EP2761142A1 - Anlage zur speicherung thermischer energie und verfahren zu deren betrieb - Google Patents

Anlage zur speicherung thermischer energie und verfahren zu deren betrieb

Info

Publication number
EP2761142A1
EP2761142A1 EP12770061.5A EP12770061A EP2761142A1 EP 2761142 A1 EP2761142 A1 EP 2761142A1 EP 12770061 A EP12770061 A EP 12770061A EP 2761142 A1 EP2761142 A1 EP 2761142A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid energy
machine
working gas
thermal
thermal fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12770061.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Reznik
Henrik Stiesdal
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP12770061.5A priority Critical patent/EP2761142A1/de
Publication of EP2761142A1 publication Critical patent/EP2761142A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/005—Installations wherein the liquid circulates in a closed loop ; Alleged perpetua mobilia of this or similar kind
    • 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
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/14—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/10—Combinations of wind motors with apparatus storing energy
    • F03D9/17—Combinations of wind motors with apparatus storing energy storing energy in pressurised fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/10—Combinations of wind motors with apparatus storing energy
    • F03D9/18—Combinations of wind motors with apparatus storing energy storing heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/22—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus producing heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • F03D9/255—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator connected to electrical distribution networks; Arrangements therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/42—Storage of energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/42—Storage of energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the invention relates to a system for storing thermal energy, which has a circuit for a working gas on ⁇ .
  • the following units are connected to one another in the stated sequence by a line for the working gas: a first thermal fluid energy machine, a heat accumulator, a second thermal fluid energy machine and a cold accumulator.
  • the first ther Fluidenergy- machine is connected as a working machine and the second thermal Flui ⁇ energy-engine as an engine.
  • the invention relates to two methods for operating this system.
  • a method for storing thermal energy the circuit is traversed in the direction from the heat storage device to the cold storage, which corresponds to the above-mentioned sequence of the building units.
  • stored thermal energy from the plant can also umgewan ⁇ delt, z. B. in mechanical energy.
  • the units are run in reverse order, in other words, the flow direction of the working gas is reversed ⁇ . This then happens first the cold storage and then the heat storage, in which case the first thermal fluid energy machine is operated as an engine and the thermal fluid energy machine as a work machine.
  • thermal fluid energy machine used as a work machine is thus used as a compressor or as a compressor.
  • an engine performs work, wherein a thermal fluid energy machine for performing work converts the space available in the working gas thermi ⁇ specific energy. In this case, the thermal fluid energy machine is thus operated as a motor.
  • thermal fluid energy machine forms a generic term for machines which can extract a working gas, thermal energy or thermal energy from a working fluid in connection with this application.
  • Thermal energy means both heat energy and cooling energy machines can be designed for example as a piston engine.
  • hydrodynamic thermal Fluidener ⁇ energy machinery can be used, the wheels allow a continuous flow of the working gas.
  • turbine or compressor axially acting used.
  • the object of the invention is to provide a system for storing thermal energy of the type specified or method for the conversion of thermal energy (for example, conversion of mechanical into thermal energy with subsequent storage or conversion of the stored thermal energy into mechanical energy), with or with the high efficiency at the same time reasonable expense of the units used is possible.
  • This object is achieved with the plant specified inven tion ⁇ tion according to that in addition to the first Fluidenergy- machine a low-temperature heat storage is provided in the circuit.
  • This heat storage is referred to as low-temperature heat storage because the temperature level reached by storing the heat karbe ⁇ dingt is below the temperature level of the heat store.
  • the heat storage could thus be referred to as high-temperature heat storage in the context of the invention compared to the low-temperature heat storage.
  • Heat is also defined by the reference to the ambient temperature of the system. Everything about ambient temperature is heat while everything is below ambient cold. This also makes it clear that the temperature level of the cold accumulator is below the ambient temperature.
  • the use of the low-temperature heat accumulator has fol ⁇ ing advantages. If the system for storing the thermi ⁇ 's energy is used, the low-temperature heat storage ⁇ is run through working before passing through the working machine as in this case (compressor) first fluid energy machine. As a result, the working gas is already warmed up over ambient ⁇ temperature. This has the advantage that the Ar ⁇ driven machine must absorb less power to achieve the required temperature of the working gas. Specifically, the heat storage to over 500 ° C to be warmed up, which can advantageously be done after the preheating of the working gas with technically available thermodynamic compressors, which allow a compression of the working gas to 15 bar. Advantageously, therefore, can be used on components for the units of the system, which are available on the market without costly modifications.
  • the working gas can be fed either in a closed or an open circuit.
  • An open circuit always uses the ambient air as working gas. This is sucked from the environment and at the end of the process also released back into it, so that the environment of the open Circuit closes.
  • a closed circuit also allows the use of a different working gas than ambient air. This working gas is guided 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 must be performed in the case of a closed circuit through a heat exchanger, which allows a release or absorption of heat of the working gas to the surrounding ⁇ environment.
  • the circuit is formed as an open circuit ⁇ forms and the second thermal fluid energy machine is constructed of two stages, wherein between the stages a water separator is provided for the working gas.
  • This takes into account the fact that humidity is contained in the ambient air.
  • the humidity due to the strong cooling of the working gas to eg -114 ° C, thereby damaging the thermal fluid energy machine.
  • turbine blades can be permanently damaged by icing. Relaxation of the working gas in two steps, however, allows condensed water in a water trap behind the first stage, for example
  • a particular embodiment of the system according to the invention provides that is GE ⁇ connected in parallel with the first thermal fluid energy machine a third thermal fluid energy machine and / or the second thermal fluid energy machine, a fourth thermal fluid energy machine in the circuit.
  • a valve mechanism is provided Zvi ⁇ rule of the first and third and / or the second and the fourth thermal fluid energy machine, respectively.
  • the solution of the problem also succeeds by the aforementioned method for storing thermal energy in that before the first fluid energy machine Nie ⁇ dertemperatur heat storage is flowed through by the working gas. That is, the working gas is warmed up by the low-temperature heat storage is fed into the first fluid energy machine.
  • the working gas in the low-temperature heat storage to a temperature between 60 ° C and 100 ° C are particularly advantageously heated to a temperature of 80 ° C.
  • the working gas can be compressed to more than 15 bar, which can reach temperatures of the working level of up to 550 ° C.
  • Equally object is achieved by the initially mentioned method for converting thermal energy by the fact that (in the reverse flow direction of the working gas) a low-temperature thermal storage ⁇ cher flows through the working gas downstream of the first fluid energy machine.
  • this is the same low-temperature heat storage used in the thermal energy storage method mentioned above.
  • This has the advantage that after a process for converting the thermal energy of the low-temperature heat storage is recharged while the heat storage and the cold storage are discharged. If the process in a method for storing thermal energy again reversed, so the cached in low-temperature thermal storage ⁇ cher energy is now available for preheating the Ar ⁇ beitsgases available.
