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Thermodynamisches Verfahren zur Aufspeicherung von Energie Es ist
bekannt, daß man zeitweise überschüssige Energie durch Aufspeicherung und Wiedergewinnung
zu anderer Zeit auf die Weise verwendbar machen kann, daß man durch eine Wärmepumpe
Dampf aus einem unteren Speicher unter Abkühlung desselben ansaugt, ihn komprimiert
und dann in einem unter höherer Temperatur und Druck stehenden Oberspeicher niederschlägt,
worauf dieser Oberspeicher durch eine Dampfturbine entladen wird, deren Abdampfwärme
wiederum dem eben erwähnten Unterspeicher zugeführt wird. Es entsteht ein cyclischer
thermodynamischer Prozeß, dessen Wirkungsgrad etwa bei 5o °/o liegt. Da solche Anlagen
grundsätzlich von natürlichen Gegebenheiten, im Gegensatz zu hydraulischen Pumpspeicherungen,
unabhängig sind, kann man sie zur Verminderung der Verteilungskosten der elektrischen
Energie in die Versorgungsgebiete der Städte hineinschieben, womit sie eine Lage
bekommen, wie man sie für Heizungszentralen auch wünscht. Das wesentliche der im
folgenden. beschriebenen Erfindung besteht nun darin, daß eine Kombination einer
Städteheizungsanlage mit einer Speicheranlage von Überschußenergie vorgenommen wird,
bei welcher die Verluste des Speicherungsverfahrens als Wärme mit zur Heizung herangezogen
werden und die Einrichtungen zur Umwandlung der Überschußenergie in Wärme und Speicherung
zum Teil dieselben sind, wie sie für die Energiespeicherung bereits gebraucht werden.
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Die Heizung mittels elektrischer Energie, besonders wenn sie aus Dampfwerken
erzeugt wird, gilt im allgemeinen als wenig wirtschaftlich. Die Fortschritte der
Dampftechnik, welche gestatten, einen thermischen Wirltungsgrad von 30 °/o für nachts
zusätzlich erzeugte Energie sicher zu erreichen, haben die Lage bereits gegen einen
früheren Stand der Technik verschoben. Nimmt man jetzt noch die kostenlose Verlustwärme
der thermodynamischen Energiespeicherung hinzu, so kann man: je nach dem Gesamtumfang
der Heizungsanlage ein Verhältnis zu der zur Verfügung stehenden Verlustwärme mit
wirtschaftlichen Wärmewirkungsgraden vorn 40, 5a oder 6o °/o rechnen. Auch bei einer
Erhöhung nur auf q.o °/o, also im Verhältnis zur Verlustwärme größerer Heizungsanlagen,
wird unter Berücksichtigung dessen, daß der Brennstoff innerhalb der Stadt in der
Regel wesentlich teuerer als in den Hauptkraftwerken sein wird und die elektrische
Heizung praktisch keine Bedienung und Unterhalt verlangt, schon eine Gleichheit
oder Unterschreitung der Betriebskosten mit einer kohlenbetriebenen Warmwasser-
oder Dampfheizung erreicht werden können. Die Freiheit von Rauch und Staub ist ein
weiterer Vorzug.
Die Vorteile werden noch erheblich größer, wenn
es gelingt, die Speicher, die zur thermodynämischen Speicherung notwendig sind,
und die Einrichtungen zur Umwandlung von Überschußenergie in. Wärme gegenüber der
einfachen Anordnung zu verkleinern.
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Die Abb. i bringt zunächst das Schema der thermodynamischen Speicherung
in Erinnerung, wobei schon Einzelheiten der neuen Kombinationen miteingezeichnet
sind, auf die jedoch erst später eingegangen- wird. Eine elektrische Maschine MG
treibt, z. B. nachts, über die lösbare Kupplung k einen Kompressor K an. Dieser
saugt aus- den Verdampfern V1 und h2, durch welche der Wasserinhalt eines Unterspeichers
US hindurchgepumpt und abgekühlt wird; Dampf an; verdichtet ihn; wobei er trotz
Verdichterkühlung überhitzt werden mag, und treibt ihn durch den Überhitzungsspeicher
US in die Oberspeicher 0S1 bis 0S3, wo er in deren. Wasserinhalt niedergeschlagen
.wird, wobei deren Druck entsprechend ansteigt. Die einfachen Pfeile zeigen die-
Flußrichtungen bei dem eben beschriebenen Ladevorgang an, während die Doppelpfeile
die Entladung der Oberspeicher durch 'Überhitzungsspeicher@n düei Dampfturbine T
anzeigen. Der aus letzterer austretende Dampf wird in den Kondensatoren C1 und C2
niedergeschlagen und die Wärme dem Unterspeicher US wieder zugeführt. Die
in den Maschinen ,entsfiehenden Verluste- wird man. ;ohne Heizungskombination dem
Untaerspeicherkreislauf durch geeignete Kühlvorrichtungen R entziehen.
