EP2825735A1 - Anlage zur speicherung und abgabe thermischer energie und verfahren zu deren betrieb - Google Patents

Anlage zur speicherung und abgabe thermischer energie und verfahren zu deren betrieb

Info

Publication number
EP2825735A1
EP2825735A1 EP13718802.5A EP13718802A EP2825735A1 EP 2825735 A1 EP2825735 A1 EP 2825735A1 EP 13718802 A EP13718802 A EP 13718802A EP 2825735 A1 EP2825735 A1 EP 2825735A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid energy
machine
thermal fluid
energy machine
thermal
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Withdrawn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
EP13718802.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ursus KRÜGER
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
Publication of EP2825735A1 publication Critical patent/EP2825735A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • F01K3/06—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein the engine being of extraction or non-condensing type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/004—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/06—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using expanders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/05—Compression system with heat exchange between particular parts of the system
    • F25B2400/053—Compression system with heat exchange between particular parts of the system between the storage receiver and another part of the system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/14—Power generation using energy from the expansion of the refrigerant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/24—Storage receiver heat

Definitions

  • the invention relates to a system for storing thermal energy having a circuit for a working gas.
  • the following units are connected to one another in the given 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 thermal Fluidenergy- machine is connected as a working machine and the second thermal fluid energy machine as an engine.
  • the invention relates to two methods for operating this system.
  • a method for storing thermal energy the circuit is run through in the direction from the heat accumulator to the cold accumulator, which corresponds to the sequence of units specified above.
  • stored thermal energy from the plant can also be converted, 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 the work converts the thermal energy available in the working gas.
  • the thermal fluid energy machine is thus operated as a motor.
  • thermo fluid energy machine is a generic term for machines that can extract thermal energy from, or supply thermal energy to, a working fluid, in the context of this application, a working gas
  • Thermal fluid energy machines can be designed, for example, as reciprocating engines. It is also possible to use hydrodynamic thermal fluid energy machines whose impellers permit a continuous flow of the working gas. Preferably, axially acting turbines or compressors are 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 the or with which the most efficient use of the stored thermal energy is possible.
  • the cold storage in a can be switched from the said circuit different cooling circuit for a cooling medium by the following units are connected together in the order given by a conduit for a cooling medium: the cold storage, a cooling unit and a cooling customer to be cooled.
  • the cooling medium is normally different from the working gas, which explains that the cooling circuit is different from the circuit.
  • the channels used for heat transfer channels provide two channel systems and insofar as each of the channel systems can be connected to one of the circuits. The cooling circuit thus uses one channel system, while the charging circuit uses the other channel system.
  • the charging circuit may share the channel system in the cold storage and possibly also other parts of the line connected thereto with a discharge circuit (more on this in the following). While the charging circuit is responsible for storing the thermal energy, the thermal energy can be returned to the working gas via the discharge circuit.
  • the cooling unit is necessary in order to be able to set the required temperature level for the chiller to be cooled. Because the storage temperature of the cold storage is higher than the required temperature level. However, can be done by the cold storage pre-cooling of the cooling medium, so that in the cooling unit a lower temperature difference must be overcome. This also advantageously reduces the energy requirement for the cooling unit. Process refrigeration, which occurs in any case in the system for storing thermal energy, can be used. Although this is no longer available during a discharge for the purpose of dissipating thermal energy, this does not have to be generated separately for the operation of the cooling consumer to be cooled. The entire energy balance of the system for storage and release of thermal energy and the cold consumer is thereby advantageously improved.
  • the charging circuit (and unloading circuit) can be operated as an open or closed circuit (more on this in the following).
  • air forms the working gas, which can be taken from the atmosphere and then returned to it.
  • any form of aggregate can be used.
  • thermosyphon which advantageously achieves comparatively low temperature levels.
  • the cold customer is equipped according to a particular embodiment of the invention with a superconducting component.
  • a cooling medium can be used here, in particular for the case that high-temperature superconductors, for example
  • Bi2223 or YBCO can be used as cooling medium nitrogen. This must be brought to a temperature level of about 50 to 60 K. Pre-cooling via the cold storage tank to approx. 180 K simplifies the cooling process and reduces the power consumption at the cooling unit.
  • the electric machine is a generator which can be installed in particular in a wind turbine.
  • This use offers particular advantages, since electrical machines with superconducting components (in particular the winding of an electrically excited rotor in a synchronous generator) can be designed with a lower mass.
  • the mass of the generator is the limiting factor in the design of wind turbines, as they must be mounted at a great height in the nacelle of the wind power plant.
  • the mass of the generators used increases faster than the power, in this ratio about a power of 1.6. Therefore, the economic limit for an increase in generator power in wind turbines is currently around 6 MW.
  • the construction of high-wind wind turbines requires the installation of a larger generator performance in the gondola.
  • This can be achieved according to the invention by using generators with superconducting components. If the wind turbine coupled with the inventive system for storage and delivery of thermal energy, so this has the advantage that the cold storage can be used to make sense to minimize the losses that are required due to the necessary cooling of the superconducting generator windings.
  • this system can also be used to store thermal energy to temporarily store overcapacities in the electrical network in a conventional manner and to convert it back into electrical power at consumption peaks of electrical energy while releasing the thermal energy. It is therefore the use of a synergy effect, which increases the overall efficiency of the operation of the system, especially with wind turbines.
