DE202023000696U1 - Multi-module high-temperature heat storage tank with serial charging and discharging - Google Patents
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Abstract
Hochtemperatur-Wärmespeicher, bestehend aus einem elektronischen Steuersystem und Absperrorganen, einzelnen Speichereinheiten („Module“) mit Feststoffspeichermassen und pro Modul mit je zwei internen getrennten strukturierten Strömungspfaden, ferner externe Rohrleitungssysteme, gekennzeichnet dadurch, dass:
Module strömungstechnisch untereinander so konfiguriert sind, dass jedes Speichermodul unabhängig von den anderen Modulen mit thermischer Energie durch Durchströmung eines Heizfluides durch eines der beiden Strömungspfade beladen und gleichzeitig jedes Modul unabhängig von den anderen Modulen durch Durchströmung eines Kühlfluides durch den anderen Strömungspfad von thermischer Energie entladen werden kann.
High-temperature heat accumulator, consisting of an electronic control system and shut-off devices, individual storage units ("modules") with solid storage masses and each module with two internal, separate, structured flow paths, as well as external piping systems, characterized in that:
Modules are fluidically configured with one another in such a way that each storage module is loaded with thermal energy independently of the other modules by flowing a heating fluid through one of the two flow paths and at the same time each module is discharged independently of the other modules by flowing a cooling fluid through the other flow path of thermal energy can.
Description
ERFINDUNGSGEBIETFIELD OF INVENTION
Die Erfindung beschreibt einen thermischen Energiespeicher („Hochtemperatur-Wärmespeicher“), der dazu dient, Abwärme aus industriellen Prozessen oder Spitzenleistung aus regenerativer elektrischer Energieerzeugung in Form von Wärme aufzunehmen und bei Bedarf zwecks Rückverstromung zeitversetzt oder gleichzeitig an eine andere Anlage abzugeben. Die Wärme wird durch Aufheizen von Feststoffen gespeichert, die sich in isolierten Behältnissen befinden.The invention describes a thermal energy store (“high-temperature heat store”), which is used to absorb waste heat from industrial processes or peak power from regenerative electrical energy production in the form of heat and, if necessary, to transfer it to another system at a later date or at the same time for the purpose of reconversion. The heat is stored by heating solids that are in insulated containers.
Die Notwendigkeit eines Speichers ergibt sich durch den zunehmenden Bedarf an Energieerzeugung aus fossilfreien Quellen und durch den zunehmenden Anteil von Wind- und Solarenergie an der Gesamtenergieerzeugung. Diese Energiequellen unterliegen im zeitlichen Verlauf starken Schwankungen, so dass eine Grundlastfähigkeit nur zum Teil gegeben ist. Bei einem Windkraftwerk stehen im Jahresdurchschnitt nur rund 15-20% der Nennleistung zur Verfügung. In rund zwei Drittel der Betriebszeit wird dieser Durchschnittswert nicht erreicht. Solarenergie steht nur tagsüber zur Verfügung. Industrielle Abwärme steht bei vielen Prozessen nur zyklisch zur Verfügung.The need for storage results from the increasing need for energy production from fossil-free sources and from the increasing share of wind and solar energy in the total energy production. These energy sources are subject to strong fluctuations over time, so that base load capability is only partially given. In a wind power plant, only around 15-20% of the nominal output is available on an annual average. This average value is not reached in around two thirds of the operating time. Solar energy is only available during the day. In many processes, industrial waste heat is only available cyclically.
Der Lastverlauf zeigt dagegen jahreszeitliche, aber hauptsächlich starke wöchentliche und tageszeitliche Schwankungen. Es werden darum zur Angleichung von regenerativer Stromproduktion und Strombedarf primär Speicher zur Zwischenspeicherung für einige Tage bis zu einer Woche benötigt.The load profile, on the other hand, shows seasonal, but mainly strong weekly and daily fluctuations. Therefore, in order to adjust renewable electricity production and electricity demand, storage systems for temporary storage for a few days up to a week are primarily required.
Ein weiteres Problem der regenerativen Energieerzeugung ist die Entsorgung von Überschussleistung. Wenn hierfür keine Speicher zur Verfügung stehen, müssten die Energieerzeugungsanlagen abgeregelt werden.Another problem of regenerative energy production is the disposal of excess power. If no storage is available for this, the power generation systems would have to be curtailed.
Die Speicherung von Elektrizität erfolgt bislang im Wesentlichen mittels Batterien, Pumpspeicherkraftwerken oder in Form von „Power to gas“ (Erzeugung von Wasserstoff oder Methan). Die Speicherkapazitäten oder die Wirkungsgrade dieser Methoden sind begrenzt oder die Methoden sind im grossen Massstab sehr kosten- und rohstoffintensiv.Up to now, electricity has mainly been stored using batteries, pumped storage power plants or in the form of “power to gas” (production of hydrogen or methane). The storage capacities or the efficiencies of these methods are limited or the methods are very costly and resource-intensive on a large scale.
AUFGABE DER ERFINDUNG:OBJECT OF THE INVENTION:
Thermische Energie soll effizient gespeichert und wieder zur Rückverstromung abgegeben werden. Sie soll nicht, wie üblich, hauptsächlich als Heiz- oder Prozesswärme, sondern zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine verwendet werden, die elektrischen Strom erzeugt. Es soll auf diese Weise unregelmässig anfallende thermische Energie grundlastfähig geglättet werden und Zeiten ohne Energieeinspeisung überbrückt werden.
- • Der Wärmespeicher soll bei der Aufnahme von thermischer Energie auch stark unterschiedliche Einspeiseleistungen, zum Beispiel Peak-Leistungen aus Windenergie, effizient bewältigen.
- • Der Wärmespeicher soll bei der Abgabe Wärme bei geeigneter, hoher Mindest-Temperatur bereitstellen und hierbei auch gespeicherte Wärme auf niedrigem Temperaturniveau mit verwenden.
- • Die Kapazität des thermischen Energiespeichers soll so gehalten werden, dass die Glättung beziehungsweise Speicherung der zugeführten zyklisch anfallenden Energie zur Überbrückung von mehreren Tagen ohne Einspeisung ausreicht.
- • Der Wärmespeicher soll bei vergleichbarer Grösse oder Kosten gegenüber vorhandenen Systemen eine grössere Energiespeicherdichte haben.
- • Die Wärmespeichermasse sollte bis zu einer Temperatur von 1000°C erwärmt werden können.
- • Sie soll preiswert und ökologisch unbedenklich sein und beliebig viele Ladezyklen ohne Alterung überstehen.
- • Die Wärmespeichermasse soll aus einem Material bestehen, dass einen Wärmeeintrag über Heissgasdurchströmung und auch direkt über eingebettete Widerstandsheizungen ermöglicht.
- • Die Wärmespeichermasse soll derart ausgestaltet sein, dass ein vergleichsweiser geringer Druckverlust beim Durchströmen entsteht, so dass mehrere Einheiten nacheinander durchströmt werden können.
