DE2701900A1 - Druckluftspeicheranlage - Google Patents
DruckluftspeicheranlageInfo
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Description
Hw/Ca 22.12.76
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
DruckluftSpeicheranlage
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckluftspeicheranlage
mit einem Wärmespeicher zur Speicherung von in Druckluft enthaltener Wärme mit Weiterleitung der Druckluft in
unterirdische Kavernen.
Es ist bekannt, anstelle von Flüssigkeiten Druckluft als Speichermedium zur Speicherung von Energie zu verwenden.
Die bekannten DruckluftSpeicheranlagen speichern zur
Schwachlastzeit Druckluft und verwenden diese in der
Spitzenlastzeit zur Erzeugung von zusätzlicher Spitzenlastenergie.
Um bei diesen bekannten Anlagen die gespeicherte Energie während deren Expansion zu vergrössern, wird die Luft vor
der Entspannungsturbine durch Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen erhitzt.
Dies hat gegenüber den hydraulischen Pumpspeicherwerken
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den Nachteil, dass für die Speicherung von Energie zusätzlicher Brennstoff erforderlich ist.
Es wurde auch bereits vorgeschlagen, die Luft während des Verdichtungsvorganges nicht abzukühlen, um dadurch eine
möglichst hohe Verdichterendtemperatur zu erhalten und anschliessend die verdichtete Luft in einen Wärmespeicher zu
leiten, der ihr die Wärme entzieht. Nach dem Wärmeentzug kann dann die kalte Luft in einem Druckluftspeicher gespeichert
werden. Vor der Entspannung der Luft in der Gasturbine erfolgt eine Erwärmung der Luft im gleichen Wärmespeicher
in umgekehrter Strömungsrichtung.
Da die Luft in diesen bekannten Anlagen gewöhnlich einen Druck von 30 bis 60 bar hat, wird der Aufwand für oberirdischen
Speicher zu gross und zu teuer. Aus diesem Grunde werden heute unterirdische Kavernen zum Speichern von Luft ver
wendet. Beim Austritt aus dem Verdichter hat die zu spei chernde Luft eine Temepratur von etwa 300 bis 500° C. Eine
derartige Temperatur wird von den die Kaverne bildenden Ge steinsschichten nicht ausgehalten, selbst eine Ausmauerung
mit relativ hoch erhitzbaren Gesteinsschichten würde unterhalt sauf wendig sein, dies umsomehr, als während des Ladens
und Entladens der Speicherkaverne noch zusätzliche Temperaturschwankungen im Wärmespeicher auftreten.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Druckluftspeicheranlage
mit Wärmespeicher zu schaffen, welche ohne zusätzlichen Brennstoff betrieben wird und welche einfach
und billig herzustellen ist und welche so ausgebildet ist, dass keine hohen Temperaturen und Temperaturschwankungen
in-der Felswand auftreten.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst,
dass innerhalb der Wärmespeicheranlage zwischen einem Speichermedium, insbesondere Steinen, Zwischenwände vorgesehen
sind, welche eine Vielzahl von Luftpassagen bilden, durch welche die im Zentrum der Wärmespeicheranlage einströmende
heisse Druckluft im wesentlichen von innen nach aussen fliesst, dabei abkühlt und in die Kaverne weiterströmt
.
Der Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung besteht darin,
dass die Zwischenwände zwischen dem Speichermedium, insbesondere zwischen Steinen, so angeordnet sind, dass die einströmende
Luft gezwungen wird, von innen nach aussen das Speichermedium zu durchfliessen und ihre Wärme an dieses abgibt.
Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Erfindungsgegenstandes
sind die Luftpassagen so angeordnet, dass als äusseren Begrenzung der letzten Passage eine Felswand
dient.
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Dadurch wird erreicht, dass die die Zwischenwände umströmende Luft bis zum Erreichen der Felswand die in ihr enthaltene
Wärme an das Speichermedium abgegeben hat und somit die Felswand relativ kühl bleibt, d.h. eine Maxiinaltemperatur von
40 bis 80° C erreicht. Durch diese Massnahme wird gewährleistet,
dass ein Abbröckeln der Felswand durch Hitzeeinwirkung vermieden und dadurch sichergestellt wird, der der unterirdische
Behälter der Wärmespeicheranlage seine Dichtigkeit behält.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Zwischenwände aus Blech bestehen und an Stellen mit hohen Temperaturdifferenzen zwischen
den einzelnen Luftpassagen wärmeisoliert sind.
Als besonderer Vorteil hat es sich erwiesen, dass die genannten Zwischenwände an Stellen mit hohen Temperaturdifferenzen
mit einer Wärmeisolierung versehen sind, insbesondere am Eintritt der heissen Luft in die Wärmespeicheranlage,
sowie gegenüber dem Austritt aus der Wärmespeicheranlage zur Kaverne.