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Die einfachste Heizungskombination ergibt sich dann., wenn der Diagrammverlauf
derart ist, daß .die Energiespeicherung eine Morgen- und eine Abendspitze zu decken,
hat. Die Oberspeicher können wegen der Eigenschaften der Turbinen praktisch nicht
unter Temperaturen von i 2o, höchstens i z o ° abgekühlt werden. Betreibt man nun,
was an sich bekannt ist, die Speicherung so, daß nicht alle Speicher gleichzeitig,
sondern die Speicher einzeln oder gruppenweise entladen werden, so stehen bereits
nach der Morgenspitze einige in bezug auf die Energiespeicherung entladene Speicher
zur Verfügung.
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Diesen Speichern: kann nun erfindungsgeinäß warmes Wasser entnommen
werden, und sie können. bis auf die Rücklauftemperatur der Heizung abgekühlt werden
(wobei in erster Linie an Warmwasserumlaufheizung gedacht ist; aber auch andere
Verfahren anwendbar sind), wodurch die Speicher zweimal nacheinander aüsnutzbar
werden. Würde der Speicher für die thermodynamische Speicherung z. B. von 18b auf
i2o° abgekühlt, so steht jetzt ein weiteres Gefälle von 120 auf z: B. 6o° bei größter
Kälte zur Verffigung, d. _h. die Speicherfähigkeit kann ohne Vergrößerung der Gefäße
verdoppelt werden. Die Wiederaufladung kann durch Elektroli:esse.1 oder durch Kombination
mit einem der später beschriebenen Verfahren zur Erhöhung der Leistungsaufnahme
des Kompressors erfolgen. Bei diesem Verfahren kann die Verlustwärme aus der thermodynamischen
Speicherung ausgenutzt werden unter der Bedingung; daß sie mit Hilfe der vorhandenen
Wärmepumpe in den Oberspeicher hineingebracht wird !bzw. in demselben verbleibt.
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Eine Anordnung nach dem vorstehend beschriebenen Gedanken ist in dem
umränderten linken oberen, mit A bezeichneten Teil der Abb. i dargestellt. Einer
der Oberspeicher hat Anzapfstellen zur Entnahme warmen Wassers, welches durch die
Umwälzpumpe P den Heizkörpern H zugeführt wird und alsdann zurückläuft. Ein Umlaufventil
U gestattet Zumischung von Rücklaufwasser zur Einstellung der gewünschten Vorlauftemperatur.
Der Elektrokessel EK dient dann zur Zufuhr der Heizenergie während der Nacht.
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Ist diese einfache Ausnutzungsmöglichkeit nicht vorhanden oder nicht
ausreichend, weil die Abendspitze überwiegt oder ,allein vorhanden ist, so kann
man den Unterspeicher US xriit zur Speicherung heranziehen. Beträgt bei der
normalen Energiespeicherung, die, ohne Heizung betrieben wird, die Temperaturspanne,
um welche der Kompressor (Wärmepumpe K) den Unterspeicher abkühlt, 65 auf 35°, und
wird normalerweise durch Abkühlung von 35 auf 30° die Abführung der beim Prozeß
unvermeidlichenveise auftretenden Verlustwärme (in R, Abb, i) bewerkstelligt, so
wird beim Turbinenbetrieb eine Wiederaufwärmung "von 3o auf 65'
stattfinden.