- • When absorbing thermal energy, the heat accumulator should also efficiently cope with greatly differing feed-in capacities, for example peak capacities from wind energy.
- • The heat accumulator should provide heat at a suitable, high minimum temperature when it is released and also use heat stored at a low temperature level.
- • The capacity of the thermal energy store should be maintained in such a way that the smoothing or storage of the supplied cyclically occurring energy is sufficient to bridge several days without being fed in.
- • The heat storage should have a greater energy storage density than existing systems with a comparable size or cost.
- • The heat storage mass should be able to be heated up to a temperature of 1000°C.
- • It should be inexpensive and ecologically harmless and withstand any number of charging cycles without aging.
- • The heat storage mass should consist of a material that enables heat input via hot gas flow and also directly via embedded resistance heaters.
- • The heat storage mass should be designed in such a way that there is a comparatively low pressure loss during flow, so that several units can be flowed through one after the other.
Zur Orientierung bei der Dimensionierung eines solchen Speichers empfiehlt sich die Überschussleistung einer Windenergieanlage. Zum Beispiel beträgt die installierte Leistung (Peakleistung) 3 MW = 72000 kWh/Tag, die Durchschnittsleistung beträgt 12000 kWh/Tag = 0.5 MW, was als gesicherte Mindestleistung (Grundlast) festgelegt wird und der Motorleistung von drei bis vier Mittelklasse-PKW entspräche.The excess output of a wind turbine is recommended for orientation when dimensioning such a storage system. For example, the installed power (peak power) is 3 MW = 72000 kWh/day, the average power is 12000 kWh/day = 0.5 MW, which is defined as the guaranteed minimum power (base load) and would correspond to the engine power of three to four mid-range cars.
Ein Wärmespeicher müsste bei einem Wirkungsgrad der nachgeschalteten Rückverstromung von 50% dann einen Tag lang eine Überschuss-Leistung von 0.5 MW/50% =1 MW aufnehmen können, um einen Tag ohne Einspeisung zu überbrücken.With an efficiency of the downstream reconversion of 50%, a heat storage tank would then have to be able to absorb an excess output of 0.5 MW/50% =1 MW for one day in order to bridge a day without feeding it in.
STAND DER TECHNIK:STATE OF THE ART:
Eine bestehende kostengünstige Lösung zur Speicherung von Energie ist die Umwandlung von Elektrizität in Wärme, deren Speicherung in einem Feststoff, und spätere Rückverstromung in einer Wärmekraftmaschine („Power to Heat to Power“). Hochtemperaturfeststoffwärmespeicher können sensible Wärme (Temperaturänderung) oder latente Wärme (Phasenwechsel von fest zu flüssig) aufnehmen.An existing low-cost solution for storing energy is to convert electricity into heat, store it in a solid, and later convert it back into electricity in a heat engine ("power to heat to power"). High temperature solid heat storage can absorb sensible heat (temperature change) or latent heat (phase change from solid to liquid).
Mithilfe einer Widerstandsheizung und eines Gebläses lässt sich die elektrische Energie in einen Heißgasstrom und damit in Wärmeenergie umwandeln. Das heisse Gas, meistens Luft, wird dann in ein isoliertes und mit der Wärmespeichermasse gefülltes Gehäuse zur Aufladung des Speichers geleitet. Bei einigen Systemen sind die Heizvorrichtungen in die Wärmespeichermasse eingebettet oder in speziellen Kanälen hier integriert und übertragen die Wärme zur Beladung des Speichers auch per Strahlung oder direktem Kontakt zur Wärmespeichermasse. Gesteinsschüttungen lassen sich auf rund 800°C aufheizen, Stahl und Beton auf etwa 650°C, spezielle Granulate und Keramiken auf 1500°C. Bei Gesteinsschüttungen und Granulaten strömt das Wärmeträgerfluid durch deren Lücken, bei Stahl und Beton entweder entlang der Oberfläche oder durch Rohrleitungen durch sie hindurch. Formsteine können auch mit Strömungskanälen versehen sein.With the help of a resistance heater and a fan, the electrical energy can be converted into a hot gas stream and thus into thermal energy. The hot gas, mostly air, is then fed into an insulated housing filled with the heat storage mass to charge the storage. In some systems, the heating devices are embedded in the heat storage mass or integrated in special channels here and transfer the heat to charge the storage tank by radiation or direct contact with the heat storage mass. Rock fill can be heated to around 800°C, steel and concrete to around 650°C, special granulates and ceramics to 1500°C. In the case of rock fill and granules, the heat transfer fluid flows through the gaps, in the case of steel and concrete either along the surface or through pipes. Shaped stones can also be provided with flow channels.
Es existieren auch Systeme, bei denen gebündeltes Sonnenlicht direkt zur Aufheizung oder Schmelzen eines Latentwärmeträgermediums dient.There are also systems in which bundled sunlight is used directly to heat up or melt a latent heat transfer medium.
Die am Markt erhältlichen Speicher sind zumeist daraufhin optimiert, ein Höchstmass an Wärme zurück an die Anlage zu geben, Elektrizität fällt als Nebenprodukt an. Dies ist darin begründet, dass ein Speicher zunächst auf eine Mindesttemperatur erhitzt werden muss, bei der eine nachgeschaltete Turbine betrieben werden kann (ca. 35°C). Beim Entladen des Speichers und Betrieb einer Turbine kann nur der Temperaturbereich oberhalb dieser Mindesttemperatur genutzt werden. Die gespeicherte Wärme unterhalb der Mindesttemperatur kann nur zu Prozess- oder Heizzwecken verwendet werden. Grosse nutzbare Temperaturbereiche respektive hohe Wirkungsgrade bei der Entladung kann man nur durch sehr hohe Maximal-Temperaturen erreichen.The storage systems available on the market are mostly optimized to return a maximum amount of heat to the system, electricity is a by-product. The reason for this is that a storage tank must first be heated to a minimum temperature at which a downstream turbine can be operated (approx. 35°C). When discharging the accumulator and operating a turbine, only the temperature range above this minimum temperature can be used. The stored heat below the minimum temperature can only be used for process or heating purposes. Large usable temperature ranges and high discharge efficiencies can only be achieved with very high maximum temperatures.
Die Speicher nach Stand der bisherigen Technik werden im Betrieb zwischen diesen definierten Maximal- und Mindesttemperaturen betrieben. Die Strömungspfade werden in beide Richtungen verwendet, die Durchströmungsrichtung wird zum Entladen umgekehrt. Sofern die Aufladung nicht per integrierten elektrischen Heizstäben erfolgt, existieren dann nur die Betriebsmodi „Laden“ im Wechsel mit „Entladen“. Dies teilweise mit parallelen Beladen oder Entladen mehrerer Module. Es gibt auch Hersteller, bei denen mehrere Module zum Aufladen in Reihe geschaltet werden.The storage devices according to the prior art are operated between these defined maximum and minimum temperatures. The flow paths are used in both directions, the flow direction is reversed for unloading. If the charging does not take place via integrated electric heating rods, then there are only the operating modes "charging" alternating with "discharging". This partly with parallel loading or unloading of several modules. There are also manufacturers where several modules are connected in series for charging.