  • the working gas can be heated in the low-temperature heat storage to a temperature between 100 ° C and 160 ° C. Particularly advantageous is a heating to 130 ° C. It is also advantageous if the working gas is compressed by the second thermal fluid energy machine Hoechsmann ⁇ least 10 bar. Here, too, is a meaningful technical compromise in the balance between effort and benefits.
  • FIG 1 shows an embodiment of the invention
  • a system for storing thermal energy according to FIG. 1 has a line 11 with which several units are connected to one another in such a way that they can be flowed through by a working gas.
  • the working gas flows through a low-temperature heat storage 12 and then through a first thermal fluid energy machine 13, which is designed as a hydrodynamic compressor. Furthermore, the Lei ⁇ tion then leads to a heat storage 14. This is connected to a second thermal fluid energy machine 15, which is designed as a hydrodynamic turbine.
  • a cold storage 16 is connected to the low-temperature heat accumulator 12 through line 11, and moreover a heat exchanger 17 is provided in this line section, via which the working gas heat to the Give environment or record from the environment (depending on the operating mode).
  • FIG. 1 a closed circuit for the working gas is provided.
  • the management Section between the cold storage 16 and the low-temperature heat storage 12 together with the heat exchanger 17 is omitted.
  • the circuit would be ge ⁇ closed over the environment, wherein the working gas, which consists in this case of ambient air is sucked on the low-temperature heat ⁇ memory 12 and would be blown back into the environment by the cold storage sixteenth
  • a third thermal Fluidenergy- machine 18 in the form of a hydrodynamic turbine and a fourth thermal fluid energy machine 19 is provided in the form of a hyd ⁇ rodynamischen compressor.
  • first hydrodynamic fluid energy machine 13 in line 11 is connected in parallel with the third hydrodynamic fluid energy machine 18 and the second fluid energy machine 15 in line 11 is connected in parallel with the fourth fluid energy machine 19 is.
  • Ventilme ⁇ mechanisms 20 ensure by opening and closing that only the first and second fluid energy machine or the third and fourth fluid energy machine flows through the ⁇ .
  • the first and second fluid energy machines 13 and 15 are mechanically coupled to each other via a first shaft 21 and are driven by an electric motor M, which is fed by a wind power plant 22, as long as the electrical energy generated in the power grid is not in demand.
  • the heat storage device 14 and the cold storage 16 are charged, as will be explained in more detail later. If the demand for electrical energy is greater in relation to the currently generated amount of electrical energy, the power generated by the wind power plant 22 is fed directly into the grid.
  • un ⁇ facility ports the power generation in another operating state in which the heat accumulator 14 and the cold storage 16 are discharged and with a second shaft 23, a generator G driven by the fluid energy machine 18 and 19th
  • the second shaft 23 is mechanically coupled to the third fluid energy machine 18 and the fourth fluid energy machine 19.
  • the construction of the low-temperature heat accumulator 12, the heat ⁇ memory 14 and the cold accumulator 16 in the system of Figure 1 is the same and is explained in more detail by a detail magnification on the basis of the cold accumulator 16.
  • a container whose wall 24 is provided with an insulating material 25, which has large pores 26 on ⁇ .
  • Inside the container concrete 27 is provided, which acts as a heat storage or cold storage.
  • pipes 28 are laid parallel running through which the working gas flows and thereby emits heat or absorbs heat (depending on the mode and storage).
  • the flow direction of the gas is indicated by arrows in the line 11.
  • the working gas enters the (previously charged) low-temperature heat storage tank with a bar and 20 ° C and leaves it with a temperature of 80 ° C.
  • Compression by means of the first fluid energy machine 13 operating as a compressor leads to a pressure increase to 15 bar and consequently also to a temperature increase to 547.degree.
  • T 1 is the temperature at the compressor inlet
  • K is the compressibility, which is 1.4 in air.
  • the isentropic efficiency n c can be assumed to be a compressor with 0.85.
  • the heated working gas now passes through the heat storage 14, where the majority of the available thermal energy is stored.
  • the storage of the working gas is cooled to 20 ° C, while the pressure (aside from strömungsbe ⁇ related pressure loss) with 15 bar is maintained.
  • the working gas in two stages connected in series 15a, 15b ent ⁇ spans a second fluid energy machine, so that it arrives at a pressure level of one bar.
  • the working gas cools to 5 ° C after the first stage and to -114 ° C after the second stage.
  • the basis for this calculation is also the above mentioned For ⁇ mel.
  • a water separator 29 is additionally provided in the part of the line 11, which connects the two stages of the second fluid energy machine 15a, 15b in the form of a high-pressure turbine and a low-pressure turbine. This allows after a first relaxation, a drying of the air, so that the humidity contained in this in the second stage 15b of the second fluid energy machine 15 does not lead to icing of the turbine blades.
  • the relaxed and therefore cooled working gas withdraws heat from the cold storage 16 and is thereby heated to 0 ° C.
  • cold energy is stored in the cold ⁇ memory 16, which can be used in a subsequent energy production.
  • the heat exchanger 17 must be provided.
  • the working gas can be reheated to an ambient temperature of 20 ° C, whereby the environment heat is removed, which is provided to the process.
  • Such a measure ⁇ takeover can of course be omitted when the working gas is drawn directly from the environment, since it already has ambient temperature.
  • the discharging of the heat accumulator 14 and the cold accumulator 16 can be tracked, wherein electrical energy is generated at the Ge ⁇ G erator.
  • the first fluid energy machine 13 and the second (two-stage) fluid energy machine 15 are used in both the charge and discharge cycles.
  • the higher investment costs when using are weighed therefore ⁇ additionally a third and a fourth fluid energy machine compared to the gain in efficiency which is achieved by machines with the use of four fluid energy mA each can be optimized for the corresponding operating state.
  • the alternative of a closed circuit is again shown in phantom.
  • the What ⁇ water separator 29 is not shown in the illustration according to FIG 3, since this does not reach the application.
  • the compressed working gas passes through the heat accumulator 14 and is thereby heated to 500 ° C, the pressure decreases slightly to 9.8 bar. Subsequently, the working gas is expanded by the first fluid energy machine, which thus operates in this operating state as a turbine. There is a relaxation to 1 bar, wherein there is still a temperature of 183 ° C in the working ⁇ gas at the output of the first fluid energy machine.
  • the working gas is then passed through the low-temperature bankspei ⁇ cher and thereby cools down to 130 ° C.
  • This heat must be stored in order to serve for preheating the cold accumulator 16 of the working gas at 80 ° C in a subsequent laser derind of the heat accumulator 14 and (as above be ⁇ already described).
  • the low-temperature heat storage thus operates as a buffer and is always charged just when the other two memory, ie the heat storage 14 and the cold storage 16 are discharged and vice versa.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Speicherung von thermischer Energie mit einem Wärmespeicher (14) und einem Kältespeicher (16). Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zum Laden und Entladen dieser thermischen Speicher (14, 16). Mit der Anlage kann beispielsweise überschüssige elektrische Energie von Windkraftwerken (22) genutzt werden, um mittels eines Motors (M) mechanische Arbeit aus einem Verdichter (13) und einer Turbine (15) in thermische Energie umzuwandeln, die im Wärmespeicher (14) und Kältespeicher (16) für eine spätere Gewinnung von elektrischer Energie mit einem Generator (G) zur Verfügung gestellt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass beim Laden des Wärmespeichers (14) und des Kältespeichers (16) ein Zwischenspeicher für Wärme (12) entladen wird, der das Arbeitsgas für den Verdichter (13) auf beispielsweise 80 °C vorwärmt. Hierdurch können im Wärmespeicher (14) Temperaturen von über 500 °C auch durch eine Verdichtung des Arbeitsgases auf nur 15 bar erreicht werden. Verdichter zur Verdichtung von Arbeitsgasen auf 15 bar stellen hierbei vorteilhaft einen guten technischen Kompromiss dar. Werden der Wärmespeicher (14) und der Kältespeicher (16) über die Turbine (18) und den Verdichter (19) zwecks Gewinnung elektrischer Energie entladen, so kann der Zwischenspeicher (12) wieder aufgeladen werden, so dass die darin gespeicherte Wärme für einen anschließenden Ladeprozess des Wärmespeichers (14) und des Kältespeichers (16) wieder zur Verfügung gestellt werden kann.