Man geht nun hier so vor, daß man die Unterspeichertemperatur gegenüber den oben
angegebenen Werten um z. B. 35° hebt, so daß er zwischen 65 und ioo° arbeitet. Hierdurch
wird das gesamte Speichervolumen entsprechend größer, man kann aber dafür aus dem
Unterspeicher den gesamten Heizungsbedarf entnehmen. Hierzu ist es natürlich notwendig,
daß die Wärine demselben durch den Kompressorbetrieb während der Nacht nur teilweise
entzogen wird. Da. der Unterspeicher für den Turbinenbetrieb also nach der Heizung
auf 6o° abgekühlt sein soll, wird man je nach zu erwartendem Heizungsbedarf ihn
durch den Kompressor nur auf irgendeine Zwischentemperatur von 75 oder 85°
z. B. abkühlen. Dies geschieht in der Weise, daß ein Teil des aus dem Kompressor
austretenden Dampfes in die Verdampfer V1 und' h2, aus welchem der Kompressor ansaugt
(in Abb. i die strichpunktierte, abdrosselbare Leitung i), zurückgeführt
wird,
so daß deren Temperatur ansteigt, womit das angesaugte Dampfgewicht um die vom Kompressor
aufgenommene Leistung ansteigt. Es wird also eine doppelte Wirkung erreicht, nämlich
die, daß der Kompressor nach wie vor auf eine gegebene Temperaturdifferenz von etwa
3o bis 35° arbeitet, dieselbe sich aber von. der Spanne ioo zu 65 auf z. B. 115
zu 8o° verschiebt; hierdurch entzieht er dem Unterspeicher weniger Wärme (nämlich
von ioo auf 85°) und nimmt selbst eine größere Leistung auf. Die aus dein Unterspeicher
nicht entnommene Wärme wird also durch Verluste infolge Umführung des Dampfes, d.
h. weitere überschußenergie, gedeckt, d. h. der Oberspeicher kann doch in vorgeschriebener
Weise aufgeladen werden. Es ist einleuchtend, daß die Verluste des normalen Energiespeicherungsbetriebes
auf diese Weise Verwendung finden, und außerdem kann die Leistungsaufnahme des.
Kompressors erheblich gesteigert werden, so daß keine besonderen Einrichtungen notwendig
sind, um die Energieumwandlung, die für den größeren Heizungsbedarf notwendig ist,
in Wärme herbeizuführen. Die Wärmeentnahme zur Heizung erfolgt in Gestalt von warmem
Wasser aus dem Unterspeicher sinngemäß, wie es für die Entnahme aus dem Oberspeicher
dargestellt wurde.
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Die eben beschriebene Anordnung bedingt eine Vergrößerung der Speicher
über das sonst für die thermodynamische Speicherung notwendige Maß, da mit einem
kleineren Temperaturintervall als sonst nötig zwischen den beiden Speichergruppen
gearbeitet wird. Die Kosten der Vergrößerung werden jedoch in der Regel geringer
sein als :die eines eigenen Speichers. Außerdem werden die Verluste ausgenutzt,
und in gewissen Grenzen ist die Aufstellung von Elektrokesseln unnötig, da die Leistungsaufnahme
des Kompressors ansteigt.
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Eine Variante hierzu besteht darin, daß man die Un.terspeichertemperatur
nicht verändert und nur den Oberspeicher um den Betrag, den die Heizung bedingt,
vergrößert, wobei natürlich in bezug auf Speicherdimensionen Vorteile nicht entstehen.
Man kann aber die sämtlichen Verluste des thermodynamischen Speicherungssystems
dem Oberspeicher mit Hilfe det Wärmepumpe zuführen und sie ausnutzen. Im übrigen
ist die eben beschriebene Erhöhung der Kompressorleistung in diesem Falle nicht
durchführbar, so daß die Elektrokessel oder ähnliche Mittel zur Umformung der Energie
herangezogen werden müssen. Bei dieser Kombination wie bei der allerersten empfiehlt
es sich, die Wärme den Oberspeichergruppen nicht als Dampf unter Druckverminderung,
sondern als heißes Wässer zu entnehmen, was ohne Druckverminderung geschehen kann.
Hierdurch können Wirkungsgradeinbußen beim thermodynamischen Verfahren, die sonst
infolge Druckabsenkung im Mittel eintreten würden, vermieden werden.
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Es ist natürlich auch möglich, den zusätzlichen Heizungsspeicher der
letzten Kombination getrennt vom Oberspeichersystem zu machen, z. B. bei. einem
niedrigeren Druck von i bis z ata. Auch hier muß dann die Verlustwärme des thermodynamischen
Speicherungssystems diesem Heizungsspeicher zugeführt werden, was durch eine Anzapfung
der Wärmepumpe erfolgen kann.