  • the system can, for example, with pumped storage power plants or with conventional power plants, such. B. gas turbine plants are operated.
  • the electric machine is a motor which is mechanically coupled to the first thermal fluid energy machine.
  • This fluid energy machine must namely be driven during the charging process of the cold accumulator and the heat accumulator (possibly also an additional low-temperature heat accumulator) to bring the thermodynamic charging process in motion.
  • this motor is also particularly advantageous to design this motor as an electrical machine with superconducting winding if the infrastructure for cooling this machine is available because of the use of a superconducting generator, for example in a wind power plant. This allows a further increase in efficiency for the system. It also has the same effect of increasing efficiency if an additional generator with superconducting components (eg the winding) is used as the electric machine.
  • the generator is connected to a third thermal fluid energy machine, wherein the third fluid energy machine with the first thermal fluid energy machine and the second thermal fluid energy machine, a fourth thermal fluid energy machine in the loading and Discharge circuit is connected in parallel.
  • a valve mechanism between the first and the third and / or the second and the fourth thermal fluid energy machine is provided. By switching the valve mechanism can now be selected depending on the direction of flow of the working gas in each case one or the other fluid energy machine. This has the advantage that the respective fluid energy machine used for the application can be optimized for the operating state to be switched.
  • the working gas can be fed either in a closed or an open circuit (this applies both to the charging circuit as well as for the discharge circuit, but not for the cooling circuit).
  • An open circuit always uses the ambient air as working gas. This is sucked from the environment and released at the end of the process also in this, so that the environment closes the open circuit.
  • 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 in the case of a closed circuit must be passed through a heat exchanger, which allows a supply or absorption of heat of the working gas to the environment.
  • a low-temperature heat accumulator is additionally provided in the circuit upstream of the first fluid energy machine.
  • This heat storage is referred to as a low-temperature heat storage, because the temperature level reached by the storage of heat is inherently below the temperature level of the heat storage.
  • Heat is defined by 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 the following advantages. If the system is used to store the thermal energy, then the low-temperature heat storage is run through before passing in this case as a working machine (compressor) working first fluid energy machine.
  • the working gas is already warmed above ambient temperature.
  • This has the advantage that the working machine has to absorb less power in order to achieve the required temperature of the working gas.
  • the heat storage be warmed up to over 500 ° C, which can advantageously be done after the preheating of the working gas with technically available thermodynamic compressors that 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 solution of the problem also succeeds by the above-mentioned method for storage and release of thermal energy in that the cold storage is switched as needed in a different cooling circuit from said circuit, wherein in the cooling circuit following units in the order of a cooling medium by - Rafting: the cold storage tank, a cooling unit and a chiller to be cooled.
  • This method achieves the advantages explained above for the system according to the invention, it being possible to carry out the method with the abovementioned system.
  • a particularly suitable cooling medium in particular for superconducting components, nitrogen can be used. This is liquid at the temperatures required for cooling these superconducting components and can be brought to the required temperature level, for example in a thermosyphon as a refrigeration unit.
  • 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 line then leads to a heat store 14. This is connected to a second thermal fluid energy machine 15, which is designed as a hydrodynamic turbine. From the turbine, the line 11 leads to a cold storage 16.
  • the cold storage 16 is connected to the low-temperature heat storage 12 through the line 11, wherein in this line section also a heat exchanger 17 is provided, through which the working gas release heat to the environment or from the environment (depending on the operating mode).
  • FIG. 1 a closed circuit for the working gas is provided.
  • the line section between the cold storage 16 and the low-temperature heat storage 12 is omitted together with the heat exchanger 17.
  • the cycle would be closed by the environment, the working gas, which in this case consists of ambient air, at the low-temperature heat
  • FIG. 1 provides a third thermal fluid energy machine 18 in the form of a hydrodynamic turbine and a fourth thermal fluid energy machine 19 in the form of a hydrodynamic 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 is connected in parallel in line 11 with the fourth fluid energy machine 19.
  • valve mechanisms 20 ensure that only the first and second fluid energy machines or the third and fourth fluid energy machines are flown through.
  • 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 accumulator 14 and the cold accumulator 16 are charged, as will be explained in more detail later. Is the demand for electrical
  • the system supports the power generation in another operating state by discharging the heat accumulator 14 and the cold accumulator 16 and driving a generator Gl with a second shaft 23 through the fluid energy machines 18 and 19.
  • the second shaft 23 is mechanically coupled to the third fluid energy machine 18 and the fourth fluid energy machine 19.
  • a container whose wall 24 is provided with an insulating material 25 having large pores 26.
  • concrete 27 Inside the container concrete 27 is provided, which acts as a heat storage or cold storage. Within the concrete 27 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 cold storage 16 also supplies another line 31 with the stored cold.
  • a not-shown channel system in the cold storage 16 is provided, which is independent of another channel system (also not shown), which is connected to the line 11.
  • the line 31 belongs to a cooling circuit, with a cooling medium such. B. nitrogen can be pre-cooled.
  • a pump 32 With a pump 32 this is circulated in the cooling circuit and also pumped through a cooling unit in the form of a thermosyphon, not shown. Via different valves 34 bypass lines 35 can be switched into the cooling circuit, which are each connected to heat exchanger 36.