Description

Beschreibung
Anlage zur Speicherung thermischer Energie und Verfahren zu deren Betrieb
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Speicherung thermischer Energie, die einen Kreislauf für ein Arbeitsgas auf¬ weist. Dabei werden in dem Kreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch eine Leitung für das Arbeitsgas miteinander verbunden: eine erste thermische Fluid- energie-Maschine, ein Wärmespeicher, eine zweite thermische Fluidenergie-Maschine und ein Kältespeicher.
In Durchflussrichtung des Arbeitsgases vom Wärmespeicher zum Kältespeicher gesehen ist die erste ther Fluidenergie- Maschine als Arbeitsmaschine und die zweite thermische Flui¬ denergie-Maschine als Kraftmaschine geschaltet.
Weiterhin betrifft die Erfindung zwei Verfahren zum Betrieb dieser Anlage. Bei einem Verfahren zum Speicherung von thermischer Energie wird der Kreislauf in Richtung vom Wärmespei¬ cher zum Kältespeicher durchlaufen, was der oben angegebenen Reihenfolge der Baueinheiten entspricht. Gemäß einem weiteren Verfahren, auf das sich die Erfindung ebenfalls bezieht, kann gespeicherte thermische Energie aus der Anlage auch umgewan¬ delt werden, z. B. in mechanische Energie. Hierbei werden die Einheiten in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen, mit anderen Worten wird die Durchflussrichtung des Arbeitsgases umge¬ kehrt. Dieses passiert dann zuerst den Kältespeicher und dann den Wärmespeicher, wobei in diesem Fall die erste thermische Fluidenergie-Maschine als Kraftmaschine und die thermische Fluidenergie-Maschine als Arbeitsmaschine betrieben wird.
Die Begriffe Kraftmaschine und Arbeitsmaschine werden im Rah¬ men dieser Anmeldung so verwendet, dass eine Arbeitsmaschine mechanische Arbeit aufnimmt, um ihren Zweck zu erfüllen. Eine thermische Fluidenergie-Maschine, die als Arbeitsmaschine verwendet wird, wird somit als Verdichter oder als Kompressor verwendet. Demgegenüber verrichtet eine Kraftmaschine Arbeit, wobei eine thermische Fluidenergie-Maschine zur Verrichtung der Arbeit die im Arbeitsgas zur Verfügung stehende thermi¬ sche Energie umwandelt. In diesem Fall wird die thermische Fluidenergie-Maschine also als Motor betrieben.
Der Begriff „thermische Fluidenergie-Maschine" bildet einen Oberbegriff von Maschinen, die einem Arbeitsfluid, im Zusammenhang mit dieser Anmeldung ein Arbeitsgas, thermische Ener gie entziehen oder diesem thermische Energie zuführen können Unter thermischer Energie ist sowohl Wärmeenergie als auch Kälteenergie zu verstehen. Thermische Fluidenergie-Maschinen können beispielsweise als Kolbenmaschinen ausgeführt sein. Bevorzugt können auch hydrodynamische thermische Fluidener¬ gie-Maschinen verwendet werden, deren Laufräder einen kontinuierlichen Fluss des Arbeitsgases erlauben. Vorzugsweise kommen axial wirkende Turbinen bzw. Verdichter zum Einsatz.
Das eingangs angegebene Prinzip ist beispielsweise gemäß der US 2010/0257862 AI beschrieben. Hier kommen Kolbenmaschinen zum Einsatz, um das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Gemäß der US 5,436,508 ist es überdies bekannt, dass mittels der eingangs angegebenen Anlagen zur Speicherung thermischer Energie auch Überkapazitäten bei der Nutzung von Windenergie zur Herstellung elektrischen Stroms zwischenge¬ speichert werden können, um diese im Bedarfsfall wieder abzu rufen .
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anlage zur Speicherung von thermischer Energie der eingangs angegebenen Art bzw. Verfahren zur Wandlung von thermischer Energie (bei spielsweise Wandlung von mechanischer in thermischer Energie mit anschließender Speicherung oder Wandlung der gespeicherten thermischen Energie in mechanische Energie) anzugeben, mit der bzw. mit dem ein hoher Wirkungsgrad bei gleichzeitig vertretbaren Aufwand der verwendeten Baueinheiten möglich ist . Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Anlage erfin¬ dungsgemäß dadurch gelöst, dass vor der ersten Fluidenergie- Maschine zusätzlich ein Niedertemperatur-Wärmespeicher in dem Kreislauf vorgesehen ist. Dieser Wärmespeicher wird als Niedertemperatur-Wärmespeicher bezeichnet, weil das durch die Speicherung der Wärme erreichte Temperaturniveau prinzipbe¬ dingt unter dem Temperaturniveau des Wärmespeichers liegt. Der Wärmespeicher könnte im Vergleich zum Niedertemperatur- Wärmespeicher somit im Sinne der Erfindung auch als Hochtemperatur-Wärmespeicher bezeichnet werden. Wärme ist weiterhin durch den Bezug der Umgebungstemperatur der Anlage definiert. Alles über Umgebungstemperatur ist Wärme während alles unterhalb der Umgebungstemperatur Kälte ist. Damit wird auch klar, dass das Temperaturniveau des Kältespeichers unterhalb der Umgebungstemperatur liegt.
Die Verwendung des Niedertemperatur-Wärmespeichers hat fol¬ gende Vorteile. Wird die Anlage zur Speicherung der thermi¬ schen Energie verwendet, so wird der Niedertemperatur-Wärme¬ speicher vor Passieren der in diesem Fall als Arbeitsmaschine (Verdichter) arbeitenden ersten Fluidenergie-Maschine durchlaufen. Hierdurch wird das Arbeitsgas bereits über Umgebungs¬ temperatur aufgewärmt. Dies hat den Vorteil, dass die Ar¬ beitsmaschine eine geringere Leistung aufnehmen muss, um die geforderte Temperatur des Arbeitsgases zu erreichen. Konkret soll der Wärmespeicher auf über 500 °C aufgewärmt werden, was vorteilhaft anschließend an das Vorwärmen des Arbeitsgases auch mit technisch verfügbaren thermodynamischen Verdichtern erfolgen kann, die eine Verdichtung des Arbeitsgases auf 15 bar erlauben. Vorteilhaft kann daher auf Komponenten für die Baueinheiten der Anlage zurückgegriffen werden, die am Markt ohne kostspielige Modifikationen erhältlich sind.
