DE2701900C2 - - Google Patents

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DE2701900C2
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Hans Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Baden Aargau Ch Pfenninger
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckluftspeicheranlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige Anlage ist bekannt aus der GB-PS 13 56 488. Darin wurde bereits vorgeschlagen, die Luft während des Verdichtungs­ vorganges nicht abzukühlen, um dadurch eine möglichst hohe Ver­ dichterendtemperatur zu erhalten und anschließend die verdich­ tete Luft in einen Wärmespeicher zu leiten, der ihr die Wärme entzieht. Nach dem Wärmeentzug kann dann die gekühlte 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 einer solchen Anlage gewöhnlich einen Druck von 30 bis 60 bar hat, wird der Aufwand für einen oberirdischen Speicher zu groß und zu teuer. Aus diesem Grund werden unterirdische Kaver­ nen zum Speichern von Luft verwendet. Beim Austritt aus dem Ver­ dichter hat die zu speichernde Luft eine Temperatur von etwa 300 bis 500°C. Eine derartige Temperatur wird von den die Kaverne bildenden Gesteinsschichten nicht ausgehalten, selbst eine Aus­ mauerung mit relativ hoch erhitzbaren Gesteinsschichten würde unterhaltsaufwendig sein, dies umsomehr, als während des Ladens und Entladens der Speicherkaverne noch zusätzliche Temperatur­ schwankungen im Wärmespeicher auftreten. Dieser Wärmespeicher, der zwischen dem Verdichter und der Kaverne angeordnet ist, ist in Form einer mit losen Steinen ausgefüllten Kaverne ausgebil­ det. Diese Lösung birgt die Gefahr in sich, daß wie bei der oben besprochenen Hauptkaverne die Wände thermisch zu hoch bean­ sprucht werden könnten.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Druck­ luftspeicheranlage mit Wärmespeicher der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der keine hohen Temperaturen und Temperatur­ schwankungen in der Felswand auftreten.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Zwar ist es aus der DE-PS 17 655 an sich bekannt, heiße Luft durch Zwischenwände so umzuleiten, daß die heißen Winde im we­ sentlichen von innen nach außen strömen. Jedoch betrifft die dortige Anordnung den Winderhitzer einer Hochofenanlage, bei welcher zum einen die Umlenkanordnungen nicht inmitten eines Wärmespeichers angeordnet sind, und bei der zum andern keine Probleme mit thermisch belasteten Begrenzungswänden vorliegen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß durch die Abnahme der Temperatur des Speichermediums zur Fels­ wand hin am gewachsenen Fels nur geringe, nicht rekuperierbare Verluste auftreten.
Dies wird dadurch erreicht, daß die die Zwischenwände umströ­ mende Luft bis zum Erreichen der Felswand die in ihr enthaltene Wärme an das Speichermedium abgegeben hat, wodurch die Felswand relativ kühl bleibt, d. h. eine Maximaltemperatur von 40 bis 80°C erreicht. Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, daß ein Ab­ bröckeln der Felswand durch Hitzeeinwirkung vermieden und da­ durch sichergestellt wird, daß der unterirdische Behälter der Wärmespeicheranlage seine Dichtigkeit behält.
Ferner ist vorteilhaft, wenn die Zwischenwände aus Blech beste­ hen und an Stellen mit hohen Temperaturdifferenzen zwischen den einzelnen Luftkanälen wärmeisoliert sind.
Als besonderer Vorteil hat es sich erwiesen, daß die genannten Zwischenwände an Stellen mit hohen Temperaturdifferenzen mit ei­ ner Wärmeisolierung versehen sind, insbesondere am Eintritt der heißen Luft in die Wärmespeicheranlage, sowie gegenüber dem Austritt aus der Wärmespeicheranlage zur Kaverne.
Günstig ist es, wenn bei der Wärmespeicheranlage das Minimalver­ hältnis der Speicherlänge zum Speicherdurchmesser etwa 2 : 1 be­ trägt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zwischen einem Luftzufüh­ rungsrohr und einer dieses umgebenden Felswand ein Zwischenraum vorgesehen ist, in welchem eine natürliche Luftzirkulation die durch die Wärmeisolation hindurchtretende Wärme nach außen ab­ führt. 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 Erfindungsge­ genstandes schematisch dargestellt, wobei mit 1 zwei Verdichter bezeichnet sind, zwischen welchen ein Kühler 2 angeordnet ist. Zwischen den Verdichtern 1 und einem Motor-Generator 3 ei­ nerseits 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-Genera­ tors 3 mit den Verdichtern 1 erfolgen kann. Zwischen der Gastur­ bine 4 und den Verdichtern 1 sind Leitungen 6 und 6′ vorgesehen, in welchen Absperrorgane 7 und 7′ eingebaut sind. Die Leitungen 6 und 6′ sind mit einem Luftzuführungsrohr 8 verbunden, welches in einen unterirdischen Wärmespeicher 9 führt. Der unterirdische Wärmespeicher 9 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß er aus ei­ ner in den natürlich gewachsenen Felsen gehauenen Kaverne be­ steht. Das isolierte Luftzuführungsrohr 8 führt die von den Verdichtern 1 kom­ mende erhitzte Luft dem Zentrum des Wärmespeichers 9 zu, wobei der Wärmespeicher 9 nach oben durch eine mit dem Luftzuführungsrohr 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 Wärmespei­ chers 9 ist ein Speichermedium 12, vorzugsweise Steine oder künstlich gebrannte und gehärtete Steine angeordnet, zwischen welchen Zwischenwände 13 angeordnet sind. Zwischen den Zwischen­ wänden 13 werden Luftkanäle 14 gebildet, zwischen welchen die heiße Luft von innen nach außen (in Pfeilrichtung) strömt. Da­ bei sind die Luftkanäle 14 so vorgesehen, daß der letzte Kanal zwischen einer der Zwischenwände 13 und der Felswand 11 gebildet wird. An Stellen mit besonders hohen Temperaturdifferenzen, bei­ spielsweise am Lufteintritt und an einer Pralleinrichtung 15, welche die Kaverne des Wärmespeichers 9 gegenüber einer Druck­ luftspeicherkaverne 16 abdeckt, sind die Zwischenwände 13, die Ab­ deckung 10 und die Pralleinrichtung 15 mit einer Wärmeisolie­ rung 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 dem Luftzuführungsrohr 8 sowie der Abdeckung 10 und der diese umgebende Felswand 11 ist ein Zwischenraum 20 vorgesehen, in welchem eine natürliche Luftzirkulation die durch die Wärme­ isolation noch hindurchtretende Wärme nach außen abführt. Am Luftzuführungs­ rohr 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 Kupp­ lung 5 mit dem Verdichter 1 verbunden und treibt diesen an. Gleichzeitig wird die Kupplung 5 zwischen dem Motor-Generator 3 und der Gasturbine 4 gelöst, das Absperrorgan 7′ 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 das Luft­ zuführungsrohr 8 in das Zentrum des im unterirdischen Wärmespei­ cher 9 befindlichen Speichermediums 12, wird zwischen den Zwi­ schenwänden 13 in die Luftkanäle 14 gedrückt und strömt somit von innen nach außen, wobei sie die in ihr enthaltene Wärme an das Speichermedium 12 abgibt. Im letzten Luftkanal 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 Luft­ austritt 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 Luftkanäle 14 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 6′ der über die Kupplung 5 mit dem Motor-Generator 3 gekuppelten Gasturbine 4 zugeleitet wird.
Anstelle eines festen Speichermediums 12, welches aus Natursteinen, aus künstlich ge­ brannten und gehärteten Steinen usw. bestehen kann, kann auch ein mit Flüssigkeit gefülltes Rohrsystem vorgesehen werden. Des weiteren könnten am Verlustwärmekühler 19 nicht dargestellte Rückschlag­ klappen so angeordnet werden, daß die in die Kaverne 16 strö­ mende 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.

