EP2067942B1 - Verfahren zur Umwandlung und Speicherung von regenerativer Energie - Google Patents

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EP2067942B1
EP2067942B1 EP20080015809 EP08015809A EP2067942B1 EP 2067942 B1 EP2067942 B1 EP 2067942B1 EP 20080015809 EP20080015809 EP 20080015809 EP 08015809 A EP08015809 A EP 08015809A EP 2067942 B1 EP2067942 B1 EP 2067942B1
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EP
European Patent Office
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heat
pressure
energy
working medium
medium
Prior art date
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EP20080015809
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EP2067942A3 (de
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Bodo Wolf
Walter Nestler
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BW-Energiesysteme GmbH
Original Assignee
bw-energiesysteme GmbH
BW Energiesysteme GmbH
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    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01K1/00—Steam accumulators
    • F01K1/12—Multiple accumulators; Charging, discharging or control specially adapted therefor
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/12—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having two or more accumulators

Definitions

  • the present invention relates to a method for converting and storing regenerative or other cyclic electrical energy, e.g. obtained from solar radiation, wind and water power, from geothermal energy or waste heat from technical processes, for their use for the needs-based supply of electrical and thermal energy.
  • regenerative or other cyclic electrical energy e.g. obtained from solar radiation, wind and water power, from geothermal energy or waste heat from technical processes, for their use for the needs-based supply of electrical and thermal energy.
  • the field of application of the invention is the local municipal, commercial, industrial and other supply of electrical and thermal energy.
  • the state of the art of power supply is dominated by the central conversion of fossil fuels, hydropower and nuclear power into electric power in large power plants, and the transmission of electric power through electrical high and high voltage grids and their distribution across medium and low voltage grids.
  • the decentralized energy supply with its advantage of combined heat and power as well as the use of biogenic fuels is insufficiently used, given the possibilities available.
  • the Zeitschrift BWK - THE ENERGY SPECTRUM MAGAZINE 10 2006 pages 6 to 11 a high need for action in the field of cogeneration.
  • the object of the invention is to provide a method which is suitable cyclically occurring electric energy, in particular regenerative Energy to transform into such forms of energy that can be economically stored for a sufficient amount of time and make it possible to provide electrical and thermal energy as needed.
  • this object is achieved by electric energy is converted into a combined energy system consisting of sensible and latent heat energy and latent mechanical energy, from the conversion of kinetic energy as needed electric energy, even with the extraction of heat energy, can be obtained.
  • the inventive method uses for storage of regenerative energy or other excess energy, a liquid in a reversible cycle as a storage medium, which cyclically mechanically in a pressure vessel filled with gas or vapor of a working fluid, which is under ambient pressure higher pressure, raised and then is reclaimed with the benefit of technical work, and is characterized in that the storage medium is raised in a first step, the loading, by supplying technical work in the pressure so that it displaces a pressure vessel located in the vaporous working agent and the steam the working fluid is condensed on surfaces which are indirectly cooled by the storage medium or another coolant and then stored in the liquid state, before it in a second step, the discharge, by indirect supply of heat of the storage medium or a s other heat carrier vaporized again, passed into the pressure vessel and the storage medium located there displaced under release of technical work from this again.
  • the use of water as the storage medium and of carbon dioxide as a working medium is preferred.
  • the economic advantage of the invention is that regenerative energy can be stored for a long time with low losses by conversion into mechanical and thermal energy, which enables demand-based supply of electrical energy and heat based on regenerative energy.
  • FIG. 1 illustrates the site-independent application of the invention for the conversion of regenerative or other excess energy into storable mechanical energy and its re-conversion into electrical energy for on-demand care.
  • the storage medium water has a temperature of 10 ° C and is located in the basin 1.
  • the Druckwasse r Grande 4 is under a pressure of 45 bar and is filled with carbon dioxide vapor.
  • the pump 2 removes the water from the tank 1 and raises the water pressure to 45 bar and then sliding on the required for the heat transfer to the storage medium water condensation pressure of 55 bar.
  • the pressurized water flows through the recuperator 3 and displaces the carbon dioxide vapor from the pressurized water reservoir 4.