Das Arbeitsgas kann wahlweise in einem geschlossenen oder einem offenen Kreislauf geführt werden. Ein offener Kreislauf verwendet als Arbeitsgas immer die Umgebungsluft. Diese wird aus der Umgebung angesaugt und am Ende des Prozesses auch wieder in diese entlassen, so dass die Umgebung den offenen Kreislauf schließt. Ein geschlossener Kreislauf erlaubt auch die Verwendung eines anderen Arbeitsgases als Umgebungsluft. Dieses Arbeitsgas wird in dem geschlossenen Kreislauf ge¬ führt. 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 Wärmetauscher geführt werden, der eine Abgabe bzw. Aufnahme von Wärme des Arbeitsgases an die Um¬ gebung erlaubt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kreislauf als offener Kreislauf ausge¬ bildet ist und die zweite thermische Fluidenergie-Maschine aus zwei Stufen aufgebaut ist, wobei zwischen den Stufen ein Wasserabscheider 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 -114°C gefriert und hierbei die thermische Fluidenergie-Maschine beschädigt. Insbesondere können Turbinenschaufeln durch Vereisung nachhaltig beschädigt werden. Eine Entspannung des Arbeitsgases in zwei Schritten ermöglicht es jedoch, kondensiertes Wasser in einem Wasserabscheider hinter der ersten Stufe beispielsweise bei
5°C abzuscheiden, so dass dieses bei einer weiteren Abkühlung des Arbeitsgases in der zweiten Turbinenstufe bereits ent¬ feuchtet ist und eine Eisbildung verhindert oder zumindest verringert werden kann. Vorteilhaft wird das Risiko einer Be- Schädigung der zweiten Fluidenergie-Maschine hiermit verrin¬ gert .
Wird ein geschlossener Kreislauf verwendet und, wie bereits beschrieben, ein Wärmetauscher in den Kreislauf eingebaut, kann die Verwendung eines Wasserabscheiders sowie einer zwei¬ stufigen zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine entfallen. Als Arbeitsgas kann in diesem Fall beispielsweise auch ent¬ feuchtete Umgebungsluft verwendet werden, deren Befeuchtung durch die Geschlossenheit des Kreislaufes ausgeschlossen ist. Aber auch andere Arbeitsgase können Verwendung finden.
Eine besondere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage sieht vor, dass mit der ersten thermischen Fluidenergie-Ma- schine eine dritte thermische Fluidenergie-Maschine und/oder mit der zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine eine vierte thermische Fluidenergie-Maschine im Kreislauf parallel ge¬ schaltet ist. Dabei ist jeweils ein Ventilmechanismus zwi¬ schen der ersten und der dritten und/oder der zweiten und der vierten thermischen Fluidenergie-Maschine vorgesehen. Durch Schalten des Ventilmechanismus kann nun vorteilhaft je nach Durchflussrichtung des Arbeitsgases jeweils die eine oder die andere Fluidenergie-Maschine ausgewählt werden. Dies hat den Vorteil, dass die jeweilige zur Anwendung kommende Fluidener¬ gie-Maschine auf den zu schaltenden Betriebszustand optimiert werden kann. Da bei Verwendung von lediglich zwei Fluidener- gie-Maschinen beide in Abhängigkeit der Durchflussrichtung sowohl als Arbeitsmaschine als auch als Kraftmaschine verwen¬ det werden müssen, kann ohne das Vorsehen von zusätzlichen Fluidenergie-Maschinen nur ein konstruktiver Kompromiss gewählt werden. Da jedoch sowohl im thermischen Ladebetrieb wie auch im thermischen Entladebetrieb ein möglichst hoher Wirkungsgrad angestrebt wird, erlaubt die Parallelschaltung von Fluidenergie-Maschinen, sowohl das Verfahren zur Speicherung der thermischen Energie als auch das Verfahren zur Umwandlung der thermischen Energie bei optimalem Wirkungsgrad vorzunehmen .
Die Lösung der Aufgabe gelingt überdies durch das eingangs genannte Verfahren zur Speicherung von thermischer Energie dadurch, dass vor der ersten Fluidenergie-Maschine ein Nie¬ dertemperatur-Wärmespeicher vom Arbeitsgas durchflössen wird. Das heißt, dass das Arbeitsgas durch den Niedertemperatur- Wärmespeicher aufgewärmt in die erste Fluidenergie-Maschine eingespeist wird. Hierdurch werden die bereits erläuterten Vorteile erreicht. Vorteilhaft kann das Arbeitsgas in dem Niedertemperatur-Wärmespeicher auf eine Temperatur zwischen 60°C und 100°C besonders vorteilhaft auf eine Temperatur von 80 °C erwärmt werden. Wie bereits erwähnt, kann dann gemäß ei¬ ner weiteren Ausgestaltung der Erfindung das Arbeitsgas auf höchstens 15 bar verdichtet werden, wodurch sich Temperaturen des Arbeitsgrades von bis zu 550°C erreichen lassen.
Genauso wird Aufgabe durch das eingangs genannte Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie dadurch gelöst, dass (bei umgekehrter Flussrichtung des Arbeitsgases) hinter der ersten Fluidenergie-Maschine ein Niedertemperatur-Wärmespei¬ cher vom Arbeitsgas durchflössen wird. Hierbei handelt es sich bezogen auf die verwendete Anlage natürlich um denselben Niedertemperatur-Wärmespeicher, der bei dem oben erwähnten Verfahren zur Speicherung der thermischen Energie verwendet wird. Dies hat nämlich den Vorteil, dass nach einem Vorgang zur Umwandlung der thermischen Energie der Niedertemperatur- Wärmespeicher wieder aufgeladen wird, während der Wärmespeicher und der Kältespeicher entladen werden. Wird der Prozess in einem Verfahren zur Speicherung von thermischer Energie wieder umgekehrt, so steht die in Niedertemperatur-Wärmespei¬ cher zwischengespeicherte Energie nun zur Vorwärmung des Ar¬ beitsgases zur Verfügung. Nur bei Inbetriebnahme der Anlage muss die Wärme beim erstmaligen Durchlaufen des Verfahrens zur Speicherung thermischer Energie auf anderem Wege zur Verfügung gestellt werden, da diese vorher noch nicht durch ein Verfahren zur Umwandlung der thermischen Energie zur Verfügung gestellt werden konnte. Wird diese sonst im Niedertempe¬ ratur-Wärmespeicher gespeicherte Energie nicht zur Verfügung gestellt, so funktioniert das Verfahren zur Speicherung von thermischer Energie dennoch, wenn auch nicht mit dem gewünschten Wirkungsgrad. Allerdings wird bei mehrfacher Umkeh¬ rung des Prozesses der geforderte Sollzustand der Anlage auch ohne Hinzuziehung von Fremdenergie erreicht.