  • the heat exchangers 36 each lead to the motor M, the generator Gl and a generator G2 in the wind power plant 22. These are provided with superconducting components, in particular windings, from high-temperature superconductors. The coolant is sufficient to keep these windings at a temperature level so as to preserve the superconducting properties.
  • the cooling unit is disposed outside of the wind power plant 22.
  • the cooling unit is to be arranged in the immediate vicinity of the wind power plant 22 and the motor M and the generator Gl.
  • the cold storage 16 in the vicinity of the wind power plant 22 should be arranged.
  • Such a cold storage 16 is advantageously associated with only one or a few wind power plants 22 of a wind farm.
  • the losses would be too high due to the transport of cold in the line 31 and the cost of thermal insulation.
  • FIGS. 2 and 3 Based on the system according to FIGS. 2 and 3, the thermal charging and discharging process will be explained in greater detail.
  • the charging process is first shown, which operates on the principle of a heat pump. Shown in contrast to Figure 1 in Figures 2 and 3 is an open Circuit, however, as indicated by dash-dotted lines, using the optional heat exchanger 17 could be closed.
  • the states in the working gas, which in the embodiment of Figures 2 and 3 consists of air, are each shown on the lines in circles. At the top left is the pressure in bar. At the top right, the energy is given in KJ / Kg. Bottom left is the temperature in ° C and bottom right is the mass flow in kg / s. 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 1 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 an increase in pressure to 15 bar and, consequently, also to a temperature increase to 547.degree.
  • This calculation is based on the following formula
  • T 2 is the temperature at the compressor outlet
  • K is the compressibility, which is 1.4 in air.
  • the isentropic efficiency r ⁇ c can be assumed to be 0.85 for a compressor.
  • the heated working gas now passes through the heat storage 14, where the majority of the available thermal energy is stored.
  • the working gas cools to 20 ° C, while the pressure (apart from flow-related pressure losses) is maintained at 15 bar.
  • the working gas is discharged into two series-connected stages 15a, 15b of a second fluid energy machine. spans so that it reaches 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 formula given above.
  • 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 (only necessary in the case of an open circuit).
  • 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 storage 16, which can be used in a subsequent energy production.
  • the heat exchanger 17 Comparing the temperature of the working gas at the outlet of the cold storage 16 and at the entrance of the low-temperature heat storage 12, it is clear why in the case of a closed circuit, 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 can be omitted if the working gas is sucked directly from the environment, since this already has ambient temperature.
  • FIG. 1 For cooling, an embodiment deviating from the variant in FIG. 1 is shown in FIG.
  • the motor M and the generator Gl have no superconducting components in this case.
  • the line 31 therefore leads without bypass lines directly to the wind power plant 22.
  • the cooling unit 33 is also housed in the nacelle of the wind power plant 22, so that the paths of the cooling medium can be advantageously kept low, at least in the low temperature level.
  • the discharge cycle of the heat accumulator 14 and of the cold accumulator 16 can be reconstructed, electrical energy being generated at the generator Gl.
  • the first fluid energy machine 13 and the second (two-stage) fluid energy machine 15 are used in both the charge and discharge cycles. This does not affect the operating principle of the system, however, it comes at a lower efficiency. Therefore, the higher capital expenditure when using additionally a third and a fourth fluid energy machine is to be weighed against the gain in efficiency, which can be achieved by optimizing each to the corresponding operating state when four fluid energy machines are used.
  • the alternative of a closed circuit is again shown in phantom.
  • the water separator 29 is not shown in the illustration of Figure 3, since this is not used.
  • the working gas is passed through the cold storage 16. It is cooled from 20 ° C to -92 ° C. This measure serves to reduce the power consumption in order to operate the second fluid energy machine operating as a compressor.
  • the compressor compresses the working gas to 10 bar.
  • Technically acceptable would be a compression of up to 15 bar.
  • 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 relaxed by the first fluid energy machine, which thus operates in this operating condition 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 heat storage and thereby cools down to 130 ° C from.
  • This heat must be stored in order to serve in a subsequent charging process of the heat accumulator 14 and the cold accumulator 16 to preheat the working gas to 80 ° C (as already described above).
  • the low-temperature heat storage thus operates as a buffer and is always charged just when the two other memory, d. H. the heat accumulator 14 and the cold storage 16 are discharged and vice versa.
  • the operating principle of the system and the method is not limited if the low-temperature heat storage is omitted.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie sowie ein Verfahren zu deren Betrieb. Die Anlage arbeitet nach dem Brayton-Prozess, bei dem über ein Verdichter (13) ein Wärmespeicher (14) und über Turbinen (15) ein Kältespeicher (16) aufgeladen wird. Zum Entladen wird dieser Prozess umgekehrt. Erfindungsgemäß ist zusätzlich vorgesehen, dass der Kältespeicher einen Kühlkreislauf (31) versorgt, der über ein Kühlaggregat (33) die Kühlung für einen supraleitenden Generator (36) zur Verfügung stellt. Hierdurch kann vorteilhaft insbesondere bei Windkraftanlagen (22) ein günstiges Generatorgewicht erreicht werden, da diese hinsichtlich ihres Gewichtes wegen der Unterbringung in der Gondel des Windkraftwerkes (22) begrenzt sind. Hierdurch lassen sich vorteilhaft höhere Leistungen im Windkraftwerk (22) umsetzen.