  • the displaced carbon dioxide vapor flows through the recuperator 3 and condenses there under a pressure of 54.7 bar, corresponding to a condensation temperature of 18 ° C with delivery of his Condensation heat to the water, whereby the water temperature rises by about 6 K.
  • the now liquid carbon dioxide is stored in the working fluid reservoir 5.
  • the vapor space 6 of the working fluid accumulator 5 is connected for the purpose of pressure equalization with the recuperator 3 and the pressurized water reservoir 4.
  • the volume difference between liquid and vapor carbon dioxide is at a condensation temperature of 18 ° C 4.3 m 3 / t, so that per ton of carbon dioxide 4.3 m 3 of water can be stored under a pressure of 54.7 bar.
  • the discharge begins with the discharge of the water from the pressurized water reservoir 4 via the recuperator 3 and the pressurized water turbine 7, which leads to flash evaporation of carbon dioxide in the working fluid accumulator 5 and the supply of liquid carbon dioxide from the working fluid accumulator 5 to the recuperator third
  • the working fluid in the working fluid reservoir cools to 10 ° C., corresponding to a vapor pressure of 45 bar.
  • This pressure is maintained in the system by the transfer of heat from the pressurized water to liquid carbon dioxide in the recuperator 3, whereby the water cools back to 10 ° C.
  • the TKV-E process achieves a clear procedural superiority over pumped storage plants at locations where waste heat is available, which is usually discharged to the environment via recooling plants.
  • An application example of this type shows FIG. 2 ,
  • the water conveyed by the pressurized water pump 2 displaces the carbon dioxide vapor from the pressurized water reservoir 4 past the turbomachine 8 as far as the recuperator 3 during loading.
  • the working medium does not give off its heat of condensation to the storage medium water, but to the recooling 10 from.
  • the condensation temperature should also be 18 ° C, which requires a cooling water temperature of about 15 ° C and a water pressure of about 55 bar.
  • the accumulating in the recuperator 3 liquid carbon dioxide is stored in the working fluid storage 5. The loading is completed when the pressurized water tank is filled with water.
  • the discharge begins with the supply of carbon dioxide from the working fluid accumulator 5 to the recuperator 3 by means of a pump, where the carbon dioxide is evaporated by supplying heat of the waste heat source 9, for example under a pressure of 80 bar and superheated.
  • the carbon dioxide then flows into the pressurized water reservoir 4 and presses the water at a pressure of 80 bar via the pressurized water turbine 7.
  • the ratio of discharge to charge pressures is 45 bar to 55 bar, which corresponds to a ratio of 0.82
  • variant 2 achieves a pressure ratio of 80 to 55 bar, resulting in a pressure ratio of 1.45, which increases the working capacity of the pressurized water from 1.20 to 2.1 kWh / t of water. This results in a reduction in the volume of the pressurized water storage tank by about 40% with the same energy potential.
  • FIG. 2 shows, possible to switch between the recuperator 3 and the pressurized water storage 4, a machine 8, which lowers the pressure in the pressurized water reservoir 4 during loading or increases during discharge.
  • the expediency of this measure is to be evaluated on a business-specific basis.
  • This variant of the method according to the invention is an alternative for a conventional heat-conducting cogeneration plant, which is e.g. a heat storage and / or a heating network with a flow temperature of 120 to 150 ° C and a return temperature of 50 to 60 ° C fed.
  • a conventional heat-conducting cogeneration plant which is e.g. a heat storage and / or a heating network with a flow temperature of 120 to 150 ° C and a return temperature of 50 to 60 ° C fed.
  • the loading of the heat accumulator 4 takes place with the aid of a heat pump process, the machine 7 sucks and compresses carbon dioxide vapor from the recuperator 3.
  • the liquid carbon dioxide required for the evaporation is fed to the recuperator 3 from the working fluid accumulator 5.
  • the heat required for the evaporation of the carbon dioxide provides the waste heat source 2 via the recuperator 3.
  • the compressed in the compressor 7 carbon dioxide heat heats up in the recuperator 9 that the heat accumulator 4 and / or the heating network 10 removed and fed back after heating.