Insgesamt führt das Design der Speicher nach Stand der Technik dazu, dass bei den meisten Speichern nach dem Entleerungszyklus die nachgeschaltete Wärmekraftmaschine gestoppt wird. Die Durchströmungsrichtung wird umgekehrt und der Speicher muss dann erst wieder aufgeladen werden.Overall, the design of the storage according to the prior art means that in most storages, the downstream heat engine is stopped after the emptying cycle. The direction of flow is reversed and the storage tank then has to be recharged.
Bei den Speichern, die über integrierte Heizelemente verfügen und die Speichermasse per direktem Kontakt oder Strahlung aufheizen, kann die nachgeschaltete Wärmekraftmaschine kontinuierlich betrieben werden. Hier ist als Wärmequelle aber nur elektrischer Strom möglich. Umluftkreisläufe heisser Gase, zum Beispiel aus industrieller Abwärme, können hier nicht zum Einsatz kommen.In the case of storage systems that have integrated heating elements and heat up the storage mass by direct contact or radiation, the downstream heat engine can be operated continuously. However, the only possible heat source here is electricity. Recirculation of hot gases, for example from industrial waste heat, cannot be used here.
Die Wärmespeicher nach Stand der Technik unterscheiden sich untereinander im Wesentlichen durch die Art des verwendeten sensiblen Wärmespeichermaterials, dies sind hauptsächlich Stahl, Salz, Beton, Aluminium, Keramikformsteine, spezielle Granulate oder Gesteinsschüttungen.State-of-the-art heat accumulators differ from one another essentially in the type of sensitive heat accumulator material used, which is mainly steel, salt, concrete, aluminium, ceramic shaped bricks, special granulates or rock fill.
Die wesentlichen Patentschriften zum Thema:
- • Aus
DE102009012318A1 - •
WO2013167158A1 - •
DE102011017311A1 - •
EP3245466B1 - •
EP 2 698 505 A1 - • In
WO2012127179A1 - •
US20220170386A1
- • Out of
DE102009012318A1 - •
WO2013167158A1 - •
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EP3245466B1 - •
EP 2 698 505 A1 - • In
WO2012127179A1 - •
US20220170386A1
PROBLEMSTELLUNGEN:PROBLEMS:
Vorhandene Probleme und technische Verbesserungsmöglichkeiten:
- 1. Bei der Aufladung der bisherigen Speicher mittels heissem Fluid ist der Wärmeaustausch nur bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen Speichermedium und zugeführtem Fluidstrom effizient. Diese nimmt im Laufe der Aufheizung mit zunehmender Angleichung der Temperaturen ab, der Aufladestrom verlässt den Speicher dann zusehends wieder mit erheblicher Restenergie, die entweder verloren geht oder unnütz zirkuliert und dann für die gesamte Luftmenge hochtemperaturgeeignete Ventilatoren erfordert.
- 2. Bei der Entladung kann nur die Energiemenge oberhalb eines gewissen Temperaturniveaus rückverstromt werden. Die gespeicherte Energie niedrigerer Temperatur kann nicht mehr genutzt werden, um eine Turbine oder eine andere Wärmekraftmaschine anzutreiben. Es verbleibt darum meist für den Grossteil der gespeicherten Wärme nur die Nutzung als Heiz- oder Prozesswärme. Die vielfach gepriesene Kraftwärmekopplung ist in diesem Zusammenhang tatsächlich nur eine Notlösung.
- 3. Die Restwärme im zurückkehrenden Fluidstrom während des Entladezyklus liegt nämlich unterhalb der Temperatur der Wärmespeichermasse. Sie kann dem Speicher daher nicht wieder zugeführt werden, ausser, es würde gleichzeitig wieder nachgeheizt werden. Sie kann nur die erneute Energieentnahme aus dem Speicher im weiteren Verlauf reduzieren. Dies aber nur bis zur Schwelle der Eintritts-Temperatur des zurückkehrenden Fluides. Das Fluid kann dem Speicher keine Wärmeenergie entnehmen, die kälter ist, als es selbst.
- 4. Bei der Ausnutzung von Überschussleistung zur Erwärmung weiss man nicht, wie lange diese zur Verfügung steht. Im ungünstigen Fall führt man dem Speicher erhebliche Mengen an Energie zu, aber erreicht nur einen sehr kleinen Abstand zwischen der erzielten Temperatur und der erforderlichen geeigneten Mindesttemperatur (z.B. 10h Aufheizung auf 550°C, effiziente Entladung 2h möglich bis 400°C).
- 5. Bei Zeiten mit nur kleiner verfügbarer Aufladeleistung kann unter Umständen weder die gesicherte Mindestleistung direkt zur Verfügung gestellt werden, noch kann ausreichend Wärme zur ergänzenden Rückverstromung aus dem Speicher bereitgestellt werden.
- 6. Stark schwankender Wärmeeintrag bei dem regelmässig ein verwertbares Temperaturniveau unterschritten wird.
- 7. Speichermassenspezifische Nachteile: Bei Erwärmung durch elektrische Heizungen ist dies nicht in grobkörnige Schüttungen möglich. Für die Erhitzung von groben Schüttungen oder Oberflächen von Festkörpern sind unter Umständen Sekundärkreisläufe von Zweitmedien erforderlich, wodurch Verluste entstehen. Wenn Gasströme durch Schüttungen hindurchgehen, suchen sie sich den Weg des geringsten Widerstandes und führen zu Totbereichen und ungleichmässiger Wärmeverteilung.
- 8. Bisherige modulare Speicher mit serieller Verschaltung sind derart ausgeführt, dass eine „Warmfront“ mit zunehmender Erhitzung sich nach und nach im Inneren eines jeden Moduls fortpflanzt, bis jeweils die Maximaltemperatur erreicht ist. Bei diesen Apparaten macht es daher keinen Sinn, Energie auf vergleichsweise niedrigem Temperaturniveau einzuspeisen. Temperaturmesseinrichtungen am Einlass oder Auslass können keinen repräsentativen Wert über die gesamte Wärmespeichermasse darstellen, sondern nur zwischen „aufgeladen“ und „entladen“ unterscheiden.
- 9. Das Nacheinander-Durchströmen mehrerer Module ist nur begrenzt möglich: Entweder ist der Druckverlust in den Strömungswegen vorhandener Speicher zu gross, so dass nur wenige weitere Module durchströmt werden können, oder, das Heizfluid überträgt die Wärme erst nach Auskopplung an einen Sekundärkreislauf an die Wärmeträgermasse, so dass Umschalten zwischen Modulen nicht machbar ist.