Vorteilhaft kann das Arbeitsgas in dem Niedertemperatur-Wärmespeicher auf eine Temperatur zwischen 100°C und 160°C erwärmt werden. Besonders vorteilhaft ist eine Erwärmung auf 130°C. Vorteilhaft ist dabei weiterhin, wenn das Arbeitsgas durch die zweite thermische Fluidenergie-Maschine auf höchs¬ tens 10 bar verdichtet wird. Auch hierbei handelt es sich um einen sinnvollen technischen Kompromiss bei der Abwägung zwischen Aufwand und Nutzen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind hierbei jeweils mit denselben Bezugs¬ zeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anlage als Schaltbild und
Figur 2 und 3 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Verfahrens anhand von weiteren Schaltbildern.
Eine Anlage zur Speicherung thermischer Energie gemäß Figur 1 weist eine Leitung 11 auf, mit der mehrere Einheiten derart miteinander verbunden sind, dass diese durch ein Arbeitsgas durchflössen werden können. Das Arbeitsgas fließt durch einen Niedertemperatur-Wärmespeicher 12 und anschließend durch eine erste thermische Fluidenergie-Maschine 13, die als hydrodyna- mischer Verdichter ausgebildet ist. Weiterhin führt die Lei¬ tung dann zu einem Wärmespeicher 14. Dieser ist mit einer zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine 15 verbunden, welche als hydrodynamische Turbine ausgeführt ist. Von der Tur¬ bine führt die Leitung 11 zu einem Kältespeicher 16. Der Käl- tespeicher 16 ist mit dem Niedertemperatur-Wärmespeicher 12 durch die Leitung 11 verbunden, wobei in diesem Leitungsabschnitt außerdem ein Wärmetauscher 17 vorgesehen ist, über den das Arbeitsgas Wärme an die Umgebung abgeben oder aus der Umgebung aufnehmen kann (je nach Betriebsart) .
In Figur 1 ist insofern ein geschlossener Kreislauf für das Arbeitsgas vorgesehen. Allerdings ist es in gleicher Weise vorstellbar, dass in nicht dargestellter Weise der Leitungs- abschnitt zwischen dem Kältespeicher 16 und dem Niedertemperatur-Wärmespeicher 12 mitsamt dem Wärmetauscher 17 entfällt. In diesem Fall würde der Kreislauf über die Umgebung ge¬ schlossen werden, wobei das Arbeitsgas, welches in diesem Fall aus Umgebungsluft besteht, am Niedertemperatur-Wärme¬ speicher 12 angesaugt und nach dem Kältespeicher 16 wieder in die Umgebung ausgeblasen würde.
Weiterhin ist in Figur 1 eine dritte thermische Fluidenergie- Maschine 18 in Form einer hydrodynamischen Turbine und eine vierte thermische Fluidenergie-Maschine 19 in Form eines hyd¬ rodynamischen Verdichters vorgesehen. Zu bemerken ist weiterhin, dass die erste hydrodynamische Fluidenergie-Maschine 13 in der Leitung 11 mit der dritten hydrodynamischen Fluid- energie-Maschine 18 parallel geschaltet ist und die zweite Fluidenergie-Maschine 15 in der Leitung 11 mit der vierten Fluidenergie-Maschine 19 parallel geschaltet ist. Ventilme¬ chanismen 20 sorgen durch Öffnen und Schließen dafür, dass jeweils nur die erste und zweite Fluidenergie-Maschine oder die dritte und vierte Fluidenergie-Maschine durchflössen wer¬ den. Die erste und zweite Fluidenergie-Maschine 13 und 15 sind über eine erste Welle 21 mechanisch miteinander gekoppelt und werden durch einen elektrischen Motor M angetrieben, der von einem Windkraftwerk 22 gespeist wird, solange die er- zeugte elektrische Energie im Stromnetz nicht nachgefragt wird. Während dieses Betriebszustandes werden der Wärmespei¬ cher 14 und der Kältespeicher 16 aufgeladen, wie später noch genauer erläutert wird. Ist die Nachfrage an elektrischer Energie im Verhältnis zur aktuell erzeugten Menge an elektri- scher Energie größer, so wird der durch das Windkraftwerk 22 erzeugte Strom direkt in das Netz eingespeist. Zusätzlich un¬ terstützt die Anlage in einem anderen Betriebszustand die Stromerzeugung, indem der Wärmespeicher 14 und der Kältespeicher 16 entladen werden und mit einer zweiten Welle 23 durch die Fluidenergie-Maschinen 18 und 19 ein Generator G angetrieben wird. Die zweite Welle 23 ist dazu mechanisch mit der dritten Fluidenergie-Maschine 18 und der vierten Fluidenergie-Maschine 19 gekoppelt. Der Aufbau des Niedertemperatur-Wärmespeichers 12, des Wärme¬ speichers 14 und des Kältespeichers 16 bei der Anlage gemäß Figur 1 ist jeweils gleich und wird durch eine Ausschnitts- Vergrößerung anhand des Kältespeichers 16 näher erläutert. Vorgesehen ist ein Behälter, dessen Wand 24 mit einem Isolationsmaterial 25 versehen ist, welches große Poren 26 auf¬ weist. Im Inneren des Behälters ist Beton 27 vorgesehen, der als Wärmespeicher oder Kältespeicher fungiert. Innerhalb des Betons 27 sind Rohre 28 parallel verlaufend verlegt, durch die das Arbeitsgas strömt und dabei Wärme abgibt oder Wärme aufnimmt (je nach Betriebsart und Speicherart) .
