DE2636417A1

DE2636417A1 - Anlage zum speichern und ausnutzen von energie unter verwendung von verdichteter luft

Info

Publication number: DE2636417A1
Application number: DE19762636417
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Schueller
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1976-08-13
Filing date: 1976-08-13
Publication date: 1978-02-16
Also published as: ZA774919B; ES461529A1; SE7708903L; DK359077A; DK144772B; BE857763A; NL7708896A; DK144772C

Description

Anlage zum Speichern und Ausnutzen von Energie
unter Verwendung von verdichteter Luft Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Speichern und Ausnutzen von Energie unter Verwendung von verdichteter Luft, mit einem wenigstens einen Zwischenkühler aufweisenden mehrstufigen Verdichter, dessen Druckseite unter Einschaltung wenigstens eines die Verdichtungswärme aufnehmenden Wärmespeichers mit einem Luftspeicher verbunden ist, und mit einer mehrstufigen Turbine, die zur Energieausnutzung unter Einschaltung des die Verdichtungswärme abgebenden Wärmespeichers an den Luftspeicher angeschlossen ist.
Bei einer bekannten Anlage dieser Art wird die Verdichtungswärme in einem Regenerator gespeichert. Dieser besteht aus einem druckfesten, unterirdischen Hohlraum mit einer FUllung von Schotter. Die betriebsbedingten Temperaturwechsel können zu einem Zerfall der einzelnen Schotterteile führen. Hierdurch wird der für den Luftdurchtritt erforderliche freie Porenanteil verringert und somit der Luftwiderstand der Schotterfüllung erhöht und/oder ihre Wirksamkeit vermindert. Zudem können staubförmige Teile des Schotters vom Luftstrom in die nachgeschalteten Maschinen getragen werden, so daß diese gefährdet sind.
Des weiteren wird bei der bekannten Anlage die in dem Zwischenkühler abgeführte Wärme nicht nutzbringend eingesetzt und somit der Gesamtwirkungsgrad verschlechtert.
Die in den Kreisprozessen der Energiespeicherung und-ausnutzung unvermeidlich auftretenden, nicht nutzbaren Restwärmemengen, können bei der bekannten Anlage zu einer allmählichen Erhöhung des Temperaturniveaus im Wärmespeicher führen. Dies hätte zur Folge, daß der Wärmespeicher während des Speicherbetriebes nicht mehr in der Lage wäre, Verdichtungswärme aufzunehmen und zu speichern und somit wirkungslos wäre.
Im Hinblick auf den vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der genannten Art anzugeben, die einen periodischen Betrieb mit verbesserter und vereinfachter Wärmespeicherung und-ausnutzung gestattet und die betriebssicher sowie den betrieblichen Anforderungen in hohem Maße gewachsen ist.
Erfindungsgemäß besteht die Lösung dieser Aufgabe dann, daß der Wärmespeicher ein flüssiges Speichermedium aufweist und mit dem Zwischenhhhler, mit wenigstens einem der Turbine zugeordneten Zwischenerhitzer sowie mit mindestens einem zwischen Verdichter bzw. Turbine una dem Luftspeicher eingefügten Wärme tauscher zur Abgabe bzw. Aufnahme von Verdichtungswirme verbunden ist, wobei zur Abfuhr (z.B. an die Umgebung} der in den Kreisprozessen der Energiespeicherung und-ausnutzung anfallenden, nicht verwertbaren Restwärme mindestens ein Kühler vorgesehen und von den verdichteten Luft und/oder vom Speichermedium beaufschlagt ist.
Das flüssige Speichermedium ermöglicht in Verbindung mit dem Zwischenkühler, Zwischenerhitzer und dem Wärmetauscher die Verdichtungwärme auf einfache Weise aufzunehmen bzw. abzugeben, indem das Speichermedium als Wärmeträger durch die genannten Vorrichtungen geführt und dann im Wärmespeicher gelagert ist. Durch entsprechende Einstellung des Durchflusses läßt sich hierbei die Temperaturaufnahme bzw. -abgabe dem Jeweiligen Betriebszustand anpassen. Durch die Abfuhr der Restwärme über Kühler wird die Temperatur des Speichermediums auf einer solchen Temperatur gehalten, die für einen periodischen Betrieb der Anlage erforderlich ist. Hierbei kann die Abfuhr der Restwärme durch Beeinflussung (z.B. Drosselung) der im Wärmetausch stehenden Stoffströme beeinflußt werden.
