EP2739919A1 - Energiespeichervorrichtung sowie verfahren zur speicherung von energie - Google Patents

Energiespeichervorrichtung sowie verfahren zur speicherung von energie

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EP2739919A1
EP2739919A1 EP12755863.3A EP12755863A EP2739919A1 EP 2739919 A1 EP2739919 A1 EP 2739919A1 EP 12755863 A EP12755863 A EP 12755863A EP 2739919 A1 EP2739919 A1 EP 2739919A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compressor
working gas
energy
temperature
pressure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12755863.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Brunhuber
Carsten Graeber
Gerhard Zimmermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP12755863.3A priority Critical patent/EP2739919A1/de
Publication of EP2739919A1 publication Critical patent/EP2739919A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
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    • F01K27/02—Plants modified to use their waste heat, other than that of exhaust, e.g. engine-friction heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/10—Closed cycles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B11/00—Servomotor systems without provision for follow-up action; Circuits therefor
    • F15B11/06—Servomotor systems without provision for follow-up action; Circuits therefor involving features specific to the use of a compressible medium, e.g. air, steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/28—Methods of steam generation characterised by form of heating method in boilers heated electrically
    • F22B1/281—Methods of steam generation characterised by form of heating method in boilers heated electrically other than by electrical resistances or electrodes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D17/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles
    • F28D17/02—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles using rigid bodies, e.g. of porous material

Definitions

  • the need to store energy results in particular from the steadily growing share of power ⁇ factory investment from the renewable energy sector.
  • the goal of energy storage is to make the power plants with renewable energies so usable in the power transmission networks that renewable energy can be accessed with a time delay, so as to save fossil energy carrier ⁇ and thus CO 2 emissions.
  • US 2010/0257862 A1 describes a principle of a known energy storage device in which a piston engine is used. According to US 5,436,508 it is furthermore be ⁇ recognized that excess capacity is also in the use of wind energy can be stored for producing electric current from energy storage devices for storing thermal energy.
  • Such energy storage convert when charging the memory electrical energy into thermal energy and store the thermal energy. When unloading the thermal energy is converted back into electrical energy.
  • thermal energy storage Due to the length of time which has an energy storage to überbrü ⁇ CKEN, so the time to turn on the power to or from the energy storage and is popped, and the Leis ⁇ processing that need to store it, thermal energy storage are the dimensions correspondingly high Requirements made. Alone due to the size of thermal energy storage can therefore be very expensive to buy. If the energy store is elaborately designed for this, or the actual heat storage medium is expensive to purchase or expensive to operate, the acquisition and operating costs cost of a thermal energy storage quickly put the economics of energy storage in question.
  • the manufacturing cost of the energy stores are the accounting-and cost-effective storage material, in particular po ⁇ Roese materials, as well as sand, gravel, rock, concrete, water, saline etc. is preferred.
  • the heat exchanger should be dimensioned as cost effective. Due to the often low thermal conductivity of the inexpensive storage materials, however, the heat exchanger surfaces are often designed to be very large. The large number and length of nickeltau ⁇ shear tubes can thereby greatly increase the cost of the heat exchanger, which can not be compensated even by a cost storage ⁇ material.
  • heat exchangers based on inexpensive materials mainly in the form of a direct exchange of the heat carrier, such as air, and the storage mate ⁇ rials, such as sand or rock, designed to replace large heat exchangers.
  • the principle known in the art fluidized bed technology has not been applied in the order that would be required for a seasonal spoke ⁇ tion of renewable energy surplus.
  • a direct heat exchange also entails a relatively complicated handling of the solid, which is not economical for a large store.
  • a working gas such as beispielswei ⁇ se air
  • the working gas can be fed either in a closed or an open charging circuit or additional circuit.
  • An open circuit used as the working gas always Conversely ⁇ ambient air. This is sucked from the environment and at the end of the process also released back into this, so that the environment ⁇ closes the open circuit.
  • a closed circuit also allows the use of another working gas ⁇ than ambient air . This working gas is used in the closed circuit. Since a relaxation in the environment with simultaneous adjustment of the ambient pressure and the ambient temperature is eliminated, the working gas in the case of a closed circuit must be passed through a heat exchanger, which allows a release of heat of the working ⁇ gas to the environment. Since dehumidified air or other working gases can be used in a closed circuit, a multi-stage design of the compressor and a water separator can be dispensed with. The disadvantage here, however, the additional cost of the purchase and operation of an additional grappltau ⁇ shear after the expansion turbine, or before the compressor to heat the working gas to working temperature for the compressor. During operation, this reduces the efficiency of the energy storage device.