- 10. Wenn ein mit Höchsttemperatur aufgeladener Speicher Wärme an ein Gas abgibt, kann eine eventuell gewünschte niedrigere Gastemperatur nur durch Zumischung von Kaltluft erreicht werden. Das Konstanthalten der Temperatur der ausgekoppelten Wärme ist problematisch.
- 11. Ein kontinuierlicher Betrieb einer nachgeschalteten Wärmekraftmaschine erfordert die Entkoppelung von Beladung und Entladung. Dies liess sich bislang nur mit elektrischer Widerstandsheizung per direktem Kontakt oder Strahlungsübertragung realisieren. Abwärme per Umluftkreislauf, zum Beispiel aus industriellen Prozessen, kann dann nicht genutzt werden.
- 1. When charging the previous accumulator using hot fluid, the heat exchange is only efficient if there are high temperature differences between the storage medium and the fluid flow supplied. This decreases in the course of heating up as the temperatures become more equal, the charging current then leaves the storage tank with considerable residual energy, which is either lost or circulates uselessly and then fans that are suitable for high temperatures are required for the entire air volume.
- 2. When discharging, only the amount of energy above a certain temperature level can be converted back into electricity. The stored energy at lower temperatures can no longer be used to drive a turbine or other heat engine. Most of the stored heat can therefore only be used as heating or process heat. In this context, the widely praised combined heat and power system is actually only an emergency solution.
- 3. The residual heat in the returning fluid flow during the discharge cycle is namely below the temperature of the heat storage mass. It can therefore not be returned to the storage tank unless it is reheated at the same time. It can only reduce the renewed energy withdrawal from the storage in the further course. However, this only up to the threshold of the entry temperature of the returning fluid. The fluid cannot take thermal energy from the storage that is colder than itself.
- 4. When using excess power for heating, one does not know how long this will be available. In the worst case, the storage tank is supplied with considerable amounts of energy, but only a very small gap between the temperature achieved and the required suitable minimum temperature is achieved (e.g. 10 hours of heating to 550°C, efficient discharge of 2 hours possible to 400°C).
- 5. At times when only a small amount of charging power is available, it may not be possible to provide the guaranteed minimum power directly, nor can sufficient heat be provided from the storage facility for additional conversion into electricity.
- 6. Heavily fluctuating heat input that regularly falls below a usable temperature level.
- 7. Disadvantages specific to the storage mass: When heated by electric heaters, this is not possible in coarse-grained fills. Secondary circuits of secondary media may be required for the heating of coarse bulk materials or surfaces of solid bodies, which results in losses. When gas flows pass through beds, they seek the path of least resistance, resulting in dead zones and uneven heat distribution.
- 8. Previous modular storage devices with serial connection are designed in such a way that a "warm front" with increasing heating gradually propagates inside each module until the maximum temperature is reached. With these devices, it therefore makes no sense to feed in energy at a comparatively low temperature level. Temperature measuring devices at the inlet or outlet cannot represent a representative value for the entire heat storage mass, but only distinguish between "charged" and "discharged".
- 9. Flowing through several modules one after the other is only possible to a limited extent: Either the pressure loss in the flow paths of the existing storage tank is too great, so that only a few more modules can be flowed through, or the heating fluid only transfers the heat to the after coupling to a secondary circuit Heat transfer mass so switching between modules is not feasible.
- 10. If a storage tank that has been charged with a maximum temperature gives off heat to a gas, a possibly desired lower gas temperature can only be achieved by mixing in cold air. Keeping the temperature of the extracted heat constant is problematic.
- 11. A continuous operation of a downstream heat engine requires the decoupling of loading and unloading. Until now, this could only be achieved with electrical resistance heating via direct contact or radiation transmission. Waste heat from the circulating air cycle, for example from industrial processes, cannot then be used.
LÖSUNG DER PROBLEMSTELLUNGEN:SOLUTION OF THE PROBLEMS:
- 12. Die sensible Wärmespeichermasse besteht im Wesentlichen aus einer Kombination aus Metallrohren und feinem Schüttgut. Dies kombiniert die Vorteile von schneller Reaktionszeit, hoher Energiespeicherdichte (=wenig Platzbedarf), geringem Strömungswiderstand und einfachem Aufbau mit preisgünstigen Materialien.12. The sensible heat storage mass essentially consists of a combination of metal pipes and fine bulk goods. This combines the advantages of fast reaction time, high energy storage density (= little space required), low flow resistance and simple construction with inexpensive materials.
- 13. Zusätzlich kann eine Latentwärmespeichermasse vorgesehen werden, die in das Schüttgut in gekapselter Form eingelassen wird.13. In addition, a latent heat storage mass can be provided, which is embedded in the bulk material in encapsulated form.
- 14. Belade- und Entladestrom sind voneinander getrennt, verwenden verschiedene Rohrleitungssysteme und können darum gleichzeitig und unabhängig voneinander operieren.14. The charging and discharging streams are separated from each other, using different piping systems, and can therefore operate simultaneously and independently.
- 15. Die Restwärme nach Abgabe der Energie an eine nachgeschaltete Wärmekraftmaschine ist keine Abwärme, sondern wird dem Speicher wieder zugeführt.15. The residual heat after delivering the energy to a downstream heat engine is not waste heat, but is fed back to the storage tank.
- 16. Die Wärmespeichermasse ist in mehrere voneinander getrennte und einzeln ansteuerbare Bereiche unterteilt, in denen jeweils unterschiedliche Temperaturen herrschen können. Kleine Volumina erreichen bei konzentrierter Beaufschlagung mit Wärme schneller die gewünschte Endtemperatur.16. The heat storage mass is divided into several separate and individually controllable areas in which different temperatures can prevail. Small volumes reach the desired final temperature more quickly when heat is applied in a concentrated manner.
- 17. Die Wärme wird in jedem Modul gezielt und vergleichsweise homogen verteilt, nicht in Form einer durch sie hindurch wandernden Warmfront.17. The heat is distributed in a targeted and comparatively homogeneous manner in each module, not in the form of a warm front migrating through it.
- 18. Es kann je nach Bedarf ein anderer Betriebsmodus gewählt werden, bei denen zwischen paralleler, sukzessiver oder serieller Durchströmung (oder einer Kombination hieraus) mehrerer Teilbereiche mit jeweils verschiedenen individuellen Temperaturen, gewechselt wird.18. A different operating mode can be selected as required, in which there is a switch between parallel, successive or serial flow (or a combination thereof) of several sub-areas, each with different individual temperatures.
- 19. Bestimmte Module des Wärmespeichers verfügen dabei so lange wie möglich über eine praktikable Mindesttemperatur (zum Beispiel 500°C), die eine Rückverstromung mittels einer Wärmekraftmaschine ermöglicht.19. Certain modules of the heat accumulator have a practicable minimum temperature (e.g. 500°C) for as long as possible, which enables reconversion using a heat engine.