Mehrstufige Verdichter oder Turbinen im Sinne der vorliegenden Erfindung können Jeweils aus einzelnen, eine Stufe bildenden Maschinen bestehen oder mit einer einzigen, mehrere Verdichtungsstufen aufweisenden Maschine gebildet sein.
In vorteilhafter Weise ist. die Anzahl der Zwischenkühler und Zwischenerhitzer gleich. Das bedeutet, daß auch die Anzahl der Verdichter- und Turbinenstufen gleich ist, wodurch eine besonders günstige Abstimmung von Energiespeicher- und Energieausnutzwigsbetrieb erzielt wird.
Um den;-Bauaufwand zu verring-ern ist es empfehlenswert, den Zwischenkühler im Falle der Energieausnutzung als Zwischenerhitzer einzusetzen.
Weiter ist es günstig, wenn der Zwischenkühler, der Zwischenerhitzer und der Wärmetauscher speichermediumseitig parallel geschaltet sind. Denn hierdurch läßt sich ihre Wärmeaufnahme oder-abgabe unabhängig voneinander regulieren.
In vorteilhafter Weise besteht das Speichermedium aus Öl oder Wasser. Wegen des hohen Siedepunktes wird man Öl dann den Vorzug geben, wenn hohe Drücke bei der Wärmespeicherung vermieden werden sollen.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium oberirdisch gelagert ist. Hierdurch ist nämlich völlige Freiheit in der Ausbildung und Anordnung der Speicherräume gegeben.
Zur weiteren Vereinfachung der Anlage ist es günstig, wenn während der Energiespeicherung sowie-ausnutzung die gleichen Wärmetauscher für die Abfuhr der Restwärme eingesetzt sind Eine in die gleiche Richtung zielende Ausgestaltung der Anlage ist dadurch gekennzeichnet, daß für die Verdichtung und Entspannung der Luft die gleichen Maschinen eingesetzt sind.
Schließlich besteht eine weitere, vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung darin, daß der Wärmespeicher mindestens zwei Wärmespeicherräume aufweist, die über die Wärmetauscher miteinander verbunden sind und von denen der eine Wärmespeicherraum für die Aufnahme des erhitzten und der andere Wärmespeicherraum für die Aufnahme des abgekühlten Speichermediums vorgesehen ist.
Weitere Vorteile und Vorzüge der Erfindung gehen aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor. Hierbei zeigen Fig. 1 das Schaltschema einer erfindungsgemäßen Anlage mit einem Wärmespeicher mit zwei Wärmespeicherräumen, Fig. 2 einen links der Linie II - III liegenden Ausschnitt des Schaltschemas der Fig. 1 mit einer Variante bezüglich der Anordnung der Kühler für die Abfuhr der Restwärme und Fig. 3 einen Ausschnitt entsprechend der Fig. 2 mit einer Ausführungsvariante bezüglich des Wärmespeichers.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist eine wahlweise als Motor oder Generator betreibbare elektrische Maschine 10 über lösbare Kupplungen 11, 12 wahlweise mit einem zweistufigen Verdichter 13 oder einer ebenfalls zweistufigen Luft-Turbine 16 kuppelbar Die Saugseite der ersten Verdichterstufe 14 ist über die Rohrleitung 19 mit dem Außenraum 20 verbunden, die Druckseite dieser Verdichterstufe ist über die Rohrleitung 21 mit zwischengeschaltetem Rückfluverhinderer 22 an die Primärseite des zweiten Wärmetauschers 23 angeschlossen, der im Verdichterbetrieb als Zwischenkühler und im Turbinenbetrieb als Zwischenerhitzer dient. Von hier führt eine Leitung 24 über die Primärseite des ersten Kühlers 25, - als- Oberflächenwärmetauscher ausgeki}det ist, und ein Absperrventil 26 zur Saugseite der zweiten Verdichterstufe 15. Die Druckseite dieser Yerdichterstufe ist mittels der Rohrleitung 27 ttber den Rückflußverhinderer 28 an die PrimRrse+-tt des Wärmetauschers 29 angeschlossen, der ebenfalls zur Abfuhr bzw. Zufuhr der Verdichtungswärme dient. Von hier führt eine weitere Leitung 30 über die Primärseite des zweiten Kühlers 31 und ein Absperrorgan 32 in einen Druck-Luftspeicher 33, der vorzugsweise von einer unterirdischen Kaverne gebildet ist. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein wasserloser Gleichraumspeicher als Druck-Luftspeicher vorgesehen.