  • the charging circuit for storing the thermal energy in the heat accumulator is designed as an open circuit, and the compressor is constructed of two stages, wherein between the stages a What ⁇ serabscheider is provided for the working gas. This takes into account the fact that humidity is contained in the ambient air. By a relaxation of the working gas in a single stage, it may happen that the humidity condenses due to the strong cooling of the working gas, for example, -100 ° C and damaged here ⁇ at the expansion turbine. In particular, turbine blades can be permanently damaged by icing.
  • an energy storage device for storing thermal energy comprising a charging circuit for a working gas, a compressor, a heat accumulator and an expansion turbine, wherein the compressor outlet side with the entry of the Ex ⁇ pansionsturbine is connected via a first power for the working gas, and the heat storage is switched into the first line.
  • the compressor and the expansion turbine are now arranged on a common shaft, and the heat exchanger of the heat accumulator is designed such that the expanded in the expansion turbine working gas largely ⁇ corresponds to the thermodynamic state variables of the working gas before entering the compressor.
  • thermodynamic state variables are understood in particular pressure and temperature Tempe ⁇ the working gas.
  • the invention is based on the consideration that the working gas in the heat exchanger of the heat accumulator releases only part of its heat, and thus the working gas is still relatively warm when it enters the expansion turbine. This avoids that the temperature of the expanded working gas can drop very low due to the expansion in the expansion turbine. The working gas is thus not completely cooled in the heat storage. In consequence, this means that the heat storage only a part of the available must absorb thermal energy, namely in particular the high temperatures.
  • the invention now makes use of the fact that, although only a part of the available thermal energy is stored, the overall balance of the energy storage shifts in favor of an increased efficiency. This is explained on the one hand by the fact that it is possible to dispense with a device for heating, reheating or dewatering the expansion air, which would otherwise have a negative effect on the efficiency. By the expansion to ambient pressure and temperature, the problem of condensation of water, even when using moist intake air for the compressor is thus advantageously avoided. Thus, no damage can be caused by frozen condensate in the inventive method. Also on a capacitor can be omitted.
  • the expansion turbine also reduces the energy expenditure for compaction by being located on the same shaft as the compressor and significantly aids the compressor.
  • the heat storage can be cheaper by not using recovery of the lower temperatures, since the heat exchanger can be made smaller.
  • a second line for the working gas is provided via the the exit of the expansion turbine is connected to the inlet of the United poet.
  • a closed circuit of the working medium also allows a kos ten redesignere design, eg by the use of an inert gas with greater thermal conductivity (such as helium) or by avoiding condensation (for example, by the use of dry air). If the working gas according to the invention is not completely cooled in the bathtau ⁇ shear, it is located after the expansion in the expansion turbine in about the thermodynamic level of the working gas at the inlet of the compressor. This eliminates the need for an additional heat exchanger, which otherwise would have to warm the working gas for use in the compressor.
  • Storing the stored energy can be done, for example, a steam cycle.
  • Claimed is a method for storing thermal energy with a charging operation.
  • a working gas is compressed from a temperature Tl and a pressure PI to a pressure P2 having a temperature T2.
  • heat is transferred to a heat storage, whereby temperature and pressure of the working gas Tempe be reduced to a temperature T3 and a pressure P3.
  • the working gas is T4 to a pressure P4 having a temperature, said temperature T3 and pressure P3 set so that the Tem ⁇ temperature T4 and pressure P4 after the expansion process largely to the temperature T and the pressure PI before the compressor process.
  • the recirculation forms a cycle.
  • An inert gas can be used in the circuit.
  • the temperature-temperature T3 and the pressure P3 are preferably set by the dimensioning of the heat exchange process, thereby in particular ⁇ sondere by the size of the heat exchanger surface. Since the working gas only has to give up some of its heat energy via the heat exchanger to the heat accumulator, the size of the heat exchanger surface can be substantially fungibility ⁇ . This can be saved considerably in costs for the purchase of the heat storage.
  • the expansion energy released in the expansion process is transferred to the compressor process.
  • the thermal energy may be seasonal accumulating surplus ⁇ energy a power plant with renewable energy.
  • FIG. 1 shows an energy storage device with a charging and a discharge circuit
  • FIG. 2 A further development of the energy storage device from FIG. 1
  • FIG. 4 shows a further development of the method from FIG. 3 1 shows an energy storage device 1 with a charging circuit 2 and a discharge circuit 9.
  • the charging circuit 2 is part of the charging process 20.
  • the charging circuit 2 comprises essentially a first line 7, a compressor 4, with a heat storage 5 and a Expansion turbine 6 connects.
  • the compressor 4 and the expansion turbine are shown schematically here, and stand for all mögli ⁇ Chen concepts, such as a multi-level Aus ⁇ leadership with intermediate cooling or heating.
  • the compressor 4 is arranged with the expansion turbine 6 on a common shaft 14.
