DE2757306A1

DE2757306A1 - Energiespeicher

Info

Publication number: DE2757306A1
Application number: DE19772757306
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Jakobi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-12-22
Filing date: 1977-12-22
Publication date: 1979-07-05

Description

Knergie speicher
Vorliegende Erfindung bezieht sich auf Energieerzeugungsanalgen, bei denen durch Sonnenenergie oder Windenergie Strom erzeugt wir Eines der wesentlichsten Probleme bei der Erzeugung von Strom durch Sonnenenergie oder durch Windkraftwerke ist die Spelcherun<" voll Energie für Zeiten ohne Sonnenschein und ohne Wind.
Die Speicherung von Sonnenenergie ist heute vorwiegend in der Art üblich, daß die von den Solarzellen aufgenommene Sonnenstrahlung als Wärme mit einer Temperatur gespeichert wird, die der in den Solarzellen erzeugten Temperatur entspricht. Für Heißwassersoeicher, wie heute allgemein zur Speicherung von Sonnenenergie verwendet werden, beträgt die Speichertemperatur etwa 370 Kelvin (K) Mit einer unteren Nutzungstemperatur von etwa 300 °(K) ergibt sie damit ein Nutzungsbereich von etwa 70 Celsius (C).
Zur Speicherung größerer Energiemengen sind dementsprechend groß= volumige Speicher arforderlich. Außerdem ist es nicht möglich, mit Wärme in diesem Temperaturbereich aus Wasser Dampf zu erzeugen, mit dem eine Dampfkraftmaschine üblicher Bauart zur Erzeugung von Stroh betrieben werden kann.
Die Speicherung von Strom, der mit einer Windkraftanlage erzeugt wurde, geschieht heute allgemein in Stromakkumulatoren. Diese Art der Speicherung von Strom ist jedoch teuer und aufwendig. Sie wird deshalb nur angewendet, wenn die Stromkosten von untergeordneter Bedeutung sind.
Vorliegende Erfindung hatte nun die Aufgabe zu lösen, eine Art der Energiespeicherung zu entwickeln, die es ermöglicht, daß die von den Sonnenkollektoren aufgenommene Värmeenergie oder die von Wind= kraftanlagen erzeugte Stromenergie einfach, wirtschaftlich und praktikabel gespeichert und Jederezeit wieder einfach, wirtschalt= lich und praktikabel dem Speicher zur Nutzung entnommen werden kann Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß so gelöst, daß mit einem Sonnenkraftwerk bei Sonnenschien jewiels mehr Strom erzeugt wir<l, wie durchschnittlich zur unmittelbaren Nutzung abgenommen wird.
Mit dem unmittelbar nicht benötigten Strom wird ein Wärmespeicher auf eine Temperatur über 500 O(K) erhitzt.
Mit der in diesem Temepraturbereich gespeicherten Wärme ist es nun möglich, bei Bedarf Dampf zum Antrieb einer Dampfkraftmaschine zu erzeugen, die mittels eines elektrischen Generators Strom erzeugt.
Ebenso wird der von einer Windkraftanlage erzeugte und unmittelbar nicht benötigte Strom zum Aufheizen eines Wärmespeicher verwendet, mit dessen so gespeicherter Wärme bei Bedarf Dampf zum Antrieb einer Dampfkraftmaachine erzeugt werden kann.
Dabei ist es grundsätzlich möglich, daß ein Wärmespeicher nur vom Strom eines Sonnenkraftwerkes oder nur vom Strom eines Windkraftwerkes aufgeheizt wird. Besonders vorteilhaft hüfte es jedoch sein, wenn ein Sonnenkraftwerk und ein Windkraftwerk gemeinsam einen Wärmespeicher aufheizen. Dadurch wird eine bestmögliche Nutzung des Värmespeichers und der Dampfkraftmaschine erreicht, besonders dann wenn die Dampfkraftmaschine des Sonnenkraftwerkes identisch ist mit der Dampfkraftmaschine, die mit Dampf'aus der Wärme des Wärmer speichers betrieben wird.
Andererseits kann es jedoch von Vorteil sein, wenn das Sonnenkraft= werk und der Wärmespeicher jeweils eine eigene Dampfkraftmaschine zur Stromerzeugung haben. Das ist dann gegeben, wenn das Sonnen kraftwerk mit einem Medium mit niedrigem Siedepunkt, zum Beispiel mit Frigen , betrieben wird, während die von der Wärme des Wärme= speichers betriebene Dampfkraftmaschine mit Wasserdampf hoher Temperatur betrieben wird.
Wärmespeicher für Temperaturen über 500 ° (K) werden vorzugsweise aus Feststoffen hergestellt. Sie können dabei auf sehr hohe Tempe= raturen erhitzt werden, wobei Speichertemperaturen bis 1100 0 (K) noch üblich sind.
Durch die Speicherung von Wärmeenergie mit so hoher Temperatur ist es möglich, große Energiemengen mit einem großen Temperatur -Nutzungsbereich in Speichern mit relativ kleinen Abmessungen zu speichern. Legt man beispielweise zugrunde, daß eine unterste Speichertemperatur von 500 0 (K) zur Erzeugung von Niederdruck -Dampf zu Antrieb einer Dampfkraftmaschine noch ausreicht, dann beträgt ait 1100 ° (K) maximaler Speichertemperatur der Temperatur -Nutzungsbereich bis zu 600 ° (C) Wärmespeicher aus Feststoffen zur Speicherung von Wärmeenergie aus Stroh sind in der Form von Nachtspeicheröfen bekannt. Sie besteher aus eine. hitzebeständigen Material mit einer möglichst hohen spezifischen Wärme und einer möglichst hohen Dichte.
rUr Wärmespeicher zur Speicherung von Wärme energie aus Strom entsprechend vorliegender Erfindung kommt vorzugsweise Beton mit Zuschlagstoffen wie Hochofenschlacke oder sonstigen Stein- und Kiesarten in Frage. Es können jedoch auch andere geeignete Materi= alien, wie zum Beispiel Gips oder Schamotte verwendet werden.
Außerdem ist es möglich derartige Wärmespeicher aus lose auges schüttetei Material, zum Beispiel verschiedene Sand- oder Kies= arten, herzustellen.
Die Ummantelung des Wärmespeichers erfolgt durch Ummantelung mit hitzebeständigen Isolierstoffen bekannter Art. Dabei besteht der Isoliermatel vorzugsweise aus mehreren Schichten, von denen jede eine andere Temperaturbeständigkeit und eine andere Wärmeleit= fähigkeit hat. So kann es vorteilhaft sein, wenn die innerste Isolierschicht eine möglichst hohe Temperaturbeständigkeit hat, während die äußerste Schicht eine möglichst hohe Wärmedämmung besitzt.
Des Weiteren ist es Vorteilhaft, den Wärmespeicher aus mehreren, voneinander unabhänigen, gegenceitig isolierten Zellen aufzubauen. Daiit wird es möglich, ketnere Einheiten einzeln aufzu= heizen und die Wärmeenergie zur Dampferzeugung einzeln wieder zu entnehmen.
Bei Wärmespeichern, die gemeinsam vom Strom eines Sonnenkraft= werkes und vom Strom eines Windkraftwerkes aufgeheizt werden, kann es zweckmäßig sein, wenn für den Strom von Sonnenkraftwerk und vom Windkraftwerk jeweils eigene Heizstäbe im Wärmespeicher angeordnet sind.
Damit kann jedes Kraftwerk unabhängig vom anderen, gegebenenfalls mit verschiedenen Spannungen und Frequenzen1 den Wärmespeicher aufheizen.