Vom Abzweigpunkt 34 der Rohrleitung 27 führt eine Leitung 35 über ein Absperrorgan 36 zum Eingang der ersten Turbinenstufe 17. Ihr Ausgang ist über die Leitung 37 mit zwischengeschal tetem Rückflußverhinderer 38 am Punkt 39 an die Leitung 24 angeschlossen.
Auf gleiche Weise ist die zweite Turbinenstufe 18 über eine Leitung 41 sowie das Absperrorgan 42 mit dem Abzweigpunkt 40 der Rohrleitung 21 verbunden, während die Ausgangsseite dieser Turbinenstufe über die Ausblasleitung 43 mit dem Außenraum 20 verbunden ist.
Der Vorlaufanschluß des Wärmetauschers 29 und des zweiten Wärmetauschers 23 sind bei Punkt 44 zusammengefaßt und über die Vorlaufleitung 45 mit zwischengeschalteter Pumpe 56 und Absperrorgane 50 und 55 mit etwa der tiefsten Stelle des wärmeisolierten ersten Wärmespeicherraumes 60 verbunden. Dieser Wärmespeicherraum ist für die Aufnahme des erhitzten flüssigen Speichermediums vorgesehen, das im vorliegenden Fall aus besteht.
Die Rücklaufanschlüsse der Wärmetauscher 29 und 23 sind im Punkt 53 zusammengefaßt und genau wie die Vorlaufanschlüsse mit einer Rücklaufleitung 47, einerPumpe 52 und Absperrorgane 5X, 54 mit einem zweiten Wärmespeicherraum 61 in Form eines Behälters verbunden, der für die Aufnahme des kalten Speicher+ mediums vorgesehen ist. Der Rauminhalt des ersten Wärmespeicher raumes 6Q muß entsprechend der Ausdehnung des heißen Öles größer als der zweite Wärmespeicherraum 61 ausgebildet sein.
Die Sekundärseiten des ersten Kühlers 25 und des zweiten Kühlers 31 sind mit einem Kühlmedium, vorzugsweise Wasser, über die Leitungen 48, 49 beaufschlagbar.
Soll mit der Anlage nun Energie gespeichert werden, so wird die Turbine 16 durch Lösen der Kupplung 11 von der elektrischen Maschine 10 getrennt, und die Welle des Verdichters 13 über die Kupplung 12 an die jetzt als Motor arbeitende elektrische Maschine 10 gekuppelt. Gleichzeitig werden die Absperrorgane 36, 42, 54, 55 geschlossen, die Absperrorgane 26, 32, 50 und 51 dagegen geöffnet und die Pumpe 52 sowie die elektrische Maschine 10 in Betrieb genommen. Die jetzt von der ersten Verdichterstufe 14 aus dem Außenraum 20 angesaugte Luft wird nach ihrer Verdichtung über die Leitung 21 und den jetzt öffnenden Rückflußverhinderer 22 der Primärseite des zweiten Wärmetauschers 23 zugeführt, der jetzt als Zwischenkühler dient. Nach dem Entzug der Verdichtungswärme strömt die Luft über den ersten Kühler 25, in welchem Restwärme an das Kühlmedium abgegeben wird, zum Eingang der zweiten Verdichterstufe 15. Nach der zweiten Verdichtung strömt die Luft über die Leitung 27 und den ebenfalls geöffneten Rückflußverhinderer 28 zum Wärmetauscher 29, in welchem die Verdichtung wärme der zweiten Verdichtungsstufe an das Speichermedium abgegeben wird. Im anschließend durchströmten zweiten Kühler 31 wird der verdichteten Luft wiederum nicht nutzbare Restwärme entzogen und an ein Kühlmedium abgegeben. Die im zweiten Kühler 31 abgekühlte Druckluft wird über das geöffnete Absperrorgan 32 dem Druck-Luftspeicher 33 zugeführt und von ihm aufgenommen. Da durch den Entzug der Verdichtungswärme und der im Kreisprozeß nicht nutzbaren Restwärme die Druckluft stark abgekühlt ist, ist bei gegebenem Speichervolumen eine große Masse speicherbar, Da die Pumpe 52 in Betrieb ist, wird das kalte Speichermedium vom zweiten Wärmespeicherraum 61 unter Erwärmung in den parallel geschalteten Wärmetauschern 23, 29 in den ersten Wärmespeicherraum 60 gefördert. Um den Durchfluß durch die Wärmetaugaher einstellen und somit die Wärmeaufnahme regulieren zu können, sind Drosselorgane 59 wie z.B. Absperrschieber in den Anschlüssen der Wärmetauscher vorgesehen.