  • the shaft 14 is also driven by an electric motor 15.
  • the heat storage 5 is also shown here only schematically.
  • the heat storage essentially consists of a heat exchanger for storing thermal energy, a heat exchanger for the storage of thermal energy and the actual storage material.
  • the comparable applied according to the invention includes a heat storage inexpensive SpeI ⁇ storage material such as porous materials, sand, gravel, rock, Be ⁇ ton, water or brine.
  • the heat accumulator may also be multilayered to form high temperature storage areas and low temperature storage areas.
  • the Endladeniklauf 9 is part of the Endladevorgangs 19.
  • the Endladeniklauf 9 essentially comprises the heat ⁇ memory 5, which is connected via a steam line 18 for a second Schwarzgas 10 with a steam turbine 13, wherein the steam turbine 13 on a common second shaft 12th is connected to a generator 16.
  • the steam line 18 is designed as an open circuit. In this case, steam is coupled out of the steam turbine 13 as the second working gas 10, and via an optional heat exchanger 25 and a
  • the 3 shows a method for storing energy.
  • the method comprises a charging process 20 and a discharge process 19. Only the charging process 20 is shown here.
  • the charging process 20 comprises a compressor process 23, a heat exchanger process 21 and an expansion process 22.
  • the charging process is operated here as an open circuit.
  • the compressor process 23 a working gas 3, beispielswei ⁇ se ambient air, with a temperature Tl, for example, 20 ° C and a pressure PI supplied, for example, 1 bar.
  • the working gas 3 is compressed.
  • the compressor process 23 leaves the working gas 3 with a pressure P2 of, for example 550 ° C and a temperature T2, for example, 20 bar.
  • the working gas 3 is supplied to the heat exchanger process 21, in which, according to the invention, it gives off only part of its heat, and thus it is cooled only relatively slightly.
  • Were the ⁇ meleyerlui 21 leaves the working gas 3 at a pressure P3, such as 15 bar and at a relatively high temperature T3 of, for example 230 ° C.
  • the pressure P3 can be advantageously adjusted by the dimensioning of the pulptau ⁇ shear process 21.
  • the working gas 3 is supplied to the expansion ⁇ process 22, where it is expanded.
  • the working gas is cooled to nearly ambient temperature Conversely ⁇ . 3
  • the expansion process 22 leaves the working gas 3 with a temperature T4 of, for example, 20 ° C and a pressure P4, for example, 1 bar.
  • the temperature Tl is approximately equal to the temperature T4 and the pressure PI is approximately equal to the pressure P4.
  • FIG 4 shows a further development of the method according to the invention. Shown is the charging process 20 of FIG 3. However, one is to the working gas additionally ⁇ 3 back conductive Ver ⁇ bond between the expansion process 22 and the compressor 23 is present process. As a result, the charging circuit 2 for the working gas 3 is designed as a closed circuit.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung (1) zur Speicherung thermischer Energie, mit einem Ladekreislauf (2) für ein Arbeitsgas (3), umfassend einen Verdichter (4), einen Wärmespeicher (5) und eine Expansionsturbine (6), wobei der Verdichter (4) austrittsseitig mit dem Eintritt der Expansionsturbine (6) über eine erste Leistung (7) für das Arbeitsgas (3) verbunden ist, und der Wärmespeicher (5) in die erste Leitung (7) geschaltet ist. Erfindungsgemäß ist der Verdichter (4) und die Expansionsturbine (6) auf einer gemeinsamen Welle (14) angeordnet, und der Wärmetauscher des Wärmespeichers (5) derart ausgelegt, dass das in der Expansionsturbine (6) entspannte Arbeitsgas (3) weitgehend den thermodynamischen Zustandsgrößen des Arbeitsgases (3) vor Eintritt in den Verdichter (4) entspricht. Dabei wird nur ein Teil der Wärmeenergie auf den Wärmespeicher (5) übertragen. Das der Expansionsturbine (6) zugeführte Arbeitsgas (3) bleibe relativ warm.

Description

Beschreibung
Energiespeichervorrichtung sowie Verfahren zur Speicherung von Energie
Die Notwendigkeit zur Speicherung von Energie ergibt sich insbesondere aus dem stetig anwachsenden Anteil an Kraft¬ werksanlage aus dem Sektor der erneuerbaren Energien. Ziel der Energiespeicherung ist es dabei, die Kraftwerke mit er- neuerbaren Energien derart in den Stromübertragungsnetzen nutzbar zu machen, dass auf erneuerbar erzeugte Energie auch zeitversetzt zugegriffen werden kann, um so fossile Energie¬ träger und somit CO2 Emissionen einzusparen. Die US 2010/0257862 AI beschreibt ein Prinzip einer bekannten Energiespeichervorrichtung, bei der eine Kolbenmaschine zum Einsatz kommt. Gemäß der US 5,436,508 ist es überdies be¬ kannt, dass durch Energiespeichervorrichtungen zur Speicherung thermischer Energie auch Überkapazitäten bei der Nutzung von Windenergie zur Herstellung elektrischen Stroms zwischengespeichert werden können.