Description

Beschreibung
Anlage zur Speicherung und Abgabe thermischer Energie und Verfahren zu deren Betrieb
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Speicherung thermischer Energie, die einen Kreislauf für ein Arbeitsgas aufweist. Dabei werden in dem Kreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch eine Leitung für das Ar- beitsgas miteinander verbunden: eine erste thermische Fluidenergie-Maschine, ein Wärmespeicher, eine zweite thermische Fluidenergie-Maschine und ein Kältespeicher.
In Durchflussrichtung des Arbeitsgases vom Wärmespeicher zum Kältespeicher gesehen ist die erste thermische Fluidenergie- Maschine als Arbeitsmaschine und die zweite thermische Fluidenergie-Maschine als Kraftmaschine geschaltet.
Weiterhin betrifft die Erfindung zwei Verfahren zum Betrieb dieser Anlage. Bei einem Verfahren zum Speicherung von ther- mischer Energie wird der Kreislauf in Richtung vom Wärmespeicher 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 umgekehrt. 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 Rahmen 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 thermische 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 Energie 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 Fluidenergie-Maschinen verwendet werden, deren Laufräder einen konti- nuierlichen 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 abzurufen .
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anlage zur Speicherung von thermischer Energie der eingangs angegebenen Art bzw. Verfahren zur Wandlung von thermischer Energie (beispielsweise Wandlung von mechanischer in thermischer Energie mit anschließender Speicherung oder Wandlung der gespeicherten thermischen Energie in mechanische Energie) anzugeben, mit der bzw. mit dem eine möglichst effiziente Nutzung der gespeicherten thermischen Energie möglich ist.
Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Anlage erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kältespeicher in einen von dem genannten Kreislauf verschiedenen Kühlkreislauf für ein Kühlmedium geschaltet werden kann, indem folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch eine Leitung für ein Kühlmedium miteinander verbunden sind: der Kältespeicher, ein Kühlaggregat und ein zu kühlender Kälteabnehmer. Das Kühlmedium ist normalerweise von dem Arbeitsgas verschieden, was erklärt, dass der Kühlkreislauf von dem Kreislauf verschieden ist. Um eine Reinigung bei einem Wechsel des Betriebszustandes zu vermeiden, ist es besonders vorteilhaft, wenn auch in dem Kältespeicher die zum Wärmeübergang genutzten Kanäle zwei Kanalsysteme ergeben und insoweit jedes der Kanalsysteme an einen der Kreisläufe angeschlossen werden kann. Der Kühl- kreislauf nutzt somit das eine Kanalsystem, während der Ladekreislauf das andere Kanalsystem nutzt. Der Ladekreislauf kann sich allerdings das Kanalsystem in dem Kältespeicher und evtl. auch weitere Teile der mit dieser verbundenen Leitung mit einem Endladekreislauf teilen (hierzu im Folgenden noch mehr) . Während der Ladekreislauf für die Speicherung der thermischen Energie verantwortlich ist, kann über den Entla- dekreislauf die thermische Energie wieder an das Arbeitsgas abgegeben werden.
Das Kühlaggregat ist notwendig, um für den zu kühlenden Kälteabnehmer das erforderliche Temperaturniveau einstellen zu können. Denn die Speichertemperatur des Kältespeichers ist höher, als das benötigte Temperaturniveau. Allerdings kann durch den Kältespeicher eine Vorkühlung des Kühlmediums erfolgen, so dass in dem Kühlaggregat ein geringerer Temperaturunterschied überwunden werden muss. Dies verringert vor- teilhaft auch den Energiebedarf für das Kühlaggregat. Genutzt werden kann Prozesskälte, die bei der Anlage zur Speicherung von thermischer Energie ohnehin anfällt. Diese steht zwar bei einer Entladung zwecks Abgabe thermischer Energie nicht mehr zur Verfügung, dafür muss diese zum Betrieb des zu kühlenden Kälteabnehmers jedoch nicht gesondert erzeugt werden. Die gesamte Energiebilanz der Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie und des Kälteabnehmers wird dadurch vorteilhaft verbessert. Der Ladekreislauf (und Entladekreislauf) können als offener oder geschlossener Kreislauf betrieben werden (hierzu im Folgenden noch mehr) . Bei einem offenen Kreislauf bildet Luft das Arbeitsgas, welches der Atmosphäre entnommen und anschließend dieser wieder zugeführt werden kann. Als Kühlaggregat kann jegliche Form von Aggregat zum Einsatz kommen. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Thermosiphons, welcher vorteilhaft vergleichsweise geringe Temperaturniveaus erreicht.