  • the carbon dioxide cools down here, is expanded and liquefied via the expansion turbomachine 8, before it is again fed to the working fluid accumulator 5 and at the beginning of the new cycle to the recuperator 3.
  • Recuperator 9, expansion machine 7, recuperator 3 and recooling 1 form during the discharge of the heat accumulator a low temperature power process, which can achieve a degree of recovery of 50 to 70% in the prior art, based on the supplied during loading electric power in condensation operation without heat extraction.
  • a coefficient of performance (decoupled heating to energy used for the loading) of up to more than 4 can be achieved. Assuming that 50% of the electrical energy supplied to the process during loading is used for the heat supply and the other 50% for the recovery of electricity, then this variant of the TKV CHP process as a combined heat and power plant in practical operation, a coefficient of performance (recovered electric energy plus emitted process and heating heat to supplied electric energy) of 2.0 to 2.5.
  • This variant of the method according to the invention is a coupling of Examples 1 and 2.
  • the system thus has a pressurized water and a heat storage.
  • the pump 13 presses water into the standing under carbon dioxide vapor water storage 12.
  • the displaced carbon dioxide vapor is condensed in the subcritical state either in the recuperator 3 by dissipating heat to the recooling unit 1 and stored in the liquid state in the working fluid storage 5, or fed to the compressor 7 and there compressed to supercritical pressure in the recuperator 9 by heat to the Heat storage 4 or the heating network 10 cooled, then relaxed in the expansion turbomachine 8 with the release of technical work, liquefied and then also fed to the working fluid accumulator 5.
  • the carbon dioxide vapor is passed into the pressurized water reservoir 12, from which it presses the water with the release of technical work on the pressurized water turbine 14 in the pool 15 and / or used via the compressor 7 and the recuperator 9 to supply the heating network 10 with process and heating before it is relaxed and liquefied as supplied to the working fluid accumulator 5 as in the loading in the expansion turbomachine 8 under delivery of technical work.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung und Speicherung von regenerativer oder anderer zyklisch anfallender Elektroenergie, z.B. gewonnen aus solarer Strahlung, Wind- und Wasserkraft, aus Geothermie oder Abwärme technischer Prozesse, zu deren Nutzung für die bedarfsgerechte Versorgung mit Elektro- und Wärmeenergie.
  • Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die lokal kommunale, gewerbliche, industrielle und sonstige Versorgung mit Elektro- und Wärmeenergie. Beim Stand der Technik der Energieversorgung ist die zentrale Umwandlung von fossilen Brennstoffen, von Wasserkraft und Kernenergie in Elektroenergie in großen Kraftwerken und die Fortleitung der Elektroenergie über elektrische Höchst- und Hochspannungsnetze und deren Verteilung über Mittel- und Niederspannungsnetze dominierend. Die dezentrale Energieversorgung mit ihrem Vorteil der Kraft-Wärme- Kopplung sowie der Nutzung biogener Brennstoffe wird gemessen an den gegebenen Möglichkeiten ungenügend genutzt. Daraus resultiert, wie in der Zeitschrift BWK - DAS ENERGIE- FACH-MAGAZIN 10 2006, Seite 6 bis 11 dargestellt, ein hoher Handlungsbedarf auf dem Gebiet der Kraft-Wärme-Kopplung.
  • Unabhängig vom Wettbewerb dieser konkurrierenden Energieversorgungsvarianten ist der Stand der Technik der Energieversorgung dadurch gekennzeichnet, dass Kapitalaufwand und damit Kapitaldienst sowie Betriebswirtschaft und klimarelevanter Brennstoffbedarf einen möglichst kontinuierlichen Betrieb erfordern, die Endkunden der Energieversorger aber die Energieabnahme und damit den zeitlichen Energiebedarf bestimmen. Daraus ergibt sich, dass beispielhaft in Deutschland die installierten Kapazitäten der Kraftwerke und elektrischen Netze im Jahre 2004 nur zu etwa 60 % im Jahresdurchschnitt genutzt wurden (Lutz Peters, Klima 2055, ISBN 978-3-7892-8204-1), während in Schwachlastzeiten deutlich niedrigere Auslastungen üblich sind und bei Höchstlast kaum Systemreserven zur Verfügung stehen. Besondere Konflikte ergeben sich aus der Entwicklung der Elektroenergieerzeugung aus Windkraft, weil die zeitliche Verfügbarkeit dieser Elektroenergie ungenügend planbar und deren Einspeisung auch dann erforderlich ist, wenn in Schwachlastzeiten die konventionellen Kraftwerke bereits im unteren Bereich ihrer Betriebssicherheit gefahren werden. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit der Elektroenergiespeicherung zwischen Elektroenergieerzeugung und -anwendung. Diese Notwendigkeit der Energiespeicherung und die dafür zur Verfügung stehenden technischen Lösungen werden in der Zeitschrift "Solarzeitalter" 4/2006 von Sauer dokumentiert.