- 20. Das Nacheinander-Durchströmen mehrerer Speicherbereiche mit stufenweiser Temperaturänderung dient zur Ausnutzung auch sonst nicht nutzbarer thermischer Energie mit niedriger Temperatur: Der zum Speicher zurückkehrende Entladestrom durchströmt nacheinander verschiedene Speicherbereiche und gibt seine Restwärme bis unter den zur Rückverstromung erforderlichen Temperaturbereich ab. Der Beladestrom wird mit dieser niedrigen Temperatur im Gegenstrom vorgewärmt.20. The successive flow through several storage areas with a gradual temperature change serves to utilize otherwise unusable low-temperature thermal energy: The discharging current returning to the storage unit flows through different storage areas one after the other and releases its residual heat below the temperature range required for reconversion. The charging flow is preheated in counterflow with this low temperature.
AUFBAU DER ERFINDUNG:STRUCTURE OF THE INVENTION:
Die Wärmespeicheranlage enthält zwei voneinander unabhängige Medienkreisläufe: Einen Beladekreislauf [14] und einen Entladekreislauf [12,13]. Beide Kreisläufe treffen sich in den Modulen ohne sich dort zu berühren oder zu mischen.The heat storage system contains two media circuits that are independent of one another: a loading circuit [14] and a discharging circuit [12,13]. Both circuits meet in the modules without touching or mixing.
Jedes Wärmespeicher-Modul, beispielhaft in
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die beiden internen Rohrleitungssysteme [17 und 18]jeweils vielfach die gesamte Länge eines Modules überspannen und mehrfach um 180° umgelenkt werden und so ein matrixförmiges Bündel aus parallelen Leitungen bilden, die gleichmässig das Speichermodul durchziehen. Beide Rohrleitungssysteme stehen im Winkel von 90° oder 180° zueinander. Sie berühren sich nicht aber durchdringen sich gegenseitig. Die in
Zusätzlich gibt es ausserhalb an den Modulen externe Rohrleitungssysteme zum Verteilen der Belade- und Entladeströme sowie jeweils ein externes Sammelrohr, das die aus den Modulen austretenden Gasströme abführt oder in ein anderes Modul leitet (nicht dargestellt in
Die Zwischenräume [20] im Inneren eines jeden Moduls zwischen den einzelnen Rohren sind nach Stand der Technik mit einem geeigneten wärmespeicherfähigen Schüttgut mit geringem Porenvolumen ausgefüllt, zum Beispiel Quartzsand (spezifischen Wärmekapazität: 0,83 kJ/kgK). Typische Werte für die Wärmeleitfähigkeit von trockenem Quarzsand sind 0,3 W/mK (Porenraumvolumen/Festkörpervolumen = 1) bis 0,6 W/mK (Porenraumvolumen/Festkörpervolumen = 0,5)According to the state of the art, the gaps [20] inside each module between the individual tubes are filled with a suitable heat-storing bulk material with a low pore volume, for example quartz sand (specific heat capacity: 0.83 kJ/kgK). Typical values for the thermal conductivity of dry quartz sand are 0.3 W/mK (pore volume/solid volume = 1) to 0.6 W/mK (pore volume/solid volume = 0.5)
Eine zusätzliche optionale vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass ein Grossteil der Räume zwischen den einzelnen Rohren zunächst mit Formsteinen, wie Schamotte (Spezifische Wärmekapazität: 1,0 kJ/kgK) oder Speckstein (Spezifische Wärmekapazität: 0,98 kJ/kgK), gefüllt werden, und dass nur das verbleibende Restvolumen, also die Lücken zwischen den Steinen und Rohren, mit Schüttgut aufgefüllt werden.An additional optional advantageous embodiment is that a large part of the spaces between the individual tubes are first filled with shaped bricks, such as fireclay (specific heat capacity: 1.0 kJ/kgK) or soapstone (specific heat capacity: 0.98 kJ/kgK). , and that only the remaining volume, i.e. the gaps between the stones and pipes, are filled with bulk material.
Optional können in einer vorteilhaften Ausgestaltung zusätzlich rasterartig horizontal angeordnete Latentwärmespeicherrohre („Schmelzkerne“) [19] vorgesehen werden. Dies sind druckfeste, hermetisch abgeschlossene Rohre, die im Inneren ein Latentwärmespeichermaterial, wie Aluminium oder bestimmte Salzsorten, beherbergen. Dieses schmilzt beziehungsweise erstarrt bei bestimmten Temperaturen und speichert durch den Phasenwechsel Energie beziehungsweise gibt sie ab. Die Abmessungen dieser Rohre sind so zu wählen, dass das eingeschlossene Medium sich beim Schmelzen oder Erstarren ausdehnen kann und, falls notwendig, an der Flüssigkeitsoberfläche ein kleines Restvolumen für ein inertes, komprimierbares Füllgas vorhanden ist.Optionally, in an advantageous embodiment, latent heat storage tubes ("melt cores") [19] arranged horizontally in a grid-like manner can also be provided. These are pressure-resistant, hermetically sealed tubes that contain a latent heat storage material such as aluminum or certain types of salt. This melts or solidifies at certain temperatures and stores or releases energy through the phase change. The dimensions of these tubes should be selected so that the enclosed medium can expand when it melts or solidifies and, if necessary, there is a small residual volume for an inert, compressible filling gas on the liquid surface.
Die horizontale Lage stellt sicher, dass sich das im Inneren befindliche Schmelzgut in der flüssigen Phase über die gesamte Länge ausbreitet.The horizontal position ensures that the melted material inside spreads out in the liquid phase over the entire length.
Letztendlich ist jedes Speichermodul dicht mit einem Geflecht aus Rohrleitungen und Schmelzkernen durchzogen, in deren Zwischenräumen sich ein feines Schüttgut und optional auch Steine befinden. Alle Einbauten aus
PRINZIPIELLE FUNKTIONSWEISE DER ERFINDUNGBASIC OPERATION OF THE INVENTION
Be- und Entladen der Module mit Wärme erfolgt unabhängig voneinander durch zwei verschiedene Medienkreisläufe in jeweils eigenen Rohrleitungssystemen, welche in
Beim Aufladevorgang zirkuliert ein erhitztes Wärmeträgerfluid [20] zwischen Wärmequelle und Wärmespeicher. Es wird durch ein externes Verteilrohrleitungssystem [7] einem oder mehreren Modulen zugeführt, durchströmt dort im Inneren das Wärmeeintrags-Rohrleitungssystem (
Der Aufbau der Wärmespeichermasse, die gleichmässig von Stahlrohrleitungssystemen durchzogen ist, die grossen Anteil an der gesamten Wärmespeicherkapazität haben, sorgt für rasches Reagieren auf Temperaturänderungen und eine gleichmässige Verteilung der Temperaturänderungen in dem gesamten Speichermaterialvolumen. Es gibt daher nicht wie bei zahlreichen anderen Speichern eine sogenannte „Wärmefront“, sondern tendenziell eine homogene Temperaturänderung pro Modul.The structure of the heat storage mass, which is evenly traversed by steel piping systems, which account for a large proportion of the total heat storage capacity, ensures a rapid response to temperature changes and an even distribution of temperature changes throughout the storage material volume. There is therefore no so-called "heat front" as in many other storage systems, but rather a homogeneous temperature change per module.