Anhand der Anlage gemäß den Figuren 2 und 3 sollen der ther- mische Auflade- und Entladeprozess näher erläutert werden. In Figur 2 ist zunächst der Ladeprozess dargestellt, der nach dem Prinzip einer Wärmepumpe funktioniert. Dargestellt ist im Unterschied zu Figur 1 in den Figuren 2 und 3 ein offener Kreislauf, der jedoch, wie strichpunktiert angedeutet, unter Einsatz des optional vorgesehenen Wärmetauschers 17 geschlos¬ sen werden könnte. Die Zustände im Arbeitsgas, welche bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 2 und 3 aus Luft besteht, sind jeweils an den Leitungen in Kreisen dargestellt. Links oben ist der Druck in bar angegeben. Rechts oben wird die En- talpie in KJ/Kg angegeben. Links unten steht die Temperatur in °C und rechts unten wird der Massefluss in Kg/s angegeben. Die Flussrichtung des Gases ist durch Pfeile in der Leitung 11 angedeutet. In der Modellrechnung gelangt das Arbeitsgas mit einem bar und 20 °C in den (vorher aufgeladenen) Niedertemperatur-Wärme¬ speicher und verlässt diesen mit einer Temperatur von 80°C. Durch Komprimierung mittels der als Verdichter arbeitenden ersten Fluidenergie-Maschine 13 kommt es zu einer Druckerhö- hung auf 15 bar und infolgedessen auch zu einer Temperaturerhöhung auf 547 °C. Dieser Berechnung liegt folgende Formel zugrunde T2= !+ (T2s-Ti) /nc; Τ23=ΤιΠ (κ~1 /κ, wobei
Τ2 die Temperatur am Verdichterausgang,
T1 die Temperatur am Verdichtereingang,
nc der isentropische Wirkungsgrad des Kompressors,
n das Druckverhältnis (hier 15:1) und
K die Kompressibilität ist, die bei Luft 1,4 beträgt.
Der isentropische Wirkungsgrad nc kann einem Kompressor mit 0,85 vorausgesetzt werden.
Das erhitzte Arbeitsgas durchläuft nun den Wärmespeicher 14, wo der Hauptteil der verfügbaren thermischen Energie gespeichert wird. Während der Speicherung kühlt sich das Arbeitsgas auf 20 °C ab, während der Druck (abgesehen von strömungsbe¬ dingten Druckverlusten) mit 15 bar erhalten bleibt. Anschließend wird das Arbeitsgas in zwei in Serie geschalteten Stufen 15a, 15b einer zweiten Fluidenergie-Maschine ent¬ spannt, so dass es auf einem Druckniveau von einem bar an- langt. Dabei kühlt sich das Arbeitsgas nach der ersten Stufe auf 5°C und nach der zweiten Stufe auf -114°C ab. Grundlage für diese Berechnung ist ebenfalls die oben angegebene For¬ mel . In den Teil der Leitung 11, der die beiden Stufen der zweiten Fluidenergie-Maschine 15a, 15b in Form einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine verbindet, ist zusätzlich ein Wasserabscheider 29 vorgesehen. Dieser ermöglicht nach einer ersten Entspannung eine Trocknung der Luft, so dass die in dieser enthaltene Luftfeuchtigkeit in der zweiten Stufe 15b der zweiten Fluidenergie-Maschine 15 nicht zu einer Vereisung der Turbinenblätter führt.
Im weiteren Verlauf entzieht das entspannte und daher abge- kühlte Arbeitsgas dem Kältespeicher 16 Wärme und wird dadurch auf 0°C erwärmt. Auf diesem Weg wird Kälteenergie im Kälte¬ speicher 16 gespeichert, die bei einer anschließenden Energiegewinnung genutzt werden kann. Vergleicht man die Tempera- tur des Arbeitsgases am Ausgang des Kältespeichers 16 und am Eingang des Niedertemperatur-Wärmespeichers 12, so wird deut¬ lich, warum für den Fall eines geschlossenen Kreislaufs der Wärmetauscher 17 zur Verfügung gestellt werden muss. Hier kann das Arbeitsgas wieder auf Umgebungstemperatur von 20 °C aufgewärmt werden, wodurch der Umgebung Wärme entzogen wird, die dem Prozess zur Verfügung gestellt wird. Eine solche Ma߬ nahme kann selbstverständlich entfallen, wenn das Arbeitsgas direkt aus der Umgebung angesaugt wird, da dies bereits Umge- bungstemperatur aufweist.
Mittels Figur 3 kann der Entladezyklus des Wärmespeichers 14 und des Kältespeichers 16 nachvollzogen werden, wobei am Ge¬ nerator G elektrische Energie erzeugt wird. Anders als in Fi- gur 1 werden in Figur 3 die erste Fluidenergie-Maschine 13 und die zweite (zweistufige) Fluidenergie-Maschine 15 sowohl im Lade- als auch im Entladezyklus verwendet. Dies beein¬ trächtigt das Funktionsprinzip der Anlage nicht, wird aller¬ dings durch einen geringeren Wirkungsgrad erkauft. Abzuwägen sind daher der höhere Investitionsaufwand bei Verwendung zu¬ sätzlich einer dritten und einer vierten Fluidenergie-Maschine gegenüber dem Gewinn an Wirkungsgrad, der dadurch erreicht wird, dass bei Verwendung von vier Fluidenergie-Ma- schinen jede auf den entsprechenden Betriebszustand optimiert werden kann. Weiterhin ist wieder strichpunktiert die Alternative eines geschlossenen Kreislaufes dargestellt. Der Was¬ serabscheider 29 ist in der Darstellung gemäß Figur 3 nicht dargestellt, da dieser nicht zum Einsatz gelangt. Das Arbeitsgas wird durch den Kältespeicher 16 geleitet. Da¬ bei wird es von 20°C auf -92°C abgekühlt. Diese Maßnahme dient zur Reduzierung der Leistungsaufnahme, um die als Kom¬ pressor arbeitende zweite Fluidenergie-Maschine zu betreiben. Die Leistungsaufnahme wird um den Faktor entsprechend des Temperaturunterschiedes in Kelvin also 293K/181K = 1,62 redu¬ ziert. In dem Beispiel komprimiert der Kompressor das Ar¬ beitsgas auf 10 bar. Hierbei steigt die Temperatur auf 100°C. Technisch vertretbar wäre auch eine Kompression von bis zu 15 bar. Das komprimierte Arbeitsgas durchläuft den Wärmespeicher 14 und wird dadurch auf 500°C aufgeheizt, wobei der Druck leicht auf 9,8 bar abnimmt. Anschließend wird das Arbeitsgas durch die erste Fluidenergie-Maschine entspannt, die somit in diesem Betriebszustand als Turbine arbeitet. Es erfolgt eine Entspannung auf 1 bar, wobei am Ausgang der ersten Fluidenergie-Maschine immer noch eine Temperatur von 183°C im Arbeits¬ gas vorliegt.
Um diese Restwärme ebenfalls ausnutzen zu können, wird das Arbeitsgas anschließend durch den Niedertemperatur-Wärmespei¬ cher geleitet und kühlt sich dadurch noch auf 130°C ab. Diese Wärme muss gespeichert werden, um in einem nachfolgenden La- deprozess des Wärmespeichers 14 und des Kältespeichers 16 zur Vorwärmung des Arbeitsgases auf 80 °C zu dienen (wie oben be¬ reits beschrieben) . Der Niedertemperatur-Wärmespeicher arbeitet somit als Zwischenspeicher und wird immer gerade dann aufgeladen, wenn die beiden anderen Speicher, d. h. der Wärmespeicher 14 und der Kältespeicher 16 entladen werden und anders herum.