Derartige Energiespeicher wandeln beim Laden des Speichers elektrische Energie in thermische Energie um und speichern die thermische Energie. Beim Entladen wird die thermische Energie wieder in elektrische Energie umgesetzt.
Aufgrund der Zeitspanne die ein Energiespeicher zu überbrü¬ cken hat, also die Zeit, über die Energie in bzw. aus dem Energiespeicher ein- und ausgespeichert wird, und der Leis¬ tung die es zu speichern gilt, sind an die Dimensionen thermische Energiespeicher entsprechend hohe Anforderungen gestellt. Schon allein aufgrund der Baugröße können thermische Energiespeicher daher sehr teuer in der Anschaffung werden. Ist der Energiespeicher dazu aufwendig gestaltet, oder das eigentliche Wärmespeichermedium teuer in der Anschaffung oder aufwendig im Betrieb, können die Anschaffungs- und Betriebs- kosten für einen thermischen Energiespeicher schnell die Wirtschaftlichkeit der Energiespeicherung in Frage stellen.
Damit sich die Herstellkosten für den Energiespeicher rech- nen, wird kostengünstiges Speichermaterial, insbesondere po¬ röse Materialien, aber auch Sand, Kies, Gestein, Beton, Wasser, Salzlösung etc. bevorzugt. Auch der Wärmetauscher sollte möglichst kostengünstig dimensioniert werden. Aufgrund der oft geringen Wärmeleitfähigkeit der kostengünstigen Speicher- materialien sind jedoch oft die Wärmetauscherflächen sehr groß auszulegen. Die große Anzahl und Länge der Wärmetau¬ scherrohre lassen dabei die Kosten des Wärmetauschers stark ansteigen, welche selbst durch ein kostengünstiges Speicher¬ material nicht mehr kompensiert werden können.
Bisher wurden Wärmetauscher auf Basis kostengünstiger Materialien hauptsächlich in Form eines direkten Austauschs des Wärmeträgers, wie beispielsweise Luft, und des Speichermate¬ rials, wie beispielsweise Sand oder Gestein, ausgestaltet um große Wärmetauscher zu ersetzen. Die in der Technik prinzipiell bekannte Wirbelschichttechnik wurde bisher nicht in einer Größenordnung angewandt, die für eine saisonale Speiche¬ rung von erneuerbaren Überschussenergie erforderlich wären. Ein direkter Wärmeaustausch bringt zudem einen relativ kom- plizierten Umgang mit dem Feststoff mit sich, was für einen Großspeicher nicht wirtschaftlich ist.
Als Wärmeträgermedium kommt ein Arbeitsgas, wie beispielswei¬ se Luft, zum Einsatz. Das Arbeitsgas kann dabei wahlweise in einem geschlossenen oder einem offenen Ladekreislauf oder Zu- satzkreislauf geführt werden.
Ein offener Kreislauf verwendet als Arbeitsgas immer Umge¬ bungsluft. Diese wird aus der Umgebung angesaugt und am Ende des Prozesses auch wieder in diese entlassen, so dass die Um¬ gebung den offenen Kreislauf schließt. Ein geschlossener Kreislauf erlaubt auch die Verwendung eines anderen Arbeits¬ gases als Umgebungsluft. Dieses Arbeitsgas wird in dem ge- schlossenen Kreislauf geführt. Da eine Entspannung in die Umgebung bei gleichzeitiger Einstellung des Umgebungsdruckes und der Umgebungstemperatur entfällt, muss das Arbeitsgas im Falle eines geschlossenen Kreislaufes durch einen Wärmetau- scher geführt werden, der eine Abgabe von Wärme des Arbeits¬ gases an die Umgebung erlaubt. Da in einem geschlossenen Kreislauf auch entfeuchtete Luft oder andere Arbeitsgase ver¬ wendet werden können, kann auf eine mehrstufige Ausgestaltung des Verdichters und einen Wasserabscheider verzichtet werden. Nachteilig ist hier jedoch der zusätzliche Kostenaufwand für die Anschaffung und den Betrieb eines zusätzlichen Wärmetau¬ schers nach der Expansionsturbine, bzw. vor dem Verdichter, um das Arbeitsgas auf Arbeitstemperatur für den Verdichter zu erwärmen. Im Betrieb ist dadurch die Energiespeichervorrich- tung im Wirkungsgrad geschmälert.