Die Entnahme der gespeicherten Wärme erfolgt analog zur Beladung, allerdings mittels eines anderen Medienkreislaufes: Ein zunächst kaltes Wärmeträgermedium [21] zirkuliert zwischen Speicher und Wärmekraftmaschine in einem anderen Rohrleitungssystem. Es wird durch eine zentrale Einlassrohrleitung [12] und einer Verteilrohrleitung [10] einem oder mehreren aufgeheizten Modulen zugeführt, durchströmt im Inneren der Speichermasse das Wärmeaustrags-Rohrleitungssystem (
Zugeführte Wärme wird in jedem Modul in den beiden internen Rohrleitungssystemen selbst (
Beim Aufheizen (Beladen) eines Moduls erhitzt sich zuerst das interne Aufladerohrleitungssystem [17] und gibt diese Wärme an das Schüttgut und gegebenenfalls an die hierin befindlichen Steine sowie an das Entladerohrleitungssystem [18] weiter. Die Schmelzkerne [19] erhitzen sich durch den Kontakt mit dem Schüttgut [20].When heating up (loading) a module, the internal charging pipe system [17] heats up first and transfers this heat to the bulk material and, if necessary, to the stones contained therein as well as to the unloading pipe system [18]. The melting cores [19] heat up through contact with the bulk material [20].
Schmelzkerne [19] sind sinnvollerweise nur in den Modulen vorzusehen, wo entsprechend hohe Temperaturen herrschen. Aluminium beispielsweise, hat einen Schmelzpunkt von 660°C. Alternativ kann in nachgeschalteten Modulen mit niedriger Temperatur vorgesehen werden, dass Schmelzkerne mit einem anderen Schmelzgut mit niedrigerer Schmelztemperatur verwendet werden.Fusible cores [19] should only be provided in modules where correspondingly high temperatures prevail. Aluminum, for example, has a melting point of 660°C. Alternatively, it can be provided in downstream modules with a low temperature that melting cores with a different melting material with a lower melting temperature are used.
Da der Wärmeeintrag durch ein anderes Rohrleitungssystem als der Wärmeaustrag erfolgt, kann er erfindungsgemäss pro Modul unabhängig und gleichzeitig zum Wärmeaustrag stattfinden. Dies ist von Vorteil, wenn die zugeführte Wärmemenge nicht der abzuführenden entspricht, etwa weil sie nur zyklisch oder schwankend zur Verfügung steht.Since the heat input takes place through a different pipe system than the heat discharge, it can take place according to the invention for each module independently and at the same time as the heat discharge. This is advantageous if the amount of heat supplied does not correspond to that to be dissipated, for example because it is only available cyclically or fluctuatingly.
Diese Konfiguration erlaubt es auch, dass der Beladestrom ein anderes Medium als der Entladekreislauf verwendet. Ersterer könnte beispielsweise auch Öl verwenden, letzterer zum Beispiel Wasserdampf. Ein Sekundärkreislauf zur Auskopplung von Energie für Dampfturbinen erübrigt sich dann.This configuration also allows the charging stream to use a different medium than the discharging circuit. The former could, for example, also use oil, the latter, for example, steam. A secondary circuit for extracting energy for steam turbines is then unnecessary.
Ein zusätzlicher Wärmeeintrag in die Module kann vorteilhafterweise durch elektrische Heizeinrichtungen direkt in den einzelnen Modulen erfolgen. Die elektrischen Heizeinrichtungen können auch extern, im Zustrom des Heizfluides, angeordnet sein.An additional heat input into the modules can advantageously take place directly in the individual modules by means of electrical heating devices. The electrical heating devices can also be arranged externally, in the inflow of the heating fluid.
Der Kernpunkt der Erfindung besteht neben der gleichzeitigen Be- und Entladung vor allem in der flexiblen Verschaltung der Module untereinander, die es ermöglicht,
- 1. stark fluktuierende Beladeströme effizient zu verteilen und zu speichern, und
- 2. gespeicherte Wärmeenergie auf niedrigem Temperaturniveau mit zur Rückverstromung auszunutzen, weil
- 3. Module unterschiedliche, individuelle Temperaturen haben können, die
- 4. Bei Bedarf nacheinander durchströmt werden und somit
- 5. Zu einer stufenweisen Temperaturänderung der Gasströme führen,
- 6. Wodurch eine Gegenstromwärmeübertragung zwischen Be- und Entladestrom realisiert wird, die
- 7. Simultan oder zeitversetzt zwischen Beladung und Entladung stattfindet.
- 1. Efficiently distribute and store strongly fluctuating loading currents, and
- 2. to utilize stored thermal energy at a low temperature level for reconversion, because
- 3. Modules can have different, individual temperatures
- 4. If necessary, flow through them one after the other and thus
- 5. Lead to a gradual change in temperature of the gas streams,
- 6. By which a countercurrent heat transfer between charging and discharging is realized, the
- 7. Simultaneously or with a time lag between loading and unloading.
Der wesentliche Vorteil des beschriebenen Modulautbaus besteht darin, dass kleine Teilbereiche einzeln angesteuert werden können. Die Auf- und Entladung kann immer irgendwo in der Anlage bei höchsten Temperaturdifferenzen, und somit bei höchster Effizienz der Wärmeübertragung stattfinden.The main advantage of the modular structure described is that small sub-areas can be controlled individually. The charging and discharging can always take place anywhere in the system with the highest temperature differences, and thus with the highest efficiency of heat transfer.
Die Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung und die Reihenfolge der Durchströmung der einzelnen Module wird elektronisch und automatisch mit Ventilen gesteuert. Temperaurmesseinrichtungen an jedem Modul sind mit einer zentralen elektronischen Steuerung verknüpft, die Ventile betätigt und so die Strömungswege zu und zwischen den Modulen steuert. Dies in den Abbildungen nicht dargestellt.The activation or deactivation and the flow sequence of the individual modules is controlled electronically and automatically with valves. Temperature sensing devices on each module are linked to a central electronic controller that actuates valves to control the flow paths to and between the modules. This is not shown in the illustrations.
BETRIEBSMODI BELADEVORGANG:OPERATING MODES LOADING PROCESS:
Da die Effizienz des Wärmeaustausches bei hohen Temperaturdifferenzen am grössten ist, nimmt sie in diesen beiden Betriebsarten in den beteiligten Modulen kontinuierlich ab, viel Wärme zirkuliert dann unnütz im Beladestrom. Die Hersteller herkömmlicher Anlagen thematisieren diesen Punkt nicht bei der Benennung des „Speicherwirkungsgrades“. Since the efficiency of the heat exchange is greatest with high temperature differences, it decreases continuously in these two operating modes in the modules involved, and a lot of heat then circulates uselessly in the charging flow. The manufacturers of conventional systems do not address this point when naming the "storage efficiency".