Der Kälteabnehmer ist gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung mit einer supraleitenden Komponente ausgestattet. Als Kühlmedium kann hier insbesondere für den Fall, dass Hochtemperatursupraleiter Verwendung finden, beispielsweise
Bi2223 oder YBCO, als Kühlmedium Stickstoff verwendet werden. Dieser muss auf ein Temperaturniveau von ca. 50 bis 60 K gebracht werden. Eine Vorkühlung über den Kältespeicher auf ca. 180 K vereinfacht den Kühlvorgang und verringert die Leis- tungsaufnähme am Kälteaggregat.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine ein Generator ist, der insbesondere in einer Windkraftanlage eingebaut sein kann. Diese Verwendung bietet besondere Vorteile, da elektrische Maschinen mit supraleitenden Komponenten (insbesondere der Wicklung eines elektrisch erregten Rotors in einem Synchrongenerator) mit einer geringeren Masse ausgeführt sein können. Die Masse des Generators bildet jedoch den limitierenden Fak- tor bei der Auslegung von Windkraftanlagen, da die in einer großen Höhe in der Gondel des Windkraftwerks montiert werden müssen. Bei konventionellen Generatoren erhöht sich die Masse der verwendeten Generatoren allerdings schneller als die Leistung, wobei in diesem Verhältnis etwa eine Potenz 1,6 liegt. Daher gilt derzeit die wirtschaftliche Grenze für eine Steigerung der Generatorleistung in Windkraftanlagen bei ca. 6 MW. Andererseits erfordert der Bau von Starkwind- Windkraftanlagen die Installation einer größeren Generator- leistung in der Gondel. Dies kann erfindungsgemäß durch Verwendung von Generatoren mit supraleitenden Komponenten erreicht werden. Ist die Windkraftanlage mit der erfindungsgemäßen Anlage zur Speicherung und Abgabe thermischer Energie gekoppelt, so hat dies den Vorteil, dass der Kältespeicher sinnvoll genutzt werden kann, um die Verluste, die aufgrund der notwendigen Kühlung der supraleitenden Generatorwicklungen erforderlich werden, gering zu halten. Gleichzeitig kann diese Anlage zur Speicherung von thermischer Energie auch verwendet werden, um in an sich bekannter Weise Überkapazitäten im elektrischen Netz zwischenzuspeichern und bei Verbrauchsspitzen an elektrischer Energie unter Abgabe der thermischen Energie wieder in elektrischen Strom umzuwandeln. Es handelt sich also um die Nutzung eines Synergieeffektes, der insgesamt die Effizienz beim Betrieb der Anlage insbesondere mit Windkraftanlagen erhöht. Allerdings kann die Anlage beispielsweise auch mit Pumpspeicherkraftwerken oder auch mit konventionellen Kraftwerken, wie z. B. Gasturbinenwerken betrieben werden.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass die elektrische Maschine ein Motor ist, der mit der ersten thermischen Fluidenergie-Maschine mechanisch gekoppelt ist. Diese Fluide- nergie-Maschine muss nämlich während des Ladevorgangs des Kältespeichers und des Wärmespeichers (evtl. auch eines zusätzlichen Niedertemperatur-Wärmespeichers) angetrieben werden, um den thermodynamischen Ladeprozess in Gang zu bringen. Besonders vorteilhaft ist es, auch diesen Motor als elektrische Maschine mit supraleitender Wicklung auszuführen, wenn die Infrastruktur zur Kühlung dieser Maschine wegen Verwendung eines supraleitenden Generators, beispielsweise im Windkraftwerk, zur Verfügung steht. Hiermit ist eine weitere Effizienzsteigerung für die Anlage möglich. Genauso effizienzsteigernd wirkt es sich vorteilhaft aus, wenn als elektrische Maschine ein weiterer Generator mit supraleitenden Komponenten (z. B. der Wicklung) zum Einsatz kommt. Dieser ist dann mit der ersten Fluidenergie-Maschine gekoppelt und kommt zum Einsatz, wenn in Zeiten von erhöhtem Energiebedarf der Wärmespeicher und der Kältespeicher entladen werden sollen. Es ist alternativ auch möglich, dass der Generator mit einer dritten thermischen Fluidenergie-Maschine verbunden ist, wobei die dritte Fluidenergie-Maschine mit der ersten thermischen Fluidenergie-Maschine sowie mit der zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine eine vierte thermische Fluidenergie-Maschine im Lade- und Entladekreislauf parallelgeschaltet ist. Dabei ist jeweils ein Ventilmechanismus zwi- sehen 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 Fluidenergie-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. An Stelle der Verwendung von Ventilen können auch separate Leitungen für den Ladekreislauf und den Entladekreislauf vorgesehen werden. Die Konfiguration hat den Vorteil, dass die jeweils zum Einsatz kommenden Fluidenergie-Maschinen während des Ladeprozesses und des Entladeprozesses auf den jeweiligen Betriebszustand optimiert werden können. Hierdurch wird eine Steigerung der Effizienz des Systems erreicht. Die- ser wird allerdings mit höheren Anschaffungskosten der Anlage erkauft. Hier muss eine wirtschaftliche Abwägung erfolgen. Das Arbeitsgas kann wahlweise in einem geschlossenen oder einem offenen Kreislauf geführt werden (Dies gilt sowohl für den Ladekreislauf als auch für den Entladekreislauf, nicht aber für den Kühlkreislauf) . 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 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 Wärmetauscher geführt werden, der ei- ne Abgabe bzw. Aufnahme von Wärme des Arbeitsgases an die Umgebung erlaubt .
Zusätzlich kann vorgesehen werden, dass vor der ersten Flui- denergie-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 prinzipbedingt unter dem Temperaturniveau des Wärmespeichers liegt. Wärme ist durch den Bezug der Umgebungs- temperatur 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 folgende Vorteile. Wird die Anlage zur Speicherung der thermischen Energie verwendet, so wird der Niedertemperatur-Wärmespeicher vor Passieren der in diesem Fall als Arbeitsmaschine (Verdichter) arbeitenden ersten Fluidenergie -Maschine durch- laufen. Hierdurch wird das Arbeitsgas bereits über Umgebungstemperatur aufgewärmt. Dies hat den Vorteil, dass die Arbeitsmaschine 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 thermodynamisehen 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.