  • Langfristige Energieszenarien, z.B. von Royal Dutch/-Shell Gruppe, Energy Needs, Choices and Possibilities - Scenarios to 2050, London, 2001, zeigen, dass der sich vervielfachende Energiebedarf nur mit Hilfe regenerativer Energie gedeckt werden kann.
  • Diese Entwicklung erfordert eine revolutionäre Veränderung der Technik der globalen und regionalen Energieversorgung, verbunden mit dem Ausbau der Energiespeicherung. Das betrifft insbesondere neue Methoden für die Abschöpfung von weltweit verteilter, ergiebiger regenerativer Energiequellen durch Umwandlung regenerativer Energie in chemisch gebundene Energie bzw. durch Umwandlung der Verbrennungsprodukte Kohlendioxid und Wasser in erneuerbare synthetische Brenn- und Kraftstoffe wie von B. Wolf in "Öl aus Sonne - Die Brennstoffformel der Erde" (ISBN 3-920328-49-3) beschrieben und die lokale Speicherung und Rückgewinnung von Energie, z.B. mit Hilfe reversibler thermischer Kreisprozesse, die zyklisch alternativ als Wärmepumpen- oder Kraftprozesse betrieben werden, wie sie in WO 2007/093277 A1 beschrieben sind.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Methode bereitzustellen, die geeignet ist zyklisch anfallende Elektroenergie, insbesondere aus regenerativer Energie, in solche Energieformen umzuwandeln, die wirtschaftlich über ausreichende Zeit speicherbar sind und es ermöglichen, bedarfsgerecht Elektro- und Wärmeenergie zur Verfügung zu stellen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem Elektroenergie in ein kombiniertes Energiesystem, bestehend aus fühlbarer und latenter Wärmeenergie und latenter mechanischer Energie, umgewandelt wird, aus dem über Umwandlung in kinetische Energie bedarfsgerecht Elektroenergie, auch unter Auskopplung von Wärmeenergie, gewonnen werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet zur Speicherung von regenerativer Energie oder anderer überschüssiger Energie eine Flüssigkeit in einem reversiblen Kreisprozess als Speichermedium, das zyklisch mechanisch in ein Druckgefäß, das mit Gas oder Dampf eines Arbeitsmittels gefüllt ist, der unter gegenüber Umgebungsdruck höherem Druck steht, gehoben und danach unter Gewinn von technischer Arbeit wieder abgelassen wird, und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium in einem ersten Schritt, der Beladung, durch Zuführung von technischer Arbeit im Druck so angehoben wird, dass es ein im Druckgefäß befindliches dampfförmiges Arbeitsmittel aus diesem verdrängt und der Dampf des Arbeitsmittels an Flächen, die durch das Speichermedium oder ein anderes Kühlmittel indirekt gekühlt werden, kondensiert und danach im flüssigen Zustand gespeichert wird, bevor es in einem zweiten Schritt, der Entladung, durch indirekte Zuführung von Wärme des Speichermediums oder eines anderen Wärmeträgers wieder verdampft, in das Druckgefäß geleitet und das dort befindliche Speichermedium unter Abgabe von technischer Arbeit aus diesem wieder verdrängt. Dabei ist die Verwendung von Wasser als Speichermedium und die von Kohlendioxid als Arbeitsmittel bevorzugt.