Claims

Patentansprüche
1. Anlage zur Speicherung thermischer Energie, die einen Kreislauf für ein Arbeitsgas aufweist, wobei in dem Kreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch eine Leitung (11) für das Arbeitgas miteinander verbunden sind:
• eine erste thermische Fluidenergie-Maschine (13),
• ein Wärmespeicher (14),
• eine zweite thermische Fluidenergie-Maschine (15) und · ein Kältespeicher (16),
wobei in Durchflussrichtung des Arbeitsgases vom Wärmespei¬ cher (14) zum Kältespeicher (15) gesehen die erste thermische Fluidenergie-Maschine (13) als Arbeitsmaschine und die zweite thermische Fluidenergie-Maschine (15) als Kraftmaschine ge- schaltet ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass vor der ersten Fluidenergie-Maschine (13) ein Niedertem¬ peratur-Wärmespeicher (12) in dem Kreislauf vorgesehen ist, wobei
· der Kreislauf als geschlossener Kreislauf ausgeführt ist und zwischen dem Kältespeicher (16) und dem Niedertemperatur-Wärmespeicher (12) ein Wärmetauscher (17) im
Kreislauf angeordnet ist oder
• der Kreislauf zwischen dem Kältespeicher (16) und dem Niedertemperatur-Wärmespeicher offen ist.
2. Anlage nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der Kreislauf als offener Kreislauf ausgebildet ist und die zweite thermische Fluidenergie-Maschine (15) aus zwei Stufen (15a, 15b) aufgebaut ist, wobei zwischen den Stufen (15a, 15b) ein Wasserabscheider (29) für das Arbeitsgas vor¬ gesehen ist.
3. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass mit der ersten thermischen Fluidenergie-Maschine (13) eine dritte thermische Fluidenergie-Maschine (18) und/oder mit der zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine (15) eine vierte thermische Fluidenergie-Maschine (19) im Kreislauf pa¬ rallel geschaltet ist, wobei jeweils ein Ventilmechanismus (20) zwischen der ersten und der dritten und/oder der zweiten und der vierten thermischen Fluidenergie-Maschine vorgesehen ist .
4. Verfahren zur Speicherung von thermischer Energie, bei dem ein Arbeitsgas einen Kreislauf durchläuft, wobei in dem
Kreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durchflössen werden:
• eine erste thermische Fluidenergie-Maschine (13),
• ein Wärmespeicher (14),
• eine zweite thermische Fluidenergie-Maschine (15) und · ein Kältespeicher (16),
wobei die erste thermische Fluidenergie-Maschine (13) als Ar¬ beitsmaschine und die zweite thermischen Fluidenergie-Ma¬ schine (15) als Kraftmaschine betrieben wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass vor der ersten Fluidenergie-Maschine (13) ein Niedertem¬ peratur-Wärmespeicher (12) vom Arbeitsgas durchflössen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass das Arbeitsgas in dem Niedertemperatur-Wärmespeicher auf eine Temperatur zwischen 60 °C und 100 °C, insbesondere auf 80 °C erwärmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass das Arbeitsgas durch die erste thermische Fluidenergie- Maschine auf höchstens 20 bar, bevorzugt höchstens 15 bar, verdichtet wird.
7. Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie, bei dem ein Arbeitsgas einen Kreislauf durchläuft, wobei in dem
Kreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durchflössen werden: • ein Kältespeicher (16),
• eine zweite thermische Fluidenergie-Maschine (15) und
• ein Wärmespeicher (14),
• eine erste thermische Fluidenergie-Maschine (13), wobei die erste thermische Fluidenergie-Maschine (13) als Kraftmaschine und die zweite thermischen Fluidenergie-Ma¬ schine (15) als Arbeitsmaschine betrieben wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass hinter der ersten Fluidenergie-Maschine (13) ein Nieder- temperatur-Wärmespeicher (12) vom Arbeitsgas durchflössen wird .
8. Verfahren nach Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass das Arbeitsgas in dem Niedertemperaturspeicher auf eine Temperatur zwischen 100 °C und 160 °C, insbesondere auf 130 °C abgekühlt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass das Arbeitsgas durch die zweite thermische Fluidenergie- Maschine auf höchstens 15 bar, bevorzugt höchstens 10 bar, verdichtet wird.
EP12770061.5A 2011-09-29 2012-09-26 Anlage zur speicherung thermischer energie und verfahren zu deren betrieb Withdrawn EP2761142A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP12770061.5A EP2761142A1 (de) 2011-09-29 2012-09-26 Anlage zur speicherung thermischer energie und verfahren zu deren betrieb

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP11183270A EP2574739A1 (de) 2011-09-29 2011-09-29 Anlage zur Speicherung thermischer Energie und Verfahren zu deren Betrieb
EP12770061.5A EP2761142A1 (de) 2011-09-29 2012-09-26 Anlage zur speicherung thermischer energie und verfahren zu deren betrieb
PCT/EP2012/068902 WO2013045463A1 (de) 2011-09-29 2012-09-26 Anlage zur speicherung thermischer energie und verfahren zu deren betrieb

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2761142A1 true EP2761142A1 (de) 2014-08-06

Family

ID=47008561

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP11183270A Withdrawn EP2574739A1 (de) 2011-09-29 2011-09-29 Anlage zur Speicherung thermischer Energie und Verfahren zu deren Betrieb
EP12770061.5A Withdrawn EP2761142A1 (de) 2011-09-29 2012-09-26 Anlage zur speicherung thermischer energie und verfahren zu deren betrieb

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP11183270A Withdrawn EP2574739A1 (de) 2011-09-29 2011-09-29 Anlage zur Speicherung thermischer Energie und Verfahren zu deren Betrieb

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20140352295A1 (de)
EP (2) EP2574739A1 (de)
CN (1) CN103827448A (de)
WO (1) WO2013045463A1 (de)

Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10094219B2 (en) 2010-03-04 2018-10-09 X Development Llc Adiabatic salt energy storage
WO2014052927A1 (en) 2012-09-27 2014-04-03 Gigawatt Day Storage Systems, Inc. Systems and methods for energy storage and retrieval
BR102013026634A2 (pt) * 2013-10-16 2015-08-25 Abx En Ltda Máquina térmica diferencial com ciclo de oito transformações termodinâmicas e processo de controle
CN105299945B (zh) * 2014-08-01 2019-02-01 江洪泽 混合气体冷凝分离存质升压储能装置和方法及实用系统
CN105114138B (zh) * 2015-08-12 2016-08-31 中国科学院工程热物理研究所 一种低温储能发电系统及其运行方法
CN105179033B (zh) * 2015-08-12 2017-05-31 中国科学院工程热物理研究所 一种利用低温冷能存储电能的系统及其运行方法
EP3374603B1 (de) 2015-11-10 2019-08-14 Peter Ortmann Strom-wärme-strom-speichervorrichtung und verfahren zur lastregelung derselben
US11053847B2 (en) 2016-12-28 2021-07-06 Malta Inc. Baffled thermoclines in thermodynamic cycle systems
US10233833B2 (en) 2016-12-28 2019-03-19 Malta Inc. Pump control of closed cycle power generation system
US10233787B2 (en) 2016-12-28 2019-03-19 Malta Inc. Storage of excess heat in cold side of heat engine
US10458284B2 (en) 2016-12-28 2019-10-29 Malta Inc. Variable pressure inventory control of closed cycle system with a high pressure tank and an intermediate pressure tank
US10221775B2 (en) 2016-12-29 2019-03-05 Malta Inc. Use of external air for closed cycle inventory control
US10801404B2 (en) 2016-12-30 2020-10-13 Malta Inc. Variable pressure turbine
US10436109B2 (en) 2016-12-31 2019-10-08 Malta Inc. Modular thermal storage
GB2567821A (en) 2017-10-24 2019-05-01 Storelectric Ltd Compressed air energy storage system with thermal management system
CN110206598B (zh) * 2019-06-04 2022-04-01 中国科学院工程热物理研究所 一种基于间接储冷储热的热泵储能发电系统
CN110206599B (zh) * 2019-06-04 2022-03-29 中国科学院工程热物理研究所 一种冷热电联储联供系统
CA3158586A1 (en) 2019-11-16 2021-05-20 Benjamin R. Bollinger Pumped heat electric storage system
US11480067B2 (en) 2020-08-12 2022-10-25 Malta Inc. Pumped heat energy storage system with generation cycle thermal integration
WO2022036098A1 (en) 2020-08-12 2022-02-17 Malta Inc. Pumped heat energy storage system with steam cycle
US11486305B2 (en) * 2020-08-12 2022-11-01 Malta Inc. Pumped heat energy storage system with load following
US11286804B2 (en) 2020-08-12 2022-03-29 Malta Inc. Pumped heat energy storage system with charge cycle thermal integration
US11396826B2 (en) 2020-08-12 2022-07-26 Malta Inc. Pumped heat energy storage system with electric heating integration
US11454167B1 (en) 2020-08-12 2022-09-27 Malta Inc. Pumped heat energy storage system with hot-side thermal integration
DK181096B1 (en) * 2021-04-14 2022-12-12 Stiesdal Storage As Thermal energy storage system with a spray of phase change material and method of its operation
CN113137782A (zh) * 2021-05-20 2021-07-20 东北电力大学 一种基于涡旋集风式风力发电的热泵制热装置
DK181199B1 (en) * 2021-09-20 2023-04-25 Stiesdal Storage As A thermal energy storage system with environmental air exchange and a method of its operation
EP4269758A1 (de) * 2022-04-28 2023-11-01 Borealis AG Verfahren zur energierückgewinnung

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2973622A (en) * 1959-04-07 1961-03-07 Nettel Frederick Elastic fluid power plant for intermittent operation
DK23391D0 (da) 1991-02-12 1991-02-12 Soerensen Jens Richard Vindmoelle til selvforsyning og opbevaring af energi
JPH1047829A (ja) * 1996-07-29 1998-02-20 Nippon Sanso Kk 冷凍倉庫における被冷凍物の冷凍方法及び装置
JP4147697B2 (ja) * 1999-09-20 2008-09-10 アイシン精機株式会社 パルス管冷凍機
AUPQ785000A0 (en) * 2000-05-30 2000-06-22 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Heat engines and associated methods of producing mechanical energy and their application to vehicles
EP2126467A2 (de) * 2007-03-20 2009-12-02 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur befeuerten zwischenüberhitzung bei solarer direktverdampfung in einem solarthermischen kraftwerk
FR2916101B1 (fr) * 2007-05-11 2009-08-21 Saipem Sa Installation et procedes de stockage et restitution d'energie electrique
WO2009044139A2 (en) * 2007-10-03 2009-04-09 Isentropic Limited Energy storage
FR2922608B1 (fr) * 2007-10-19 2009-12-11 Saipem Sa Installation et procede de stockage et restitution d'energie electrique a l'aide d'une unite de compression et detente de gaz a pistons
EP2241737B1 (de) * 2009-04-14 2015-06-03 ABB Research Ltd. System zur Speicherung von thermoelektrischem Strom mit zwei Wärmebädern und Verfahren zum Speichern von thermoelektrischem Strom
US20110100010A1 (en) * 2009-10-30 2011-05-05 Freund Sebastian W Adiabatic compressed air energy storage system with liquid thermal energy storage

Also Published As

Publication number Publication date
WO2013045463A1 (de) 2013-04-04
US20140352295A1 (en) 2014-12-04
EP2574739A1 (de) 2013-04-03
CN103827448A (zh) 2014-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2013045463A1 (de) Anlage zur speicherung thermischer energie und verfahren zu deren betrieb
EP2748434B1 (de) Anlage zur speicherung thermischer energie
WO2013156292A1 (de) Anlage zur speicherung und abgabe thermischer energie und verfahren zu deren betrieb
DE102011112280B4 (de) Anlage zur Speicherung von Energie mittels Druckluft
WO2014191157A2 (de) Wärmepumpe mit einer in einem kreislauf geschalteten ersten thermischen fluidenergie-maschine und zweiten thermischen fluidenergie-maschine
EP2885512A2 (de) Verfahren zum laden und entladen eines wärmespeichers und anlage zur speicherung und abgabe von thermischer energie, geeignet für dieses verfahren
WO2016131920A1 (de) Dampfkraftwerk und verfahren zu dessen betrieb
DE102019127431B4 (de) Thermischer Stromspeicher mit Festbett-Wärmespeicher und Festbett-Kältespeicher und Verfahren zum Betreiben eines thermischen Stromspeichers
WO2013045243A1 (de) Energiespeichervorrichtung sowie verfahren zur speicherung von energie
EP2610470A2 (de) Verfahren zum Betreiben einer stationären Kraftanlage mit wenigstens einer Brennkraftmaschine
WO2014187585A1 (de) Energiespeicheranordnung zur flexibilisierung von kraftwerken
WO2013156284A1 (de) Anlage zur speicherung und abgabe von thermischer energie mit einem wärmespeicher und einem kältespeicher und verfahren zu deren betrieb
EP2748435A1 (de) Anlage zur speicherung thermischer energie
DE10033052A1 (de) Verfahen zum Betreiben einer Gasturbinenanlage sowie Gasturbinenanlage zur Durchführung des Verfahrens
DE102013008445B4 (de) Wärmespeicherkraftwerk
WO2015086588A1 (de) Dampfspeicherung mit latentwärmespeicher und dampf-thermokompressor
WO2018029371A1 (de) Wärmeübertrager zur verwendung in einem warmteil eines flüssigluftenergiespeicherkraftwerks, warmteil und verfahren zum betrieb eines solchen wärmeübertragers in einem solchen warmteil
WO2013185909A1 (de) Verfahren zum betreiben eines kraftwerks sowie kraftwerk
DE102004034657A1 (de) Kraftwerksanlage
EP2610445A2 (de) Verfahren zum Betreiben einer stationären Kraftanlage mit wenigstens einer Brennkraftmaschine
DE102011108067A1 (de) Elektrische Energiegewinnung aus Umweltwärme durch einen kombinierten Wärmepumpen-ORC-Prozess, mit Kondensationswärmerückgewinnung im ORC-Prozess und Kältemitteltemperaturanhebung im Wärmepumpenkreislauf
WO2014154402A1 (de) Erdgasspeichersystem mit wärmespeicher
WO2020020720A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur verdichtung eines gases
DE102004034281A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von mechanischer oder elektrischer Arbeit, nutzbarer Wärme oder Kälte

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20140317

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20160819

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20170103