Alternativ kann vorgesehen werden, dass der Ladekreislauf für die Speicherung der thermischen Energie in dem Wärmespeicher als offener Kreislauf ausgebildet ist, und der Verdichter aus zwei Stufen aufgebaut ist, wobei zwischen den Stufen ein Was¬ serabscheider für das Arbeitsgas vorgesehen ist. Hierbei wird dem Umstand Rechnung getragen, dass in der Umgebungsluft Luftfeuchtigkeit enthalten ist. Durch eine Entspannung des Arbeitsgases in einer einzigen Stufe kann es dazu kommen, dass die Luftfeuchtigkeit aufgrund der starken Abkühlung des Arbeitsgases auf beispielsweise -100°C kondensiert und hier¬ bei die Expansionsturbine beschädigt. Insbesondere können Turbinenschaufeln durch Vereisung nachhaltig beschädigt werden. Eine Entspannung des Arbeitsgases in zwei Schritten er- möglicht es jedoch, kondensiertes Wasser in einem Wasserab¬ scheider hinter der ersten Stufe beispielsweise bei 5°C abzu¬ scheiden, so dass dieses bei einer weiteren Abkühlung des Arbeitsgases in der zweiten Turbinenstufe bereits entfeuchtet ist und eine Eisbildung verhindert oder zumindest verringert werden kann. Nachteilig ist jedoch auch hier der erhöhte Kostenaufwand für die Anschaffung eines mehrstufigen Verdichters und eines Wasserabscheiders. Auch ist im Betrieb eine derar¬ tige Anlage im Wirkungsgrad geschmälert. Aufgabe der Erfindfindung ist es eine kostengünstige Energie¬ speichervorrichtung zur Speicherung thermischer Energie auf Basis von kostengünstigen Speichermaterialen anzugeben, die einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist. Dabei gilt es ins¬ besondere die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermei¬ den. Aufgabe der Erfindung ist zudem ein Verfahren anzugeben, durch welches sich unter einem verbesserten Wirkungsgrad thermische Energie in kostengünstigen Speichermaterialen speichern lässt.
Gelöst wird die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1. Demnach umfasst eine Energiespeichervorrichtung zur Speicherung thermischer Energie, mit einem Ladekreislauf für ein Arbeitsgas, einen Verdichter, einen Wärmespeicher und eine Expansionsturbine, wobei der Verdichter austrittsseitig mit dem Eintritt der Ex¬ pansionsturbine über eine erste Leistung für das Arbeitsgas verbunden ist, und der Wärmespeicher in die erste Leitung ge- schaltet ist. Erfindungsgemäß sind nun der Verdichter und die Expansionsturbine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, und der Wärmetauscher des Wärmespeichers ist derart ausgelegt, dass das in der Expansionsturbine entspannte Arbeitsgas weit¬ gehend den thermodynamischen Zustandsgrößen des Arbeitsgases vor Eintritt in den Verdichter entspricht. Als thermodynami- sche Zustandsgrößen werden dabei insbesondre Druck und Tempe¬ ratur des Arbeitsgases verstanden.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass das Ar- beitsgas im Wärmetauscher des Wärmespeichers nur ein Teil seiner Wärme abgibt, und somit das Arbeitsgas bei Eintritt in die Expansionsturbine noch relativ warm ist. Dadurch wird vermieden, dass die Temperatur des entspannten Arbeitsgases durch die Expansion in der Expansionsturbine sehr tief sinken kann. Das Arbeitsgas wird also in dem Wärmespeicher nicht komplett abgekühlt. In der Konsequenz bedeutet dies, dass der Wärmespeicher nur noch einen Teil der zur Verfügung stehenden thermischen Energie aufnehmen muss, nämlich insbesondere die hohen Temperaturen.
Die Erfindung macht sich nun zu Nutze, dass, obwohl nur noch ein Teil der verfügbaren thermischen Energie gespeichert wird, sich die Gesamtbilanz der Energiespeicherung zugunsten eines erhöhten Wirkungsgrads verschiebt. Dies erklärt sich einerseits dadurch, dass auf eine Vorrichtung zum Anwärmen, Zwischenerhitzen oder Entwässern der Expansionsluft verzichtet werden kann, die sich sonst negativ auf den Wirkungsgrad auswirken. Durch die Expansion auf Umgebungsdruck und - Temperatur ist somit das Problem der Kondensation von Wasser, selbst bei Verwendung von feuchter Ansaugluft für den Verdichter vorteilhaft vermieden. Somit können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Schäden durch gefrorenes Kondensat entstehen. Auch auf einen Kondensator kann verzichtet werden .
Die Expansionsturbine verringert zudem den Energieaufwand für die Verdichtung, indem sie auf der gleichen Welle wie der Verdichter angeordnet ist, und den Verdichter wesentlich mit unterstützt .