  • Ebenfalls bevorzugt ist, einzelne oder in Kombination,
    • die alternative Abführung der Kondensationswärme des Arbeitsmittels während der Beladung an eine externe Wärmesenke,
    • die alternative Zuführung von externer Wärmeenergie während der Entladung für die Verdampfung des Arbeitsmittels,
    • den Druck des Arbeitsmittels im Druckgefäß während der Beladung durch Absaugung zu senken und während der Beladung durch Kompression zu erhöhen,
    • das während der Entladung nach der Wärmezuführung vorliegende dampfförmige Arbeitsmittel vor seiner Einleitung in das mit Speichermedium gefüllte Druckgefäß unter Abgabe von mechanischer Energie im Druck abzusenken, oder aber unter Einkopplung von mechanischer Energie durch Kompression im Druck anzuheben und danach mit oder ohne Auskopplung von Wärmeenergie in das Druckgefäß zu leiten,
    • die Verdampfung des Arbeitsmittels auf einem Temperaturniveau durchzuführen, wie es für Kühl- oder Frostungsprozesse erforderlich ist,
    • im Zuge der Beladung dem Arbeitsmittelspeicher direkt Wärme zuzuführen, die den Druck im Arbeitsmittelspeicher so erhöht, dass zwischen Arbeitsmittelspeicher und Rekuperator die Zuführung von mechanischer Energie durch eine Pumpe nicht erforderlich ist
  • Standortgebundene Pumpspeicherwerke erreichen Rückgewinnungsgrade von 75 bis 80 %. Der standortunabhängige TKV-Druckwasserprozess kann beim heutigen Stand der Maschinen- und Apparatetechnik Wirkungsgrade von 70 %, mit verbesserter Maschinentechnik sicherlich 75 %, erreichen.
  • Der wirtschaftliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass man regenerative Energie durch Umwandlung in mechanische und thermische Energie über lange Zeit mit geringen Verlusten speicherbar macht, was eine bedarfsgerechte Versorgung mit Elektroenergie und Wärme auf Basis regenerativer Energie ermöglicht.
  • Die Erfindung soll anhand der folgenden Beispiele näher veranschaulicht werden, ohne sie jedoch auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken.
    • Beispiel 1
  • Die Beschreibung erfolgt anhand Figur 1 und illustriert die standortunabhängige Anwendung der Erfindung für die Umwandlung von regenerativer oder anderer überschüssiger Energie in speicherbare mechanische Energie und deren Rückumwandlung in Elektroenergie für die bedarfsgerechte Versorgung.
  • Bei Beginn der Beladung hat das Speichermedium Wasser eine Temperatur von 10 °C und befindet sich im Becken 1. Der Druckwasse rspeicher 4 steht unter einem Druck von 45 bar und ist mit Kohlendioxiddampf gefüllt. Die Pumpe 2 entnimmt das Wasser aus dem Becken 1 und hebt den Wasserdruck auf 45 bar und danach gleitend auf den für die Wärmeabgabe an das Speichermedium Wasser erforderlichen Kondensationsdruck von 55 bar.
  • Das Druckwasser strömt durch den Rekuperator 3 und verdrängt den Kohlendioxiddampf aus dem Druckwasserspeicher 4. Der verdrängte Kohlendioxiddampf strömt durch den Rekuperator 3 und kondensiert dort unter einem Druck von 54,7 bar, entsprechend einer Kondensationstemperatur von 18 °C unter Abgabe seiner Kondensationswärme an das Wasser, wodurch die Wassertemperatur um ca. 6 K steigt. Das nun flüssige Kohlendioxid wird im Arbeitsmittelspeicher 5 gelagert. Der Dampfraum 6 des Arbeitsmittelspeichers 5 ist zum Zwecke des Druckausgleiches mit dem Rekuperator 3 und dem Druckwasserspeicher 4 verbunden. Die Volumendifferenz zwischen flüssigem und dampfförmigem Kohlendioxid beträgt bei einer Kondensationstemperatur von 18 °C 4,3 m3/t, so dass pro t Kohlendioxid 4,3 m3 Wasser unter einem Druck von 54,7 bar gespeichert werden können. Die Entladung beginnt mit dem Ableiten des Wassers aus dem Druckwasserspeicher 4 über den Rekuperator 3 und die Druckwasserturbine 7, was zur Flashverdampfung von Kohlendioxid im Arbeitsmittelspeicher 5 führt und der Zuführung von flüssigem Kohlendioxid aus dem Arbeitsmittelspeicher 5 zum Rekuperator 3.