Nach dem Laden des Luftspeichers 33 werden die elektrische Maschine 10 und die Pumpe 52 abgeschaltet und das Absperrorgan 32 geschlossen, die Anlage befindet sich jetzt im geladenen Zustand.
Um die gespeicherte Energie nutzbar zu machen, wird die Welle der elektrischen Maschine 10 mittels der Kupplung 11 an die Turbine 16 angeschlossen und die Kupplung 12 zum Verdichter gelöst. Gleichzeitig werden die Absperrorgane 32, 36, 42, 54 und 55 geöffnet, die Absperrorgane 26, 50, 51 dagegen geschlossen und die Pumpe 56 in Betrieb genommen. Die verdichtete Luft strömt jetzt aus dem Luftspeicher 33 über den zweiten Kühler 31, den Wärmetauscher 29 und die Leitung 35 zur ersten Turbinenstufe 17. Hier wird die Luft zum Antrieb der Jetzt als Generator arbeitenden elektrischen Maschine 10 teilweise entspannt. Danach strömt die Luft über den Jetzt öffnenden Rückflußverhinderer 38, den ersten KUhler 25, den zweiten Wärmetauscher 23, der Jetzt als Zwischenerhitzer dient, über die Leitung 41 zur zweiten Turbinenstufe 18. Hier wird die Luft bis auf Umgebungsdruck entspannt und über die Ausblasleitung 43 zum Außenraum 20 abgeführt.
Die bei der Entspannung gewonnene Energie wird von der elektrischen Maschine 10, die Jetzt als Generator arbeitet, in elektrische Energie umgewandelt. Durch die Rückflußverhinderer 22 und 28, sowie durch das geschlossene Absperrorgan 26 ist der Verdichter 13 luftseitig vom System getrennt.
Während des Energieausnutzungsbetriebes wird durch die Pumpe 56 das heiße Speichermedium aus dem ersten Wärmespeicherraum 60 abgezogen und über die Wärmetauscher 23, 29 dem zweiten Wärmespeicherraum 61 zugeführt. In den Wärmetauschern gibt das Speichermedium seine Wärme an die verr dichtete Luft ab. In den Kühlern 25 und 31 wird wie im Verdichterbetrieb Restwärme abgeführt.
Fig. 2 zeigt jenen Teil der Anlage gemäß Fig. 1, der links der Linie II - III verläuft. Im Gegensatz zu Fig. 1 wird die Restwärme beim vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht aus der verdichteten Luft abgeführt, sondern dem Speichermedium entnommen. Hierzu ist ein dritter Kühler 58 in der Leitung 47 angeordnet, dem über die Leitungen 48, 49 ein Kühlmittel zuführbar ist.
Fig. 3 zeigt eine weitere Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels in einem Ausschnitt, der entsprechend dem Ausschnitt gemäß Fig. 2 gewählt ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist ein Wärmespeicher in Form eines Heißwasser-Verdrängungsspeichers 62 vorgesehen. Der Heißwasser-Verdrängungsspeicher besteht bevorzugt aus einem stehenden, relativ schlanken, wärmeisolierten Behälter, in dessen oberen Teil das in den Wärmetauschern 23 und 29 erwärmte Speichermedium, bevorzugt Wasser, während der Periode der Energiespeicherung eingeleitet und aus dessen unterem Teil entsprechend kaltes Speichermedium zur Aufheizung entnommen wird.