Eine Aufladung, die dazu führt, dass zum Ende der Beladung alle Module die gleiche Temperatur haben, nämlich die Maximaltemperatur, ist dagegen nicht anzustreben. Dies bedeutet lediglich, dass die Aufnahmekapazität der Anlage erschöpft ist und sie zu klein dimensioniert ist. Der elektrische Wärmespeicherwirkungsgrad wäre geringer, weil zum Erreichen eines solchen Zustandes bereits viel heisses Gas unnütz zwischen Wärmequelle und Speicher zirkuliert wäre.On the other hand, charging that results in all modules having the same temperature at the end of charging, namely the maximum temperature, is not desirable. This only means that the capacity of the system is exhausted and it is too small. The electrical heat storage efficiency would be lower because a lot of hot gas would have circulated uselessly between the heat source and the storage to achieve such a state.
BETRIEBSMODI ENTLADEVORGANG:OPERATING MODES DISCHARGE PROCESS:
Ein zweiter Mediumstrom [21] zirkuliert zwischen heissem Wärmespeicher und Wärmekraftmaschine. Es werden hierbei komplett andere Rohrleitungen als bei der Beladung verwendet. Nach Abgabe der Wärme an die Maschine kehrt der Mediumstrom abgekühlt zum Speicher zurück und wird durch die externen Rohrleitungen [12 und 10] zu den Modulen geführt.A second flow of medium [21] circulates between the hot heat accumulator and the heat engine. Completely different pipelines are used here than for loading. After dissipating the heat to the machine, the cooled medium flow returns to the storage tank and is routed through the external pipes [12 and 10] to the modules.
In
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ermöglicht neben einer parallelen und sukzessiven Entladung auch eine serielle, das heisst stufenweise Entladung:
Die Entnahme der thermischen Energie muss in diesem Fall nicht bis zum heissesten Modul erfolgen. Das Wärmeträgerfluid kann aus der Anlage geführt werden, sobald seine Temperatur ausreichend hoch ist (im Beispiel bei Modul 3), um eine Rückverstromung in einer Wärmekraftmaschine zu ermöglichen. Das Temperaturniveau aus den nicht beteiligten Modulen (im Beispiel Module 1 und 2) bleibt vorerst verschont. Wenn im Laufe der Entladung die Temperaturen der bis dato aktiven Module zurückgehen, kann dann auch zusätzlich eine Resterhitzung durch Wärmeentnahme aus den bislang unbenutzten heisseren Modulen erfolgen. Somit werden zuerst die kältesten Module entladen und dann die heissesten.In this case, the thermal energy does not have to be extracted up to the hottest module. The heat transfer fluid can be removed from the system as soon as its temperature is sufficiently high (in the example at module 3) to enable reconversion in a heat engine. The temperature level from the modules not involved (
Da der Sinn der Erfindung darin besteht, eine konstante Energiemenge zur Rückverstromung, die sich an der Nennleistung der nachgeschalteten Wärmekraftmaschine orientiert, zu ermöglichen, ist ein Abzug von Höchstleistung parallel aus mehreren Modulen nicht erforderlich, aber dennoch möglich.Since the purpose of the invention is to enable a constant amount of energy for reconversion, which is based on the nominal output of the downstream heat engine, a deduction of maximum output in parallel from several modules is not necessary, but still possible.
Es gibt jedoch den Fall, dass die im Speicher verbliebene Restwärme nicht ausreicht, um eine Wärmekraftmaschine effizient zu betreiben. Hierfür kann bei serieller Entladung das noch wärmste Modul während der Entladung nachgeheizt werden, so dass eine nachgeschaltete Wärmekraftmaschine kontinuierlich und effizient weiterbetrieben werden kann.However, there is the case that the residual heat remaining in the storage is not sufficient to operate a heat engine efficiently. For this purpose, in the case of serial discharging, the warmest module can be reheated during discharging, so that a downstream heat engine can continue to be operated continuously and efficiently.
Es ist auch der Fall denkbar, dass Abwärme aus einem industriellen Prozess in den Speicher geleitet wird, dessen Temperatur aber schwankt und regelmässig ein verwertbares Niveau unterschreitet. Diese Wärme mit schwankender Temperatur kann gezielt wechselnd auf unterschiedliche Module geleitet werden. Erfindungsgemäss kann gleichzeitig ein Entlade-Gasstrom mit konstanter Temperatur -wie oben beschrieben- zwischen Speicher und nachgeschalteter Rückverstromungsanlage zirkulieren und deren kontinuierlichen Betrieb trotzdem gewährleisten.It is also conceivable that waste heat from an industrial process is fed into the storage facility, but its temperature fluctuates and regularly falls below a usable level. This heat with a fluctuating temperature can be directed to different modules in a targeted manner. According to the invention, a discharged gas stream can simultaneously circulate at a constant temperature--as described above--between the storage device and the downstream reconversion system and still ensure their continuous operation.
- a) Serielle Beladung Modul 3 - 5
- b) Serielle Beladung Modul 2 - 4
- c) Serielle Beladung Modul 1 - 3
- d) Serielle Beladung Modul 2 - 4
- e) Serielle Beladung Modul 3 - 5
- f) Serielle Beladung Modul 5 - 6
- g) Usw.
- a) Serial loading modules 3 - 5
- b) Serial loading modules 2 - 4
- c) Serial loading modules 1 - 3
- d) Serial loading modules 2 - 4
- e) Serial loading modules 3 - 5
- f) Serial loading modules 5 - 6
- g) Etc.
Es wird also auch die thermische Energie unter dem verwertbaren Niveau („Tmin“) eingespeist, gespeichert und schliesslich zurückgewonnen.The thermal energy below the usable level ("T min ") is also fed in, stored and finally recovered.
Es kann erfindungsgemäss unabhängig von einer stattfindenden oder schwankenden oder ausbleibenden Beladung mit Wärme kontinuierlich thermische Energie bezogen werden, da die Entladung aus den ausreichend heissen Modulen mittels eines anderen Rohrleitungssystems erfolgt und die Modi der Be- und Entladung dafür sorgen, dass auch Energie auf niedrigem Temperaturniveau mit genutzt werden kann, solange mindestens ein Modul über ein ausreichend hohes Temperaturniveau verfügt.According to the invention, thermal energy can be obtained continuously, regardless of whether or not heat is charged, since the discharge from the sufficiently hot modules takes place by means of a different pipe system and the modes of charging and discharging ensure that energy is also at a low temperature level can also be used as long as at least one module has a sufficiently high temperature level.
Im Fall b) ist die Windradanlage ausser Betrieb oder erzeugt nur eine geringe Menge Elektrizität, die nicht zur Beladung des Speichers genutzt wird. Die im Wärmespeicher enthaltene Energie wird mittels eines zweiten Mediumkreislaufes [21] an die Wärmekraftmaschine [22] geleitet und erzeugt dort Elektrizität [25].In case b), the wind turbine is not in operation or only generates a small amount of electricity that is not used to charge the storage facility. The energy contained in the heat accumulator is conducted to the heat engine [22] by means of a second medium circuit [21], where it generates electricity [25].