  • Durch die Flashverdampfung des Kohlendioxids kühlt sich das Arbeitsmittel im Arbeitsmittelspeicher auf 10 °C, entsprechend einem Dampfdruck von 45 bar ab. Dieser Druck wird im System gehalten durch die Übertragung von Wärme vom Druckwasser an flüssiges Kohlendioxid im Rekuperator 3, wodurch sich das Wasser wieder auf 10 °C abkühlt.
    • Beispiel 2
  • Eine deutliche verfahrenstechnische Überlegenheit gegenüber Pumpspeicherwerken erreicht der TKV-E Prozess an Standorten an denen Abwärme zur Verfügung steht, die üblicherweise über Rückkühlwerke an die Umgebung abgeführt wird. Ein Anwendungsbeispiel dieser Art zeigt Figur 2.
  • Bei dieser Anwendung des TKV-Prozesses verdrängt während der Beladung das von der Druckwasserpumpe 2 geförderte Wasser wie in Variante 1 den Kohlendioxiddampf aus dem Druckwasserspeicher 4, an der Turbomaschine 8 vorbei, hin zum Rekuperator 3. Hier gibt das Arbeitsmittel seine Kondensationswärme nicht an das Speichermedium Wasser, sonder an das Rückkühlwerk 10 ab. Zur besseren Vergleichbarkeit mit Variante 1 soll die Kondensationstemperatur ebenfalls 18 °C betragen, was eine Kühlwassertemperatur von ca. 15 °C und einen Wasserdruck von ca. 55 bar erfordert. Das im Rekuperator 3 anfallende flüssige Kohlendioxid wird im Arbeitsmittelspeicher 5 zwischengelagert. Die Beladung ist beendet, wenn der Druckwasserspeicher mit Wasser gefüllt ist. Die Entladung beginnt mit der Zuführung von Kohlendioxid aus dem Arbeitsmittelspeicher 5 zum Rekuperator 3 mit Hilfe einer Pumpe, wo das Kohlendioxid durch Zuführung von Wärme der Abwärmequelle 9, z.B. unter einem Druck von 80 bar verdampft und überhitzt wird. Das Kohlendioxid strömt dann in den Druckwasserspeicher 4 und drückt das Wasser mit einem Druck von 80 bar über die Druckwasserturbine 7.
  • Während beim Ausführungsbeispiel 1 das Verhältnis der Drücke für Entladung zu Beladung 45 bar zu 55 bar ist, was einem Verhältnis von 0,82 entspricht, erreicht Variante 2 ein Druckverhältnis von 80 zu 55 bar, was zu einem Druckverhältnis von 1,45 führt, was das Arbeitsvermögen des Druckwassers von 1,20 auf 2,1 kWh/t Wasser anhebt. Daraus ergibt sich bei gleichem Energiepotential eine Reduzierung des Volumens des Druckwasserspeichers um ca. 40 %.
  • Durch Einkopplung von Niedertemperaturabwärme wird es außerdem möglich, den Umwandlungsverlust des erfindungsgemäßen Verfahrens auszugleichen, so dass die ausgespeiste elektrische Arbeit höher liegen kann, als die für die Speicherung zugeführte.
  • Sollte das Temperaturniveau der Abwärme eine Verdampfung und ausreichende Überhitzung des Arbeitsmittels nicht erlauben, dann ist, wie Figur 2 zeigt, möglich, zwischen den Rekuperator 3 und den Druckwasserspeicher 4 eine Maschine 8 zu schalten, die den Druck im Druckwasserspeicher 4 während der Beladung senkt oder während der Entladung erhöht. Die Zweckmäßigkeit dieser Maßnahme ist standortspezifisch betriebswirtschaftlich zu bewerten.