Claims (6)

1. Druckluftspeicheranlage mit einem unterirdisch in einer Felswand (11) angeordneten Wärmespeicher (9), der oben ein mittig angeordnetes Luftzuführungsrohr (8) und unten einen Luftaustritt (18) aufweist, und der mit einem Speichermedium (12), insbesondere mit Steinen, gefüllt ist, wobei bei der Speicherung die heiße Druckluft zunächst über das Luftzuführungsrohr (8) durch den Wärmespeicher (9) hindurchleitbar und dann abgekühlt über den Luftaustritt (18) in eine Kaverne (16) einleitbar und bei der Entnahme der Wärmespeicher (9) von der in der Kaverne (16) gesammel­ ten Druckluft in umgekehrter Richtung durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (9) senk­ rechte Zwischenwände (13) aufweist, welche eine Vielzahl von Luftkanäle (14) bilden, und daß die Luftkanäle (14) abwechselnd nacheinander am oberen bzw. unteren Ende strömungsmäßig miteinander verbunden sind, wobei die in der Mitte eingeleitete heiße Druckluft den Wärmespeicher (9) in radialer Richtung nach außen und abwechselnd nacheinander von unten nach oben bzw. umgekehrt durchströmt.
2. Druckluftspeicheranlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zwischenwände (13) aus Blech bestehen.
3. Druckluftspeicheranlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zwischenwände (13) an Stellen mit hohen Temperaturdifferenzen zwischen den einzelnen Luftka­ nälen (14) wärmeisoliert sind.
4. Druckluftspeicheranlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis Speicherlänge zu Speicher­ durchmesser mindestens 2 : 1 ist.
5. Druckluftspeicheranlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Luftzuführungsrohr (8) und der dieses umgebenden Felswand (11) ein Zwischenraum (20) vor­ gesehen ist.
6. Druckluftspeicheranlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Luftaustritt (18) aus dem Wärmespeicher (9) ein Verlustwärmekühler (19) angeordnet ist.
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