Infolge der unterschiedlichen spezifischen Gewichte des erwärmten und des nicht erwärmten Speichermediums bildet sich im Verdrängungaspeicher 62 eine als Strich 63 angedeutete Trenrifläche zwischen dem erwärmten und dem nicht erwärmten Speichermedium aus, durch die höchstens ein nur unbedeutender Temperaturausgleich erfolgen kann.
Der Speichermediumkreislauf wird durch eine Umwälzpumpe 57 aufrecht erhalten. Während der Periode der Energiespeichenuig sind im Speichermediumkreislauf die Absperrorgane 50 und 51 geöffnet und die Absperrorgane 54 und 55 geschlossen.
Während der Periode der Energieausnutzung sind dagegen die Absperrorgane 54 und 55 geöffnet und die Absperrorgane 50 und 51 geschlossen. Um Dampfbildung im Verdrängungsspeicher 62 zu verhindern, steht das Speichermedium unter einem entsprechenden Uberdruck.
Um die Anlage auch nach längeren Stillstandsperioden sicher betreiben zu können, sind Einrichtungen vorgesehen, die eine unzulässige Abkühlung des Speichermediums verhindern. Diese Einrichtungen bestehen bevorzugt aus Elektro-Heizgeräten.
Diese der Sicherheit der Anlage dienenden Zusatzeinrichtungen sind in den Figuren 1 bis 3 nicht eingezeichnet, da sie dem Fachmann geläufig sind.

Claims

Patentansprüche: f zum zum zum Speichern und Ausnutzen von Energie unter Verwendung von verdichteter Luft, mit einem wenigstens einen Zwischenkühler aufweisenden mehrstufigen Verdichter, dessen Druckseite unter Einschaltung wenigstens eines die Verdichtungswärme aufnehmenden Wärmespeichers mit einem Luftspeicher verbunden ist, und mit einer mehrstufigen Turbine, die zur Energieausnutzung unter Einschaltung des die Verdichtungswärme abgebenden Wärmespeichers an den Luft speicher angeschlossen ist, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Wärmespeicher (60, 61 62) ein flüssiges Speichermedium aufweist und mit dem Zwischenkühler (23), mit wenigstens einem der Turbine zugeordneten Zwischenerhitzer sowie mit mindestens einem zwischen Verdichter (13) bzw. Turbine (16) und dem Luftspeicher (33) eingefügten Wärmetauscher (29) zur Abgabe bzw. Aufnahme von Verdichtungswärme verbunden ist, wobei zur Abfuhr (z.B. an die Umgebung) der in den Kreisprozessen der Energiespeicherung und-ausnutzung anfallenden, nicht verwertbaren Restwärme mindestens ein Kühler (25, 31; 58) vorgesehen und von der verdichteten Luft und/oder dem Speichermedium beaufschlagt ist.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Zwischenkühler und Zwischenerhitzer gleich ist.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenkühler (23) im Falle der Energieausnutzung als Zwischenerhitzer eingesetzt ist.
4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenkühler (23), der Zwischenerhitzer und der Wärmetauscher (29) speichermediumseitig parallel geschaltet sind,
5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium aus Öl oder Wasser besteht.
6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium oberirdisch gelagert ist.
7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß während der Energiespeicherung sowie-ausnutzung die gleichen Kühler (25, 31; 58) für die Abfuhr der Restwärme eingesetzt sind.
8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verdichtung und Entspannung der Luft die gleichen Maschinen eingesetzt sind.
9. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher mindestens zwei Wärmespeiche3 ,~ räume (60, 61) aufweist, die über die Wärmetauscher (23, 29) miteinander verbunden sind und von denen der eine Wärmespeicherraum für die Aufnahme des erhitzten und der andere Wärmespeicherraum für die Aufnahme des abgekühlten Speichermediums vorgesehen ist (Fig. 1 und 2).
10. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher aus einem Heißwasser-Verdrängungsspeicher (62) besteht (Fig. 3).