Die Lösung der Aufgabe gelingt überdies durch das eingangs genannte Verfahren zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie dadurch, dass der Kältespeicher bei Bedarf in einen von dem genannten Kreislauf verschiedenen Kühlkreislauf geschaltet wird, wobei in dem Kühlkreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge von einem Kühlmedium durch- flössen werden: der Kältespeicher, ein Kühlaggregat und ein zu kühlender Kältenehmer. Mit diesem Verfahren werden die oben zur erfindungsgemäßen Anlage erläuterten Vorteile erreicht, wobei das Verfahren mit der oben genannten Anlage durchführbar ist. Als besonders geeignetes Kühlmedium, insbe- sondere für supraleitende Komponenten, kann Stickstoff verwendet werden. Dieser liegt bei der zur Kühlung dieser supraleitenden Komponenten erforderlichen Temperaturen flüssig vor und kann beispielsweise in einem Thermosiphon als Kälteaggregat auf das erforderliche Temperaturniveau gebracht werden. Die Vorkühlung über den Kältespeicher verringert hierbei den Energieaufwand bei dem Betrieb des Kühlaggregates . Außerdem kann dies geringer dimensioniert werden. Dies macht diese Lösung besonders wirtschaftlich. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind hierbei jeweils mit denselben Bezugszeichen 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 (Brayton-Prozess) 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 hydrodynamischer Verdichter ausgebildet ist. Weiterhin führt die Leitung dann zu einem Wärmespeicher 14. Dieser ist mit einer zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine 15 verbunden, wel- che als hydrodynamische Turbine ausgeführt ist. Von der Turbine führt die Leitung 11 zu einem Kältespeicher 16. Der Kältespeicher 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 Leitungsabschnitt zwischen dem Kältespeicher 16 und dem Niedertemperatur-Wärmespeicher 12 mitsamt dem Wärmetauscher 17 entfällt. In diesem Fall würde der Kreislauf über die Umgebung geschlossen 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 hydrodynamischen Verdichters vorgesehen. Zu bemerken ist weiterhin, dass die erste hydrodynamische Fluidenergie-Maschine 13 in der Leitung 11 mit der dritten hydrodynamischen Fluidenergie-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 werden. Die erste und zweite Fluidenergie-Maschine 13 und 15 sind über eine erste Welle 21 mechanisch miteinander gekop- pelt und werden durch einen elektrischen Motor M angetrieben, der von einem Windkraftwerk 22 gespeist wird, solange die erzeugte elektrische Energie im Stromnetz nicht nachgefragt wird. Während dieses Betriebszustandes werden der Wärmespeicher 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 elektrischer Energie größer, so wird der durch das Windkraftwerk 22 erzeugte Strom direkt in das Netz eingespeist. Zusätzlich unterstützt 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 Gl angetrieben wird. Die zweite Welle 23 ist dazu mechanisch mit der dritten Fluidenergie-Maschine 18 und der vierten Fluidener- gie-Maschine 19 gekoppelt.
Der Aufbau des Niedertemperatur-Wärmespeichers 12, des Wärmespeichers 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 aufweist. 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) . Der Kältespeicher 16 versorgt außerdem noch eine weitere Leitung 31 mit der gespeicherten Kälte. Für diese Leitung 31 ist ein nicht näher dargestelltes Kanalsystem im Kältespeicher 16 vorgesehen, welches unabhängig von einem anderen Kanalsystem (ebenfalls nicht dargestellt) ist, welches mit der Leitung 11 verbunden ist. Die Leitung 31 gehört zu einem Kühlkreislauf, mit dem ein Kühlmedium wie z. B. Stickstoff vorgekühlt werden kann. Mit einer Pumpe 32 wird dieses in dem Kühlkreislauf umgewälzt und auch durch ein Kühlaggregat in Form eines nicht näher dargestellten Thermosiphons hindurchgepumpt. Über verschiedene Ventile 34 können Bypassleitungen 35 in dem Kühl- kreislauf hineingeschaltet werden, die jeweils mit Wärmetauscher 36 verbunden sind. Die Wärmetauscher 36 führen jeweils zu dem Motor M, dem Generator Gl und einem Generator G2 im Windkraftwerk 22. Diese sind mit supraleitenden Komponenten, insbesondere Wicklungen, aus Hochtemperatursupraleitern versehen. Das Kühlmittel reicht aus, um diese Wicklungen auf einem Temperaturniveau zu halten, dass die supraleitenden Eigenschaften erhalten bleiben.
In Figur 1 ist eine Variante des Kühlkreislaufes dargestellt, in der das Kühlaggregat außerhalb des Windkraftwerkes 22 angeordnet ist. Um die Wege der zu isolierenden Leitung 31 möglichst kurz zu halten, ist das Kühlaggregat jedoch in der un- mittelbaren Nähe des Windkraftwerkes 22 und des Motors M sowie des Generators Gl anzuordnen. Damit sollte auch der Kältespeicher 16 in der Umgebung des Windkraftwerks 22 angeordnet werden. Ein solcher Kältespeicher 16 wird vorteilhaft jeweils nur einem oder einige wenige Windkraftwerke 22 eines Windparks zugeordnet sein. Andererseits würden die Verluste aufgrund des Transportes der Kälte in der Leitung 31 bzw. der Aufwand einer thermischen Isolierung zu hoch.