Da die Abkühlung des Arbeitsgases bei niedrigen Temperaturen sehr große Wärmetauscherflächen erfordert, kann durch den Verzicht auf Verwertung der niedrigeren Temperaturen auch der Wärmespeicher günstiger ausfallen, da der Wärmetauscher kleiner dimensioniert werden kann.
In Summe wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme eine erheb¬ liche Steigerung des Wirkungsgrades der Energiespeicherung erzielt. Zudem ist die erfindungsgemäße Energiespeichervor¬ richtung wesentlich günstiger in der Anschaffung, als eine herkömmliche Energiespeichervorrichtung, bei der das Arbeitsgas weitgehend vollständig im Wärmetauscher abgekühlt wird.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist eine zweite Leitung für das Arbeitsgas vorgesehen, über die der Austritt der Expansionsturbine mit dem Eintritt des Ver dichters miteinander verbunden ist. Durch die Rückführung d Arbeitsgases, welches in der Expansionsturbine entspannt wird, zurück in den Verdichter, wird so ein geschlossener Kreislauf für das Arbeitsgas gebildet. Ein geschlossener Kreislauf des Arbeitsmediums ermöglicht zusätzlich eine kos tengünstigere Auslegung, z.B. durch die Verwendung eines Inertgases mit größerer Wärmeleitfähigkeit (wie beispielswe se Helium) oder durch die Vermeidung von Kondensation (beispielsweise durch die Verwendung trockener Luft) . Wird das Arbeitsgas nun erfindungsgemäß nicht komplett im Wärmetau¬ scher abgekühlt, befindet es sich nach der Expansion in der Expansionsturbine in etwa auf dem thermodynamischen Niveau des Arbeitsgases am Eintritt des Verdichters. Dadurch kann auf einen zusätzlichen Wärmetauscher verzichtet werden, der sonst das Arbeitsgas für die Verwendung im Verdichter anwär men müsste.
Ausspeichern der gespeicherten Energie kann zum Beispiel einen Dampfkreislauf erfolgen.
Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale nach Anspruch 6. Beansprucht wird ein Verfahren zur Speicherung thermischer Energie mit einem Ladevorgang. In dem Ladevorgang wird in einem Verdichterprozess ein Arbeitsgas von einer Temperatur Tl und einem Druck PI auf einen Druck P2 mit einer Temperatur T2 verdichtet. In einem dem Verdichterprozess folgenden Wärmetauscherprozess wird Wärme auf einen Wärmespeicher übertragen, wodurch Tempe ratur und Druck des Arbeitsgases auf eine Temperatur T3 und einen Druck P3 verringert werden. In einem dem Wärmetauscher prozess folgenden Expansionsprozess wird das Arbeitsgas auf einen Druck P4 mit einer Temperatur T4 entspannt, wobei Temperatur T3 und Druck P3 so eingestellt werden, dass die Tem¬ peratur T4 und der Druck P4 nach dem Expansionsprozess weitgehend der Temperatur Tl und dem Druck PI vor dem Verdichter prozess entsprechen. Somit ist es möglich, dass das Arbeitsgas nach dem Expansi- onsprozess wieder dem Verdichterprozess zugeführt werden kann. Durch die Rückführung wird ein Kreislauf gebildet. In dem Kreislauf kann ein Inertgas verwendet werden. Die Tempe- ratur T3 und der Druck P3 werden dabei vorzugsweise durch die Dimensionierung des Wärmetauscherprozesses, und dabei insbe¬ sondere durch die Größe der Wärmetauscherfläche, eingestellt. Da das Arbeitsgas nur noch einen Teil seiner Wärmeenergie über den Wärmetauscher an den Wärmespeicher abgeben muss, lässt sich die Größe der Wärmetauscherfläche wesentlich ver¬ ringern. Dadurch kann erheblich an Kosten für die Anschaffung des Wärmespeichers gespart werden.