Gemäss einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgegenstandes
werden als Speichermedium künstlich gebrannte und gehärtete Steine vorgesehen.
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Die Verwendung von künstlich gebrannten und gehärteten Materialien
als Speichermedium ermöglicht es, den Innenraum der Wärmespeicheranlage mit gleichmässigen Zwischenräumen für
den Luftdurchtritt auszufüllen, da die künstlich gebrannten und gehärteten Steine den Erfodernissen gemäss geformt werden
können.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn bei der erfindungsgemässen Wärmespeicheranlage das Minimal-Verhältnis
der Speicherlänge zum Speicherdurchmesser etwa 2:1 beträgt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zwischen einem Luftzuführungsrohr
und einer dieses umgebenden Felswand ein Zwischenraum vorgesehen ist, in welchem eine natürliche
Luftzirkulation die durch die Wärmeisolation hindurchtretende Wärme nach aussen abführbar ist.
Dadurch wird vermieden, dass die Felsen ausserhalb des zentralen heissen Luftzuführungsrohres aufgeheizt werden und
Wärmespannungen im Fels auftreten.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
schematisch dargestellt, wobei mit 1 zwei Ver dichter bezeichnet sind, zwischen welchen ein Kühler 2 an
geordnet sein kann. Zwischen den Verdichtern 1 und einem
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Motor-Generator 3 einerseits und einer Gasturbine 4 andererseits sind Kupplungen 5 vorgesehen, durch welche ein
wahlweises Zusammenkuppeln der Gasturbine 4 mit dem Motor-Generator 3» oder des Motor-Generators 3 mit den Verdichtern
1 erfolgen kann. Zwischen der Gasturbine 4 und den Verdichtern 1 sind Leitungen 6 und 61 vorgesehen, in welchen
Absperrorgane 7 und 7' eingebaut sind. Die Leitungen 6 und 61 sind mit einer isolierten Leitung 8 verbunden,
welche in einen unterirdischen Wärmespeicher 9 führt. Der unterirdische Wärmespeicher 9 ist vorzugsweise so ausgebildet,
dass er aus einer in den natürlich gewachsenden Felsen gehauenen Kaverne besteht. Die isolierte Leitung 8
führt die von den Verdichtern 1 kommende erhitzte Luft dem Zentrum des Wärmespeichers zu, wobei der Wärmespeicher
9 nach oben durch eine mit der isolierten Leitung 8 verbundene Abdeckung 10 überdeckt ist. Die Abdeckung 10 kann
vorteilhafterweise weiter nach unten gezogen werden, bis sie mit einer Felswand 11 zusammentrifft und nach oben abdichtend
mit dieser verankert ist. Innerhalb des unterirdischen Wärmespeichers 9 ist ein Speichermedium 12, vorzugsweise
Steine oder künstlich gebrannte und gehärtete Steine angeordnet, zwischen welchen Zwischenwände 13 angeordnet
sind. Zwischen den Zwischenwänden 13 werden Luft passagen 14 gebildet, zwischen welchen die heisse Luft von
innen nach aussen (in Pfeilrichtung) strömt. Dabei sind die Luftpassagen 14 so vorgesehen, dass die letzte Passage
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zwischen einer der Zwischenwände 13 und der Felswand 11 gebildet wird. An Stellen mit besonders hohen Temperaturdifferenzen,
beispielsweise am Lufteintritt und an einer Pralleinrichtung 15, welche die Kaverne des Wärmespeichers 9
gegenüber einer Druckluftspeicherkaverne 16 abdeckt, sind die Zwischenwände 13, die Abdeckung 10 und die Pralleinrichtung
15 mit einer Wärme-Isolierung 17 versehen. An einem Luftaustritt 18 aus dem Wärmespeicher 9 in die Druckluftspeicherkaverne
16 sind Verlustwärmekühler 19 angeordnet, welche die eventuell noch vorhandene Verlustwärme vor dem Eintritt
in die Druckluftspeicherkaverne 16 absorbieren.