    • Ausführungsbeispiel 3
  • Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Alternative für ein konventionelles wärmegeführtes Heizkraftwerk, das z.B. einen Wärmespeicher und/oder ein Heiznetz mit einer Vorlauftemperatur von 120 bis 150 °C und einer Rücklauftemperatur von 50 bis 60 °C speist.
  • Die Beschreibung dieser Variante des Verfahrens erfolgt mit Hilfe von Figur 3.
  • Die Beladung des Wärmespeichers 4 erfolgt mit Hilfe eines Wärmepumpenprozesses, dessen Maschine 7 Kohlendioxiddampf aus dem Rekuperator 3 saugt und verdichtet. Das für die Verdampfung erforderliche flüssige Kohlendioxid wird dem Rekuperator 3 aus dem Arbeitsmittelspeicher 5 zugeführt. Die für die Verdampfung des Kohlendioxides erforderliche Wärme liefert die Abwärmequelle 2 über den Rekuperator 3. Der im Verdichter 7 komprimierte Kohlendioxiddampf heizt im Rekuperator 9 Wasser auf, dass dem Wärmespeicher 4 und/oder dem Heiznetz 10 entnommen und nach Erwärmung wieder zugeführt wird.
  • Das Kohlendioxid kühlt sich dabei ab, wird über die Expansions-Turbomaschine 8 entspannt und verflüssigt, bevor es wieder dem Arbeitsmittelspeicher 5 und mit Beginn des neuen Zyklus dem Rekuperator 3 zugeführt wird.
  • Die Entladung des Wärmespeichers 4 erfolgt über das Heiznetz 10 und/oder über den Rekuperator 9. Das aus dem Arbeitsmittelspeicher 5 mit Hilfe der Pumpe 11 dem Rekuperator 9 zugeführte flüssige Arbeitsmittel verdampft im Rekuperator 9 und wird danach unter Abgabe von technischer Arbeit in der Maschine 7 entspannt und im Rekuperator 3 kondensiert. Die im Rekuperator 3 anfallende Kondensationswärme wird über das Rückkühlwerk an die Umgebung abgeführt.
  • Rekuperator 9, Expansionsmaschine 7, Rekuperator 3 und Rückkühlwerk 1 bilden bei der Entladung des Wärmespeichers einen Niedertemperaturkraftprozess, der beim Stand der Technik, bezogen auf die während der Beladung zugeführte Elektroenergie im Kondensationsbetrieb ohne Wärmeauskopplung einen Rückgewinnungsgrad von 50 bis 70 % erreichen kann.
  • Wird keine Elektroenergie zurückgewonnen, sondern nur Wärme ausgekoppelt, dann kann eine Leistungszahl (ausgekoppelte Heizwärme zu für die Beladung aufgewendeter Elektroenergie) von bis größer 4 erreicht werden. Wird angenommen, dass 50 % der dem Prozess während der Beladung zugeführten Elektroenergie für die Wärmeversorgung eingesetzt werden und die anderen 50 % für die Rückgewinnung von Strom, dann kann diese Variante des TKV-KWK Prozesses als Heizkraftwerk im praktischen Betrieb eine Leistungszahl (rückgewonnene Elektroenergie plus abgegebene Prozess- und Heizwärme zu zugeführter Elektroenergie) von 2,0 bis 2,5 erreichen.
    • Beispiel 4
  • Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Kopplung der Beispiele 1 und 2. Das System verfügt somit über einen Druckwasser- und einen Wärmespeicher.
  • Die Beschreibung des Ausführungsbeispiels erfolgt mit Hilfe der Figur 4.
  • Während der Beladung drückt die Pumpe 13 Wasser in den unter Kohlendioxiddampf stehenden Druckwasserspeicher 12. Der verdrängte Kohlendioxiddampf wird im unterkritischen Zustand entweder im Rekuperator 3 durch Abführung von Wärme an das Rückkühlwerk 1 kondensiert und im flüssigem Zustand im Arbeitsmittelspeicher 5 zwischengelagert, oder dem Verdichter 7 zugeführt und dort auf überkritischen Druck komprimiert, im Rekuperator 9 durch Wärmeabgabe an den Wärmespeicher 4 oder das Heiznetz 10 gekühlt, danach in der Expansions-Turbomaschine 8 unter Abgabe von technischer Arbeit entspannt, verflüssigt und danach ebenfalls dem Arbeitsmittelspeicher 5 zugeführt.