Vorzugsweise wird die im Expansionsprozess freiwerdende Ex- pansionsenergie auf den Verdichterprozess übertragen. Somit leistet die Energie, die nicht in Form von Wärme auf den Wär¬ mespeicher übertragen wurde, noch einen merklichen Beitrag zur Verdichtung des Arbeitsgases. Die thermische Energie kann saisonal anfallende Überschuss¬ energie eines Kraftwerks mit erneuerbaren Energien sein. Als Speichermaterial für den Wärmespeicher des Wärmetauscherpro¬ zesses eignen sich besonders poröse Materialien, Sand, Kies, Gestein, Beton, Wasser oder Salzlösung.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Darin zeigt
FIG 1 Eine Energiespeichervorrichtung mit einem Lade- und einem Endladekreislauf
FIG 2 Eine Weiterentwicklung der Energiespeichervorrichtung aus FIG 1
FIG 3 Ein Verfahren zur Speicherung thermischer Energie
FIG 4 Eine Weiterentwicklung des Verfahrens aus FIG 3 FIG 1 zeigt eine Energiespeichervorrichtung 1 mit einem Ladekreislauf 2 und einem Endladekreislauf 9. Der Ladekreislauf 2 ist Bestandteil des Ladevorgangs 20. Der Ladekreislauf 2 um- fasst im Wesentlichen eine erste Leitung 7, die einen Ver- dichter 4, mit einem Wärmespeicher 5 und einer Expansionsturbine 6 verbindet. Der Verdichter 4 und die Expansionsturbine sind hier schematisch dargestellt, und stehen für alle mögli¬ chen Konzepte, wie beispielsweise auch eine mehrstufige Aus¬ führung mit Zwischenkühlung oder -Erhitzung.
Der Verdichter 4 ist mit der Expansionsturbine 6 auf einer gemeinsamen Welle 14 angeordnet. Die Welle 14 wird zudem von einem Elektromotor 15 angetrieben. Der Wärmespeicher 5 ist hier ebenfalls nur Schematisch dargestellt. Der Wärmespeicher besteht im Wesentlichen aus einem Wärmetauscher zum Einspeichern von thermischer Energie, einem Wärmetauscher zur Ausspeicherung thermischer Energie und dem eigentlichen Speichermaterial. Der gemäß der Erfindung ver- wendete Wärmespeicher beinhaltet ein kostengünstiges Spei¬ chermaterial wie poröse Materialien, Sand, Kies, Gestein, Be¬ ton, Wasser oder Salzlösung. Der Wärmespeicher kann zudem mehrschichtig sein, um Bereich zur Speicherung von hohen Temperaturen, und Bereiche zur Speicherung niedriger Temperatu- ren zu bilden.
Der Endladekreislauf 9 ist Bestandteil des Endladevorgangs 19. Der Endladekreislauf 9 umfasst im Wesentlichen den Wärme¬ speicher 5, der über eine Dampfleitung 18 für ein zweites Ar- beitsgas 10 mit einer Dampfturbine 13 verbunden ist, wobei die Dampfturbine 13 auf einer gemeinsamen zweiten Welle 12 mit einem Generator 16 verbunden ist. Die Dampfleitung 18 ist dabei als offener Kreislauf ausgestaltet. Dabei wird Dampf als zweites Arbeitsgas 10 aus der Dampfturbine 13 ausgekop- pelt, und über einen optionalen Wärmetauscher 25 und eine
Pumpe 17 dem Wärmetauscher des Wärmespeichers 5 zur Ausspei¬ cherung von Wärmeenergie zugeführt. FIG 2 zeigt eine vorteilhafte Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung. Zusätzlich zu der in FIG 1 gezeigten Energiespeichervorrichtung ist der Ladekreislauf 2 nun als geschlossener Kreislauf ausgestaltet. Dazu ist eine zweite Leitung 8 für das Arbeitsgas 3 vorgesehen, die den Austritt der Expansionsturbine mit dem Eintritt des Ver¬ dichters miteinander verbindet.
FIG 3 zeigt ein Verfahren zur Speicherung von Energie. Das Verfahren umfasst einen Ladevorgang 20 und einen Endladevorgang 19. Dargestellt ist hier lediglich der Ladevorgang 20.
Der Ladevorgang 20 umfasst einen Verdichterprozess 23, einen Wärmetauscherprozess 21 und einen Expansionsprozess 22. Der Ladevorgang wird hier als offener Kreislauf betrieben.
Dem Verdichterprozess 23 wird ein Arbeitsgas 3, beispielswei¬ se Umgebungsluft, mit einer Temperatur Tl von beispielsweise 20°C und einem Druck PI von beispielsweise 1 bar zugeführt. In dem Verdichterprozess 23 wird das Arbeitsgas 3 verdichtet. Den Verdichterprozess 23 verlässt das Arbeitsgas 3 mit einem Druck P2 von beispielsweise 550°C und einer Temperatur T2 von beispielsweise 20 bar. Mit diesen thermodynamischen Bedingungen wird das Arbeitsgas 3 dem Wärmetauscherprozess 21 zuge- führt, in dem es erfindungsgemäß nur einen Teil seiner Wärme abgibt, und somit nur relativ gering abgekühlt wird. Den Wär¬ metauscherprozess 21 verlässt das Arbeitsgas 3 mit einem Druck P3 von beispielsweise 15 bar und einer noch relativ hohen Temperatur T3 von beispielsweise 230°C. Der Druck P3 kann dabei vorteilhaft durch die Dimensionierung des Wärmetau¬ scherprozesses 21 eingestellt werden.