Zwischen der isolierten Leitung 8 zur Luftzuführung in den Wärmespeicher 9, sowie der Abbdeckung 10 und der diese umgebenden
Felswand 11 ist ein Zwischenraum 20 vorgesehen, in welchem eine natürliche Luftzirkulation die durch die
Wärmeisolation noch hindurchtretende Wärme nach aussen abgeführt werden kann. An der isolierten Leitung 8 ist weiterhin
eine Schutzabdeckung 21 angeordnet, welche das Eindringen von Regenwasser oder Schnee in den Zwischenraum 20 und
somit in den Wärmespeicher 9 verhindert.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Druckluftspeicheranlage
mit Wärmespeicher ist folgende:
Bei Schwachlastzeiten wird der Motor-Generator 3 über die
Kupplung 5 mit dem Verdichter 1 verbunden und treibt diesen
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JO
an. Gleichzeitig wird die Kupplung 5 zwischen dem Motor-Generator 3 und der Gasturbine *J gelöst, das Absperrorgan 71
in der Leitung 6' geschlossen und das Absperrorgan 7 in der Leitung 6 geöffnet. Die im Verdichter 1 verdichtete und erhitzte
Luft gelangt über die Leitung 6 und das geöffnete Absperrorgan 7 durch die isolierte Leitung 8 in das Zentrum
des im unterirdischen Wärmespeicher 9 befindlichen Speichermediums 12, wird zwischen den Zwischenwänden 13 in
die Luftpassagen I1I gedrückt und strömt somit von innen nach
aussen, wobei sie die in ihr enthaltene Wärme an das Speichermedium
12 abgibt. In der letzten Luftpassage 14 strömt sie zwischen der Felswand 11 und der letzten Zwischenwand
13 nach unten, durchströmt die Verlustwärmekühler 19, an welchen sie die noch vorhandene Verlustwärme abgibt und
gelangt durch den Luftaustritt 18 in die Druckluftspeicherkaverne
16.
Bei Spitzenlastzeiten mit einem zusätzlichen Energiebedarf wird die in der unterirdischen Kaverne 16 gespeicherte Luft
durch den Wärmespeicher 9 nach oben geleitet, wobei sie wiederum die Luftpassagen I1I in umgekehrter Richtung durchströmen
muss, dabei die im Speichermedium 12 gespeicherte Wärme aufnimmt und durch die isolierte Leitung und das nun
geöffnete Absperrorgan 7' und die Leitung 61 der über die
Kupplung 5 mit dem Motor-Generator 3 gekuppelten Gasturbine 4 zugeleitet wird.
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Die vorstehend beschriebene Ausbildung der Druckluftspeicheranlage
mit Wärmespeicher ist auf das in der Zeichnung Dargestellte nicht beschränkt. So könnte beispielsweise anstelle
eines festen Speichermediums 12, welches aus Natursteinen, aus künstlich gebrannten und gehärteten Steinen usw. bestehen
kann, auch ein mit Flüssigkeit gefülltes Rohrsystem vorgesehen werden. Des weiteren könnten am Verlustwärmekühler
19 nicht dargestellte Rückschlagklappen so angeordnet werden, dass die in die Kaverne 16 strömende Druckluft
durch den Restwärmekühler 19 gezwungen wird, während beim
Rückströmen die Druckluft aus der Kaverne 16 den Restwärmekühler 19 umgeht. Derartige Rückschlagklappen würden einen grösseren Druckabfall der Druckluft verringern.
Rückströmen die Druckluft aus der Kaverne 16 den Restwärmekühler 19 umgeht. Derartige Rückschlagklappen würden einen grösseren Druckabfall der Druckluft verringern.
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Claims (8)
1.) Druckluftspeicheranlage mit einem Wärmespeicher zur Speicherung
von in Druckluft enthaltener Wärme mit Weiterleitung der Druckluft in unterirdische Kavernen, dadurch gekennzeichnet,
dass innerhalb der Wärmespeicheranlage (9) zwischen einem Speichermedium (12), insbesondere Steinen,
Zwischenwände (13) vorgesehen sind, welche eine Vielzahl von Luftpassagen (14) bilden, durch welche die im Zentrum
der Wärmespeicheranlage (9) einströmende heisse Druckluft im wesentlichen von innen nach aussen fliesst, dabei abkühlt
und in die Kaverne (15) weiterströmt!
2. Druckluftspeicheranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Luftpassagen (14) so angeordnet sind, dass als äussere Begrenzung der letzten Passage (14) eine
Felswand (11) dient.
3· Druckluftspeicheranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Zwischenwände (13) aus Blech bestehen.
4. Druckluftspeicheranlage nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Zwischenwände (13) an Stellen mit hohen Temperaturdifferenzen zwischen den einzelnen Luft-P0
passagen (14) wärmeisoliert sind.
809826/0453
ORIGINAL INSPECTED'
BBC Baden 124/76
5. Druckluftspeicheranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Speichermedium (12) künstlich gebrannte und gehärtete Steine sind.
6. Druckluftspeicheranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Minimal-Verhältnis Speicherlänge zu Speicherdurchmesser etwa 2:1 ist.
7. Druckluftspeicheranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen einem Luftzuführungsrohr (8) und einer dieses umgebenden Felswand (11) ein Zwischenraum
(20) vorgesehen ist, in welchem durch natürliche Luftzirkulation die durch die Wärmeisolation (17) hindurchtretende
Wärme nach aussen abführbar ist.
8. Druckluft speicheranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass am Luftaustritt (18) aus dem Wärmespeicher
(9) ein Verlustwärmekühler (19) angeordnet ist.
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
809826/0453
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