Das Aufheizen des Wärmespeichers geschieht vorzugsweise durch eingelegte ljeizstäbe. Es sind Jedoch auch andere Arten der Auf heizung, zum Beispiel durch Bestrahlung oder Mikrowellen , möglich.
Daneben sind in die Wärmespeicher Rohre eingebettet1 in denen entweder der Dampf zum Antrieb der Dampfkraftmaschine unmittelbar erzeugt wird oder, wenn die Dampferzeugung mittelbar über ein Wärmetauschmedium in einem Wärmetauscher erfolgt, das Värmetaunchmediums erhitzt wird. Diese kann entweder ein erhitztes Gas , zum Beispiel Stickstoff , erhitzte Luft oder eine Flüssigkeit mit sehr hohem Siedepunkt sein.
Gegebenenfalls ist es möglich, die Rohre selbst als Heizelemente, die durch Strom erhizt werden, zum Aufheizen des Wärmespeichers zu verwenden.
Die Solarzellen für ein Sonnenkraftwerk, von dem Znergie in der erfindungsgemäßen Art gespeichert wird1 sind zweckmäßigerweise so aufgebaut, daß mit der von Ihnen aufgenommenen Sonnenstrahlung Wärme von so hoher Temperatur erzeugt wird, daß damit Dampf zuu unmittelbaren Antrieb einer Dampfkraftmaschine hergestellt werden kann. Die Erzeugung des Dampfes kann dabei unmittelbar in den Solarzellen oder mittelbar über einen Wärmetauscher erfolgen.
Bei der Stromerzeugung in einem Windkraftwerk bestimmt weitgehend die Drehzahl des Windrades die Stromspannung und die Frequenz.
Die Drehzahl des Windrades wiederum ist abhängig von der Windgeschwindigkeit. Diese kann jedoch in sehr kurzen Zeitabständen erheblich schwanken. Um die'Spannung und die Frequenz eines Windkraftwerkes konstant zu halten, sind allgemein sehr aufwendige und schwierige Regel- und Verstelleinrichtungen zur Einhaltung der Drehzahl des Windrades erforderlich.
Wird jedoch der gesamte, von einer Windkraftanlage erzeugte Strom nur zum Aufheizen eines Wärmespeichers entsprechend vorliegender Erfindung verwendet, sind Schwankungen in der Stromspannung und frequenz von geringerer Bedeutung.
Die Erzeugung von Nutzstrom erfolgt dann nur durch Dampf, der mittels der Wärme des Värmespeichers hergestellt wurde.
Damit kann die Windkraftanlage einfach und preiswert ausgerührt werden.
Zur bestmöglichen Ausnutsung des Wärmespeichers kann es nützlich sein, wenn er im Verbundsyct* mit extern bezogene Strom anderer Kraftwerke, der von diesen zur unmittelbaren Nutzung nicht abge= nommen wird, zusätzlich aufgeheizt wird. Dabei kann es sich um Kraftwerke verschiedenster Art , wie Wasserkraftwerke , Atomkraftwerke und Wärmepumpenkraftwerke handeln.
Mit der Türme des Wärmespelchers wird allgemein Dampf mit wesentlich höherer Temperatur und damit höherem Druck erzeugt werden können, wie durch die unmittelbare Wärme der Solarzellen. Damit kann es vorteilhaft sein, wenn der durch die Wärme der Solarzellen erzeugte Dampf mittels der Wärme des Wärmespeichers weiter erhitzt wird. Gegebenenfalls kann eine höhere Temperatur des Solarzellen -Dampfes auch dadurch erreicht werden, daß er mit Heißdampf vom Wärmespeicher gemischt wird. Durch Dampf mit höherer Temperatur und höherem Druck wird der Betrieb von Dampfkraftanlagen je Leistungseinheit günstiger.
Die Erfindung und vorteilhafte hinzelheiten werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine Anlage, der Erfindung entsprechend, bei der im Sonnenkollektor unmittelbar Dampf erzeugt wird, Fig. 2 eine Anlage nach Fig. 1, bei der die Dampferzeugung mittelbar durch WSrmeaustausch mit der vom Sonnenkollektor erzeugten Wärme geschieht und Fig. 3 die prinzipielle Ausführung eines Wärmespeichers.
Entsprechend Fig. 1 saugt eine Pumpc 1 aus einem Rückktihler 2 die Verdampfungsflüssigkeit 3 und pumpt diese zu den Solarzellen 4, wo mit der durch die Sonnenstrahlung gesammelten Wärme Dampf erzeugt wird. Mit diesem Dampf 5 wird dann eine Dampfkraftmaschine 6 betrieben, die wiederum mit einem elektrischen Generator 7 gekuppelt ist. Der vom Generator erzeugte Strom wird teilweise zum unmittelbaren Verbrauch 8 abgegeben und der Rest 9 zur Aufheizung des Wärmespeichere lo mittels i!eizstäben 11 verwendet. Anstatt der Erhitzung durch Heizstäbe sind auch andere Methoden der Erhitzung, z. B.
durch Bestrahlung, möglich.
Es kann jedoch auch der gesamte vom Generator erzeugte Strom zum unmittelbaren Verbrauch abgegeben oder zur Aufheizung des Wärmespeichers verwendet werden. Die jeweils gewünscht Aufteilung erfolgt hierzu in einem Schaltschrank 12. Der in der Dampfkraftmaschine entspannte und abgekühlte Dampf wird zur völligen Verflüssigung in den Rückkühler 2 geleitet.
Der vom Windkraftwerk 13, das in vorliegendem Beispiel parallel zum Sonnenkraftwerk Strom erzeugend gezeichnet ist, erzeugte Strom wird vorzugsweise zum Aufheizen des Wärmespeichere lo verwendet.
Soll nun mittels der Speicherwärme Dampf erzeugt werden, wird mit den Ventilen 14, 15 und 16 der Wasser-/Dampfkreislauf so geschaltet, daß die Pumpe 1 das aus dem Rückkühler 2 angesaugte Wasser dem Wärmespeicher lo zur Dampferzeugung für den Betrieb der Dampfkraftmaschine 6 zuleitet.
Soll andererseits der von den Solarzellen erzeugte Dampf durch den Wärmespeicher weiter erhitzt werden, dann wird hierzu der erforderliche Kreislauf durch die Ventile 17, 15, 16 entsprechend gesteuert.
Zum Start der Anlage oder für anderweitige Bedarfsfälle ist eine auf der Basis von Primärbrennstoffen arbeitende Dampferzeugungsanlage 18 vorgesehen, deren Flüssigkeits-/Dampfkreislauf mit den Ventilen 19 und 20 gesteuert wird.
In Fig. 2 ist eine Anlage ähnlich der Anlage nach Fig. 1 dargestellt. Sie unterscheidet sich von dieser darin, daß die Solarzelle einen in sich geschlossenen, von der Sonnenenergie erwärmten Flüssigkeitskreislauf hat und der Wärmeaustausch an den Flüssigkeits-/Dampfkreislauf zur Erzeugung von Dampf über einen Wärmetauscher 21 erfolgt.
In Fig. 3 ist eine mögliche Ausführungsform für einen Wärmespeicher schematisch dargestellt. danach besteht der Wärme speicher aus mehreren, voneinander isolierten Zellen 22, 22', 22" und so fort. Den Zellen wird der Strom zum Aufheizen über einen jeweils der Zelle zugeordneten Schalter 23. 23', 23" und so fort zugeführt. Dabei können beliebig viele Schalter ein- oder ausgeschaltet sein.
Gleichermaßen kann der durch die Wärme der Speicherzellen erzeugte Dampf nur von einer Zelle oder von beliebig vielen Zellen zusammengefaßt der Dampfkraftmaschine zugeführt werden.
Die entsprechende Steuerung hierzu erfolgt Uber die Ventile 24.
24', 24" und so fort.
L e e r s e i t e