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Eine weitere vorteilhafte Kombination ohne Vergrößerung der Speicherenlage
ergibt sich, wenn man, ohne dass Temperaturniveau des Unterspeichers zu ändern,
die Unterspeicherwärme nachts nicht oder nur zum Teil entzieht (je nachdem Heizungsbedarf)
undden Oberspeicher durch unmittelbare Energiezufuhr(Elektrokessel)auflädt. DaaberdieUnterspeichertemperatur
für Heizungszwecke häufig zu niedrig sein wird, hebt man diese auf das gewünschte
Maß, indem man einen Teil der Wärmepumpe (z. B. den unteren Zylinder) zur Erhöhung
benutzt. Da man die Wärmepumpe, trotzdem sie nur zum Teil arbeitet, am Tage nicht
während der Spitze wird laufen lassen, ist noch ein kleinerer Zwischenspeicher notwendig.
Man kann denselben auch so anordnen, .daß er nachts unmittelbar auf z. B. izo° aus
Elektrokessel aufgeladen wird, und dazu dient das aus dem Unterspeicher kommende,
auf z. B. 75 bis 8o° erwärmte Wasser auf die bei größter Kälte notwendige höhere
Temperatur zu bringen, ohne zuviel Wärmepumpenarbeit am Tage zu beanspruchen.
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Abb. z zeigt eine mögliche Ausführungsform der eben ausgesprochenen
Gedanken; die Teile, die sich auf die thermodynamische Speicherung beziehen, tragen
die gleichen Bezeichnungen wie in Abb. z. Neu sind der Wärmeaustauscher A (der praktisch
als Einspritzapparat zur Ausführung kommen wird), der Heizungsspeicherbehälter
HB und der Heizungsspeicher HS (beide können auch bei etwas veränderter Betriebsweise
zusammenfallen).
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Die Arbeitsweise ist folgende. Der Unterspeicher ist nachts nur zum
Teil oder gar nicht abgekühlt und hat daher mindestens in seinem oberen Teil noch
warmes Wasser von z. B. 70°. Dieses wird wie beim normalen Nachtbetrieb am Tage
(außerhalb der Spitze) durch dieVerdampfer V1, VQ geschickt und auf die normale
Unterspeichertemperatur für Turbinenbetrieb, z. B. 35°, abgekühlt. Der untere Kompressorzylinder,
der allein
läuft, erwärmt den angesogenen Dampf auf etwa 8o' und
schickt ihn durch Leitung i in den Austauschar A; die latente Wärme dient zur Erwärmung
des Behälters HB vermittels der Leitungen 3 und 4 bzw. zur unmittelbaren
Versorgung der Heizung; das Kondenswasser kann durch Leitung 2 in den Unterspeicherkreislauf
zurückgeführt werden. Durch ;die Leitungen 5 und 7 geht das warme Wasser zu den
Heizkörpern H und kehrt durch 8 zurück. Man kann nun den Behälter HB so groß
machen, daß er die Pausen des Tageswärmepumpenbetriebes überbrückt, oder man stellt
hierzu den weiteren Behälter HS auf, den man dann auch unmittelbar mit dem Elektrokessel
EK beheizt und auf höhere Temperatur bringt, wie vorhin erläutert; durch Leitung
6 findet die Zumischung statt. Alle Kreisläufe können thermostatisch geregelt und
für verschiedene Heizungsbedürfnisse eingestellt werden. Die dem Oberspeicher zü-wenig
zugeführte Wärme wird durch den Elektrokessel EKl zugeführt; auch der Überhitzungsspeicher
könnte unmittelbar elektrisch beheizt werden.
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Irr Grenzfalle der vollen Ausnutzung der Unterspeicherwärme zur Heizung
würde der Kompressor nachts gar nicht mehr betrieben werden, d. h, die Elektrokesselanlage
müBte für die volle Leistung bemessen werden. Man kann auch hier den Kompressor
mit der normalen vollen Leistung, aber auf einen sehr kleinen Bruchteil vermin@d@erter
Wärmeentnahme aus dem Unterspeicher bei normalerAbkühlung des Kreislaufwassers betreiben,
indeni man z. B. durch die strichpunktierte Leitung 9 das abgekühlte Wasser am Speicher
vorbei zurückführt und es mit Dampf (durch eine Leitung i wie in Abb: i, die in
Abb. --
der übersichtlichkeit wegen fortgelassen ist) aufwärmt, so db,ß es
wieder die Norma>Itemperatur für den Kompressor hat.