ZUSAMMENFASSUNG DER VORTEILE:SUMMARY OF BENEFITS:
- (1) Die Aufteilung der gesamten Wärmespeicherkapazität auf kleinere Einheiten ist vorteilhaft für die Herstellung, Installation, Erweiterbarkeit und den Betrieb: Quaderförmige Module können nach Stand der Technik beispielsweise in handelsüblichen Containern installiert und fertig auf die Baustelle gebracht werden.(1) Dividing the entire heat storage capacity into smaller units is advantageous for production, installation, expandability and operation: according to the prior art, cuboid modules can, for example, be installed in commercially available containers and brought to the construction site ready-to-use.
- (2) Die volumetrische Wärmespeicherdichte ist aufgrund der verwendeten Materialien und des kleineren Lückenvolumens um den Faktor 4 bis 8 mal höher als ein Wärmespeicher aus Lavagestein. Die auf die Masse bezogene Speicherdichte ist im Vergleich zu Lavagestein ungefähr doppelt so gross, das Volumen des Speichers beträgt aber nur 15... 20% hiervon, wenn man von nur 750°C Speichertemperatur ausgeht. Die Wärmespeicherdichte ist im Vergleich zu Spezialgranulaten ca. 30% höher.(2) The volumetric heat storage density is 4 to 8 times higher than a lava rock heat storage due to the materials used and the smaller void volume. The storage density related to the mass is about twice as high as that of lava rock, but the volume of the storage is only 15...20% of this, assuming a storage temperature of only 750°C. The heat storage density is approx. 30% higher compared to special granules.
- (3) Es können deutlich höhere Temperaturen als bei Beton- oder reinen Stahlspeichern aufgenommen werden.(3) Significantly higher temperatures can be absorbed than with concrete or pure steel storage tanks.
- (4) Die gewünschten Temperaturen des Ausgangsstromes können bei gleicher Luftmenge durch Umschalten zwischen den Modulen konstant gehalten werden. Wärme kann dort entnommen werden, wo die gewünschte Temperatur herrscht. Es ist nicht erforderlich, im externen Kreislauf des Gases drehzahlgeregelte Ventilatoren oder Luftmischeinrichtungen einzusetzen.(4) The desired temperatures of the output flow can be kept constant with the same amount of air by switching between the modules. Heat can be taken from where the desired temperature prevails. It is not required in the external Use speed-controlled fans or air mixing devices in the gas cycle.
- (5) Zur Entladung muss die Beladung nicht unterbrochen werden. Es ist keine Bedienung am Gerät zur Umschaltung erforderlich. Die nachgeschaltete Wärmekraftmaschine kann darum kontinuierlich betrieben werden.(5) Loading does not have to be interrupted for unloading. No operation on the device is required for switching. The downstream heat engine can therefore be operated continuously.
- (6) Die Trennung von Belade- und Entladestrom ermöglicht auch den Eintrag von fluktuierenden Energiemengen mit regelmässiger Unterschreitung eines nutzbaren Temperaturniveaus bei erfindungsgemäss gleichzeitiger kontinuierlicher Entladung. Es kann dadurch länger Wärme bezogen werden und mehr Wärme eingespeist werden.(6) The separation of the charging and discharging currents also enables the input of fluctuating amounts of energy with a regular drop below a usable temperature level with simultaneous continuous discharging according to the invention. As a result, heat can be obtained for longer and more heat can be fed in.
- (7) Die Beladung erfolgt effizient und derart, dass die Resttemperatur des aus dem Speicher austretenden Beladestromes stets gering ist. Wenig Restwärme zirkuliert im Beladekreislauf, wodurch auch die Wiedererhitzung an der Wärmequelle effizienter wird.(7) Charging is carried out efficiently and in such a way that the residual temperature of the charging current exiting the storage tank is always low. Little residual heat circulates in the loading circuit, which also makes reheating at the heat source more efficient.
- (8) Im Gegensatz zu herkömmlichen Wärmespeichern wird thermische Energie auf niedrigem Temperaturniveau erfindungsgemäss durch stufenweise Temperaturänderung im Gegenstromwärmeaustausch mit ausgenutzt. Deswegen macht es erstmals auch Sinn, solche Energie in den Speicher einzuleiten statt ungenutzt zu lassen oder nur für Heizzwecke zu verwenden.(8) In contrast to conventional heat accumulators, thermal energy at a low temperature level is also utilized according to the invention by stepwise temperature changes in countercurrent heat exchange. That's why it makes sense for the first time to feed such energy into the storage instead of leaving it unused or only using it for heating purposes.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
-
Modul 1
module 1 - 22
-
Modul 2
module 2 - 33
-
Modul 3
module 3 - 44
-
Modul 4
module 4 - 55
-
Modul 5
module 5 - 66
-
Modul 6
module 6 - 77
- Verteilrohrleitung BeladekreislaufDistribution pipeline loading circuit
- 88th
- Sammelrohrleitung Auslassseite BeladekreislaufCollection pipe on the outlet side of the loading circuit
- 99
- Rückström-/Bypassleitung BeladekreislaufReturn flow/bypass line loading circuit
- 1010
- Verteilrohrleitung EntladekreislaufDistribution pipe discharge circuit
- 1111
- Bypass-Rückströmleitung EntladekreislaufBypass return line discharge circuit
- 1212
- Einlassrohrleitung EntladekreislaufInlet piping discharge circuit
- 1313
- Auslassrohrleitung EntladekreislaufDischarge circuit discharge pipe
- 1414
- Beladekreislaufloading cycle
- 1515
- interne Rückströmleitung Beladekreislaufinternal return flow line loading circuit
- 1616
- Wärmeisoliertes ModulgehäuseThermally insulated module housing
- 1717
- internes Beladerohrleitungssysteminternal loading piping system
- 1818
- internes Entladerohrleitungssysteminternal discharge piping system
- 1919
- Schmelzkerne (Latentwärmespeicher)Fused cores (latent heat storage)
- 2020
- Wärmespeichermasseheat storage mass
- 2121
- Entladekreislauf hinter WärmekraftmaschineDischarge circuit behind heat engine
- 2222
- Wärmekraftmaschineheat engine
- 2323
- Heizeinrichtung im BeladekreislaufHeating device in the loading circuit
- 2424
- Erneuerbare Energiequelle. Hier: WindradanlageRenewable energy source. Here: wind turbine
- 2525
- Stromerzeugung an der WärmekraftmaschineElectricity generation at the heat engine
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- WO 2013167158 A1 [0017]WO 2013167158 A1 [0017]
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- EP 3245466 B1 [0017]EP 3245466 B1 [0017]
- EP 2698505 A1 [0017]EP 2698505 A1 [0017]
- WO 2012127179 A1 [0017]WO 2012127179 A1 [0017]
- US 20220170386 A1 [0017]US20220170386A1 [0017]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |