzbar oder kombiniert durch Heizung und Stromerzeugung (BHKW-Betrieb).
• Wie groß die Hochtemperatur-Speicheranlage ausgewählt werden muss, liegt im Wärmeverbrauch des jeweiligen Standortes. Der wiedererzeugte Strom sollte auch je nach Stromverbrauch des Objektes ausgelegt sein. Bei einem Einfamilienhaus ca. 1 bis 3 kW.
• Eine Hochtemperatur-Speicheranlage als thermischen Speicher hat eine hohe Effizienz. Solange nicht mehr als 2 Tage gespeichert wird, geht kaum Wärme verloren. Die Effizienz liegt dann bei etwa 95%. Bei einem Überangebot von Strom, kann die Regelenergie problemlos in den Hochtemperatur-Speicher gespeichert werden. Da diese Hochtemperatur-Speicher in fast jeder Leistung (Absprache mit dem EVU) gebaut werden können, ersetzen sie dann die im Teillast fahrenden Stromkraftwerke, die auch als Schattenkraftwerke bekannt sind. Diese sind Emissions- und Wirkungsgradseitig mehr als ungünstig. Hier kann die Hochtemperatur-Speicheranlage verteilt auf viele Standorte als ausgleichendes Netz dienen und die vorgegebene Netzstabilität gewährleisten. Das notwendige Gleichgewicht von Einspeisung und Wiederentnahme ist sichergestellt. Die Hochtemperatur-Speicheranlagen, landesweit eingesetzt, können viel Primärenergie (Öl/Gas) sparen helfen.
• Kurzfristige Lastspitzen lassen sich schnell und sicher auf Hochtemperatur-Speicher vorschieben und genau so schnell als Strom wieder abrufen. Dies ist ein großer Vorteil und kommt der reinen Stromspeicherung (Batterien) ziemliche Nahe.
• Die Hochtemperatur-Speicheranlage zur Nutzung der nicht lagerbaren Ware Strom sind keinen Ladezyklen durch Verschleiß unterworfen.
• Die Lastverschiebung Strom ist eine große Herausforderung unter der verstärkten Integration von fluktuierenden Energieträgern. Dies hat eine neue Dynamik gewonnen. Hier bietet sich die Hochtemperatur-Speicheranlage an. Die Hochtemperaturspeicherung wird in den Energieversorgungssystemen eine Schlüsselstellung einnehmen. Sie erleichtert es, zeitlich und räumlich, variable Energieangebote mit, zeitlich und räumlich, variable Energienachfrage in Einklag zu bringen sowie eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu ermöglichen.
• Hochtemperatur-Energiespeicher verdienen daher steigende, gesellschaftliche, ökonomische und politische Aufmerksamkeit. Denn sie vermindern fossile Brennstoffe, tun was für den Klimaschutz, der Versorgungssicherheit und sind kostensenkend.
• Leistungsbereiche der Speicher von kW bis MW, Kurzzeitspeicher – Minuten bis Stunden, Langzeitspeicher – Tage bis Monate, Kapazitäten von wenigen kW bis MW, Temperaturbereich von 0 bis 800°C für Dampf, Heißwasser bis 90°C.
• Kernziel heißt effiziente und wirtschaftliche Lösung. Eine Steigerung der gesamtwirtschaftlichen Energieeffizienz, ein wachsender Beitrag der erneuerbaren Energie zur Primärenergiebedarfsdeckung sowie eine Absenkung der Emissionen von treibhausrelevanten Spurengasen.
• Bezugszeichenliste

1

Behälter mit Wärmeträgerrohren

2

Wärmeträger-Keramikrohre

3

Wendelheizwiderstände

4

Verdampfungsrohr

5

Einspritzinnenrohr

6

Wärmeträgermaterial

7

Verdampfende Flüssigkeit (Wasser oder anderes)

8

Behälter für Verdampfungsflüssigkeit

9

Wärmetauscher als Wärmesenke

10

Druckerhöhungspumpe

11

Regelventil

12

Druckhalteventil

13

Plattenwärmetauscher

14

Dampfmotor mit Generator

15

Wärmetauscher zum Kondensieren

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• 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.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102013017010 [0001]
• EP 2574865 [0001]
• EP 2241737 [0001]

Claims (5)

1. Strom-Hochtemperatur-Speicher für Regelenergie mit Verdampfer für ein Medium und einen Dampfmotor mit Generator dadurch gekennzeichnet, dass ein Behälter bestückt mit einem oder mehreren Wärmeträger-Keramikrohren gebündelt ist.
2. Strom-Hochtemperaturspeicher nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträger-Keramikrohre innen mit einem Widerstandsheizwendel bestückt sind.
3. Strom-Hochtemperaturspeicher nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass sich inmitten der Wärmeträger-Keramikrohre ein Verdampfungsrohr befindet, welches von Widerstandheizwendel umschlossen ist.
4. Strom-Hochtemperaturspeicher nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass Dampf und Wärme ausgekoppelt werden können.
5. Strom-Hochtemperaturspeicher nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdampfungsraum und ein Regelventil vorhanden ist.

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