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Wärmespeicher für ein mit Sonnenenergie oder Windenergie betriebenes Stromkraftwerk, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Sonnenkraftwerk oder der vom windkraftwerk erzeugte, zum unmittelbaren Verbrauch nicht benötigte Strom (9) zum Aufheizen des Wärmespeichers (lo) auf eine Temperatur über 500 kelvin dient und daß mit der so im Wärmespeicher gespeicherten Wärme wieder Dampf (5) zum Antrieb einer Dampfkraftmaschine (6) beliebiger Bauart erzeugt wird.
2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch Sonnenenergie betriebene Kraftwerk ein Dampfkraftwerk ist und die Dampfkraftmaschine (6), welche durch den Dampf (5) der Sonnenenergie betrieben wird, identisch ist mit der Dampfkraftmasch$ne, welche durch den Dampf des Wärmespeichers betrieben wird.
3. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Dampf der Sonnenenergie betriebene Dampfkraftmaschine (6) eine andere ist als die vom Dampf (5) des Wärmespeichers (lo) betriebene.
4. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Sonnenenergie erzeugte Dampf durch die Wärme des Wärmespeichern (io) weiter erhitzt werden kann.
5. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Sonnenenergie erzeugte Dampf (5) mit dem von der Wärme des Wärmespeichers (lo) erzeugten Dampf gemischt wird.
6. Wärmespeicher nach Ansprüchen 1 - 5, dadurch gekennzeichnet.