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Die verschiedenen angegebenen Verfahren können untereinander noch
kombiniert werden; dies ist z. B. in Abb. 2 angedeutet durch die Leitungen ii und
12" die vom Oberspeis cher ausgehen und wie in Abb. i zu den Heizkörpern führen;
der Deutlichkeit halber ist dies in der Abbildung nur durch Pfeilköpfe angedeutet.
Es ist auch möglich, das Verfahren mit unmittelbarer Heizung mit Kohle, wozu dann
ein kleiner, 24stündig betriebener Hilfskessel dient, zu vereinigen. " Eine weitere
Kombination ist dann möglich, wenn Wärme der Umgdbung zu Heizungszwecken entnommen
werden kann. An Stelle der Elektrokessel o. dgl. als zusätzliche Wärmequelle für
den Heizungsbedarf tritt dann die Wärmepumpe, während sonst die Speicherverwendung,
wie zuletzt beschrieben, vor sich geht. Hier wird zwar einerseits eine besondere
Wärmepumpe mit einem Kältemittel notwendig, man kann aber die elektrische "Maschine
mitbenutzen; denn: da die Ladung des thermodynamischen Systems in der Regel 8 Stunden
und mehr, die Entladung; auf Vollast bezogen, selten mehr als 2 Stunden beträgt,
so ist die elektrische Maschine nachts als Motor bei einem Wirkungsgrad von etwa
5o °i" nur etwa halb ausgenutzt. Mit der Hälfte der Leistung lassen sich aber sehr
erhebliche Wärmemengen hochpumpen.
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Eine mögliche Anordnung ist in Abb.3 dargestellt; sie lehnt sich möglichst
genau an Abb. 2 an, so daß nun eine Erläuterung des Neuen hier folgen soll. Die
Elektrokessel sind verschwunden und dafür der Kaltdampfkompressor KK, wiederum abkuppelbar,
hinzugekommen. Derselbe entnimmt durch den Wärmeaustauscher A2 Wärme aus der Umgebung
und bringt sie auf die Unterspeichertemperatur; während der normale Unterspeicherkreislauf
über die Verdampfer hl, T@2, die Pumpe Pu und die Leitung io geht, tritt bei Heizungsbetrieb
der Weg über Leitung 2o, die Austauschar al und a2 des Kaltdampfkompressors, Leitung
21 und die strichpunktierte Leitung 9; die Abkühlung des Wassers in 1h, T72 wird
durch Aufwärmung in a1, a2 aufgehoben, die Wärme verbleibt, soweit gewünscht, im
Unterspeicher zur späteren Heizung (die Apparate Tal, Il, und a1, a2 können in geeigneter
Weise vereinigt werden). Sie wird dann, genau wie früher, soweit erforderlich, am
Tage über i, Al, HB weiter auf hohe Temperatur gepumpt und verwendet. Auch
hier ist wieder der Heizungsspeicher mit höheren Temperaturen HS vorgesehen, der
aber nicht mehr mit Elektrokessel, sondern auch mit der Wärmepumpe aufgeladen wird;.
Z. B. kann: man dazu die volle Wasserdampfwärmepumpe verwenden auf ihrer untersten
Stufe ohne irgendwelche Zusatzeinrichtung, wenn die untere Oberspeichertemperatur
etwa i2o° ist, was als oberste Heizungsspeicherteinperatur zweckmäßig sein kann;
man läßt dann zunächst die Wärmepumpe K auf HS mit festem, und später auf OS mit
steigendem Gegendruck laufen (gezeichnet als durch Austauschar As, von Leitungen
a3° und 24 erfolgend). Eine gewisse Leistungsvergrößerung des Kompressors K gegen
den Betrieb ohne Heizung ist dann notwendig,-was aber dadurch erfolgen kann, d'aß
der Kaltdampfkompressor auf etwas höhere Temperatur als die normale Unterspeichertemperatur
hochpumpt; der Kompressor behält dann seine Dimensionen. Im ganzen bleibt die Anordnung
billig, da nur wenige Speicher.und der sehr billige Kältekompressor, dazu allerdings
die Wärmeaustauscher A2 und a1, a2, nötig sind. Je kWh wird man auf die Teinperatür
des Heizungsbehälters HB größenordnungsmäßig
über 3000,
auf die Temperatur des Heizungsspeichers HS 25oo Kalorien heraufpumpen können; dazu
tritt die kostenlose Wärme aus den Verlusten der thermodynamischen Speicherung.
Auch der letztbeschriebene Fall läßt sich mit den früheren Lösungen kombinieren.