  • Im Zuge der Entladung gibt der Wärmespeicher 4 seine thermische Energie an das Heiznetz 10 ab und flüssiges Kohlendioxid aus dem Arbeitsmittelspeicher 5 wird durch die Pumpe 11 im Druck erhöht und unter Zuführung von Wärme aus der Abwärmequelle 2 im Rekuperator 3 verdampft.
  • Der Kohlendioxiddampf wird in den Druckwasserspeicher 12 geleitet, aus dem es das Wasser unter Abgabe von technischer Arbeit über die Druckwasserturbine 14 in das Wasserbecken 15 drückt und/oder über den Verdichter 7 und den Rekuperator 9 zur Versorgung des Heiznetzes 10 mit Prozess- und Heizwärme eingesetzt, bevor es wie bei der Beladung in der Expansions-Turbomaschine 8 unter Abgabe technischer Arbeit entspannt und verflüssigt dem Arbeitsmittelspeicher 5 zugeführt wird.
  • Bei einer Abwärmetemperatur der Wärmequelle 2 von 30 °C und einer vom Rückkühlwerk 1 gesicherten Kühltemperatur von 15 °C kann die für die Druckwasserspeicherung eingesetzte Elektroenergie annähernd vollständig zurückgewonnen und die Wärmeversorgung mit einer Vorlauftemperatur von 120 °C entsprechend einer Leistungszahl von 4 realisiert werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Umwandlung und Speicherung von regenerativer Energie oder anderer überschüssiger Energie bei dem eine Flüssigkeit in einem reversiblen Kreisprozess als Speichermedium verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium das zyklisch mechanisch in ein Druckgefäß, dass mit Gas oder Dampf eines Arbeitsmittels gefüllt ist, der unter gegenüber Umgebungsdruck höherem Druck steht, gehoben und danach unter Gewinn von technischer Arbeit wieder abgelassen wird, wobei das Speichermedium in einem ersten Schritt, der Beladung, durch Zuführung von technischer Arbeit im Druck so angehoben wird, dass es in ein Druckgefäß strömt und dort befindliches dampfförmiges Arbeitsmittel aus diesem verdrängt und der Dampf des Arbeitsmittels an Flächen, die durch das Speichermedium oder ein anderes Kühlmittel indirekt gekühlt werden, kondensiert und danach im flüssigen Zustand gespeichert wird, bevor es in einem zweiten Schritt, der Entladung, durch indirekte Zuführung von Wärme des Speichermediums oder eines anderen Wärmeträgers wieder verdampft, in das Druckgefäß geleitet und das dort befindliche Speichermedium, das durch Wärmeübertragung an des Arbeitsmittel dessen Verdampfung sichert, unter Abgabe von technischer Arbeit aus diesem wieder verdrängt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser als Speichermedium verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet das Kohlendioxid als Arbeitsmittel verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationswärme des Arbeitsmittels während der Beladung an eine externe Wärmesenke abgeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfung des Arbeitsmittels während der Entladung durch Zuführung von externer Wärme erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Arbeitsmittels im Druckgefäß während der Beladung durch Absaugung gesenkt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Arbeitsmittels während der Beladung durch Kompression erhöht wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das während der Entladung nach der Wärmezuführung vorliegende dampfförmige Arbeitsmittel vor seiner Einleitung in das mit Speichermedium gefüllte Druckgefäß unter Abgabe von mechanischer Energie im Druck abgesenkt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das durch Zuführung von externer Wärmeenergie verdampfte Arbeitsmittel unter Einkopplung von mechanischer Energie im Druck angehoben und danach mit oder ohne Auskopplung von Wärmeenergie in das Druckgefäß geleitet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, das die Verdampfung des Arbeitsmittels auf einem Temperaturniveau durchgeführt wird, wie es für Kühl- oder Frostungsprozesse erforderlich ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Arbeitsmittelspeicher während der Beladung des Druckwasserspeichers direkt Wärme zugeführt wird.
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