Mit diesen Konditionen wird das Arbeitsgas 3 dem Expansions¬ prozess 22 zugeführt, wo es expandiert wird. Durch die Herab- setzung des Drucks wird das Arbeitsgas 3 auf nahezu Umge¬ bungstemperatur abgekühlt. Den Expansionsprozess 22 verlässt das Arbeitsgas 3 mit einer Temperatur T4 von beispielsweise 20°C und einem Druck P4 von beispielsweise 1 bar. Somit ent- spricht die Temperatur Tl in etwa der Temperatur T4 und der Druck PI in etwa dem Druck P4.
FIG 4 zeigt eine Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens . Dargestellt ist der Ladevorgang 20 aus FIG 3. Zu¬ sätzlich ist jedoch eine das Arbeitsgas 3 rückleitende Ver¬ bindung zwischen dem Expansionsprozess 22 und dem Verdichter- prozess 23 vorhanden. Dadurch ist der Ladekreislauf 2 für das Arbeitsgas 3 als geschlossener Kreislauf ausgeführt.
Aufgrund der hohen Temperatur T2 nach dem Verdichterprozess 23 besteht im Wärmespeicherprozess 21 keine Gefahr der Was¬ serkondensation .

Claims

Patentansprüche
1. Energiespeichervorrichtung (1) zur Speicherung thermischer Energie, mit einem Ladekreislauf (2) für ein Arbeitsgas (3), umfassend einen Verdichter (4), einen Wärmespeicher (5) und eine Expansionsturbine (6), wobei der Verdichter (4) aus- trittsseitig mit dem Eintritt der Expansionsturbine (6) über eine erste Leistung (7) für das Arbeitsgas (3) verbunden ist, und der Wärmespeicher (5) in die erste Leitung (7) geschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Verdichter (4) und die Expansionsturbine (6) auf einer gemeinsamen Welle (14) angeordnet sind, und
- dass der Wärmetauscher des Wärmespeichers (5) derart
ausgelegt ist, dass das in der Expansionsturbine (6) entspannte Arbeitsgas (3) weitgehend den thermodynami- schen Zustandsgrößen des Arbeitsgases (3) vor Eintritt in den Verdichter (4) entspricht.
2. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Leitung (8) für das Arbeits¬ gas (3) vorgesehen ist, über die der Austritt der Expansions¬ turbine (6) mit dem Eintritt des Verdichters (4) miteinander verbunden ist, so dass ein geschlossener Ladekreislauf gebil- det ist.
3. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (5) zu¬ dem in einen Endladekreislauf (9) für ein zweites Arbeitsgas (10) geschaltet ist, wobei der Wärmetauscher (5) in dem End¬ ladekreislauf (9) mit einer Dampfturbine (12) verbunden ist.
4. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Anwendung in einem Kraftwerk welches mit erneuerbaren Energien betrieben wird, zur Speicherung von saisonaler elektrischer Überschussenergie.
5. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermaterial des Wärmespeichers (5) poröse Materialien, Sand, Kies, Gestein, Beton, Wasser oder Salzlösung sind.
6. Verfahren zur Speicherung thermischer Energie, bei dem in einem Ladeprozess (20)
a) in einem Verdichterprozess (23) ein Arbeitsgas (3) von einer Temperatur Tl und einem Druck PI auf einen Druck P2 mit einer Temperatur T2 verdichtet wird,
b) in einem Wärmetauscherprozess (21) Wärme auf einen Wär¬ mespeicher (5) übertragen wird, wodurch Temperatur und Druck des Arbeitsgases (3) auf eine Temperatur T3 und einen Druck P3 verringert werden, und
c) in einem Expansionsprozess (22) das Arbeitsgas (3) auf einen Druck P4 mit einer Temperatur T4 entspannt wird, wobei Temperatur T3 und Druck P3 so eingestellt werden, dass die Temperatur T4 und der Druck P4 nach dem Expansionsprozess (22) weitgehend der Temperatur Tl und dem Druck PI vor dem Verdichterprozess entsprechen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Temperatur T3 und der Druck P3 durch die Dimensionierung des Wärmetauscherprozesses (21) eingestellt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, bei dem die im Expansionsprozess (22) freiwerdende Expansionsenergie auf den Verdichterprozess (23) übertragen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Verdichter mit elektrisch saisonal anfallende Überschussenergie eines Kraftwerks mit erneuerbaren Energien angetrieben wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei als Speichermaterial für den Wärmespeicher des Wärmetauscherpro¬ zesses (21) poröse Materialien, Sand, Kies, Gestein, Beton, Wasser oder Salzlösung verwendet werden.
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