daß die Dampferzeugung durch die Wärme des Wärmespeichers (lo) durch unmittelbaren Wärmeaustausch im Wärmespeicher erfolgt.
7. Wärmespeicher nach Ansprüchen 1 - 5, dadurch gekennzeichnet.

daß die Dampferzeugung durch die Wärme des Wärmespeichers (lo) mittelbar über einen dem Wärmespeicher nachgeschalteten Wärmetauscher erfolgt.
8. Wärmespeicher nach Ansprüchen 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Wärme eines Wärmespeichers (lo) mehrere Dampfkraftmaschinen (6) betrieben werden.
9. Wärmespeicher nach Ansprüchen 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Dampfkraftmaschine (6) mehrere, parallel geschaltete Stromgeneratoren (7) antreibt.
lo. Wärmespeicher nach Ansprüchen 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (lo) aus beliebig vielen, voneinander isolierten Zellen (22) besteht, wobei jede einzelne Zelle unabhängig von den anderen aufgeheizt und zur Dampferzeugung herangezogen werden kann.
11. Wärmespeicher nach Ansprüchen 1 - lo, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung des Wärmespeichers (lo) aus mehreren Schichten besteht, die jeweils in ihrer Dichte, ihrer Temperaturbeständigkeit und ihrer Wärmeleitfähigkeit verschieden sind.
12. Wärmespeicher nach Ansprüchen 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Sonnenkraftwerk und das durch die Wärme des Wärme speichers (lo) betriebene Kraftwerk mit verschiedenen Medien zur Dampferzeugung arbeiten.
13. Wärmespeicher nach Ansprüchen 1 - 12, dadurch gekennzeichnet1 daß der Wärmespeicher (lo) mit Strom (9) aufgeheizt wird, der von anderen, externen, ihm nicht unmittelbar zugeordneten Kraftwerken beliebiger Art kommt.