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 geschlossen 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 1 bar und 20°C in den (vorher aufgeladenen) Niedertemperatur-Wärmespeicher und verlässt diesen mit einer Temperatur von 80°C. Durch Komprimierung mittels der als Verdichter arbeitenden ersten Fluidenergie-Maschine 13 kommt es zu einer Druckerhöhung auf 15 bar und infolgedessen auch zu einer Temperaturerhöhung auf 547°C. Dieser Berechnung liegt folgende Formel zugrunde
T2=T1+ (T2s-Ti) / r\c ; Τ23=ΤιΠ (K_1) /K, wobei
T2 die Temperatur am Verdichterausgang,
Τχ die Temperatur am Verdichtereingang,
r|c 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 r\c 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 strömungsbedingten 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 anlangt. 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 (nur für den Fall eines offenen Kreislaufes notwendig) .
Im weiteren Verlauf entzieht das entspannte und daher abgekühlte 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 Temperatur des Arbeitsgases am Ausgang des Kältespeichers 16 und am Eingang des Niedertemperatur-Wärmespeichers 12, so wird deutlich, 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 Maßnahme kann selbstverständlich entfallen, wenn das Arbeitsgas direkt aus der Umgebung angesaugt wird, da dies bereits Umgebungstemperatur aufweist.
Für die Kühlung ist in Figur 2 eine von der Variante in Figur 1 abweichende Ausführungsform dargestellt. Der Motor M und der Generator Gl weisen in diesem Fall keine supraleitenden Komponenten auf. Lediglich der Generator G2 im Windkraftwerk 22, der aufgrund seiner Einbauhöhe in der Gondel des Windkraftwerkes eine möglichst geringe Masse aufweisen soll, nutzt die Vorteile, die mit supraleitenden Wicklungen und deren geringeren notwendigen Leiterquerschnitten verbunden sind. Die Leitung 31 führt daher ohne Bypassleitungen direkt zum Windkraftwerk 22. Das Kühlaggregat 33 ist ebenfalls in der Gondel des Windkraftwerkes 22 untergebracht, so dass die Wege des Kühlmediums zumindest im tiefen Temperaturniveau vorteilhaft gering gehalten werden können.
Mittels Figur 3 kann der Entladezyklus des Wärmespeichers 14 und des Kältespeichers 16 nachvollzogen werden, wobei am Generator Gl elektrische Energie erzeugt wird. Anders als in Figur 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 allerdings durch einen geringeren Wirkungsgrad erkauft. Abzuwägen sind daher der höhere Investitionsaufwand bei Verwendung zusätzlich einer dritten und einer vierten Fluidenergie-Maschine gegenüber dem Gewinn an Wirkungsgrad, der dadurch er- reicht 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 Wasserabscheider 29 ist in der Darstellung gemäß Figur 3 nicht dargestellt, da dieser nicht zum Einsatz gelangt.
Das Arbeitsgas wird durch den Kältespeicher 16 geleitet. Dabei 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 reduziert. In dem Beispiel komprimiert der Kompressor das Arbeitsgas 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-Wärmespeicher 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 bereits 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. Wie bereits erwähnt, wird das Funktionsprinzip der Anlage und des Verfahrens jedoch nicht eingeschränkt, wenn der Niedertemperatur-Wärmespeicher weggelassen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie, die einen Ladekreislauf und einen Entladekreislauf für ein Arbeitsgas aufweist, wobei in dem Ladekreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch eine Leitung (11) für das Arbeitsgas 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 Wärmespeicher (14) zum Kältespeicher (15) gesehen die erste thermische Fluidenergie-Maschine (13) als Arbeitsmaschine und die zweite thermische Fluidenergie-Maschine (15) als Kraftmaschine geschaltet ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der Kältespeicher (16) in einen von den oben genannten Kreisläufen getrennten Kühlkreislauf geschaltet werden kann, in dem folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch eine Leitung (31) für ein Kühlmedium miteinander verbunden sind:
• der Kältespeicher,
• ein Kühlaggregat (33) und
· ein zu kühlender Kälteabnehmer (Gl, G2 , M) .
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 Kälteabnehmer (Gl, G2, M) eine elektrische Maschine mit supraleitenden Komponenten ist.
3. Anlage nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die elektrische Maschine ein Generator G2 ist
4. Anlage nach Anspruch 3 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Generator G2 in eine Windkraftanlage (22) eingebaut ist .
5. Anlage nach einem der Ansprüche 2 oder 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die elektrische Maschine ein Motor M ist, der mit der ersten thermischen Fluidenergie -Maschine (13) mechanisch gekoppelt ist.
6. Anlage nach einem der Ansprüche 2, 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 die elektrische Maschine ein Generator Gl ist der mit der
• mit der ersten thermische Fluidenergie-Maschine (13) gekoppelt ist oder
• mit einer dritten thermischen Fluidenergie-Maschine, wobei die dritte thermische Fluidenergie-Maschine (18) mit der ersten thermischen Fluidenergie-Maschine (13) sowie mit der zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine (15) eine vierte thermische Fluidenergie-Maschine (19) im Lade- und Entladekreislauf parallel geschaltet ist, wobei jeweils ein Ventilmechanismus (20) zwischen der ersten und der dritten sowie der zweiten und der vierten thermischen Fluidenergie-Maschine vorgesehen ist.
7. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass für die supraleitende Komponente ein Hochtemperatur- Supraleiter, insbesondere Bi2223 oder YBCO, zum Einsatz kommt .
8. Verfahren zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie, bei dem ein Arbeitsgas einen Ladekreislauf oder einen Entladekreislauf durchläuft, wobei in dem Ladekreislauf 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-Maschine (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 der Kältespeicher (16) bei Bedarf in einen von den genannten Kreislaufen getrennten Kühlkreislauf geschaltet wird wobei in dem Kühlkreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge von einem Kühlmedium durchflössen werden:
• der Kältespeicher,
• ein Kühlaggregat (33) und
• ein zu kühlender Kälteabnehmer (Gl, G2 , M) .
9. Verfahren nach Anspruch 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass als Kühlmedium Stickstoff verwendet wird.
EP13718802.5A 2012-04-17 2013-03-28 Anlage zur speicherung und abgabe thermischer energie und verfahren zu deren betrieb Withdrawn EP2825735A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012206296A DE102012206296A1 (de) 2012-04-17 2012-04-17 Anlage zur Speicherung und Abgabe thermischer Energie und Verfahren zu deren Betrieb
PCT/EP2013/056735 WO2013156292A1 (de) 2012-04-17 2013-03-28 Anlage zur speicherung und abgabe thermischer energie und verfahren zu deren betrieb

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2825735A1 true EP2825735A1 (de) 2015-01-21

Family

ID=48190472

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP13718802.5A Withdrawn EP2825735A1 (de) 2012-04-17 2013-03-28 Anlage zur speicherung und abgabe thermischer energie und verfahren zu deren betrieb

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20150059342A1 (de)
EP (1) EP2825735A1 (de)
CN (1) CN104302875A (de)
DE (1) DE102012206296A1 (de)
WO (1) WO2013156292A1 (de)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015131940A1 (de) * 2014-03-05 2015-09-11 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperatur-energiespeicheranlage und betriebsverfahren hierfür
US9695748B2 (en) 2015-04-10 2017-07-04 Sten Kreuger Energy storage and retrieval systems
US10323866B1 (en) * 2016-09-27 2019-06-18 Jacob Klein Efficiency heat pump system
DE102017220977A1 (de) * 2017-11-23 2019-05-23 Siemens Aktiengesellschaft Kraftwerk mit Kühlsystem, Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftwerks, Verfahren zur Modifikation eines Kraftwerks
CN112031884A (zh) * 2020-08-21 2020-12-04 上海交通大学 基于布雷顿循环的热泵式储电系统
CN112302750B (zh) * 2020-10-25 2022-06-21 上海交通大学 基于布雷顿循环的热泵式储能及冷热电联供系统
CN112727603A (zh) * 2020-12-09 2021-04-30 华电电力科学研究院有限公司 一种应用于陆地沙漠简单循环燃机发电与温差发电的联合发电方法
CN113054797B (zh) * 2021-03-25 2022-04-19 南方电网电力科技股份有限公司 一种超导风机控制方法及装置
CN113048010B (zh) * 2021-03-25 2022-03-22 南方电网电力科技股份有限公司 一种超导风机控制方法
CN113465226A (zh) * 2021-07-16 2021-10-01 中国科学院上海应用物理研究所 热泵式储能供电方法及装置
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

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4394814A (en) * 1981-04-01 1983-07-26 Wardman John C Energy generation system
DK23391D0 (da) 1991-02-12 1991-02-12 Soerensen Jens Richard Vindmoelle til selvforsyning og opbevaring af energi
JPH1089788A (ja) * 1996-09-10 1998-04-10 Nippon Sanso Kk 被冷却物の冷却方法及び装置
US7263845B2 (en) * 2004-09-29 2007-09-04 The Boc Group, Inc. Backup cryogenic refrigeration system
DE102005013012A1 (de) * 2005-03-21 2006-09-28 ZAE Bayern Bayerisches Zentrum für angewandte Energieforschung e.V. Latentwärmespeicher für effiziente Kühl- und Heizsysteme
US7228686B2 (en) * 2005-07-26 2007-06-12 Praxair Technology, Inc. Cryogenic refrigeration system for superconducting devices
US7401475B2 (en) * 2005-08-24 2008-07-22 Purdue Research Foundation Thermodynamic systems operating with near-isothermal compression and expansion cycles
WO2007029680A1 (ja) * 2005-09-05 2007-03-15 The Tokyo Electric Power Company, Incorporated 蒸気発生システム
JP2008249254A (ja) * 2007-03-30 2008-10-16 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 冷凍機、冷凍機の運転方法及び製造方法
FR2916101B1 (fr) * 2007-05-11 2009-08-21 Saipem Sa Installation et procedes de stockage et restitution d'energie electrique
ES2416727T3 (es) 2007-10-03 2013-08-02 Isentropic Limited Aparato de acumulación de energía y método para acumular energía
US20090224550A1 (en) * 2008-03-06 2009-09-10 General Electric Company Systems involving superconducting direct drive generators for wind power applications
US20090230690A1 (en) * 2008-03-13 2009-09-17 General Electric Company Systems involving superconducting homopolar alternators for wind power applications
CN102859118A (zh) * 2010-03-01 2013-01-02 布莱特能源存储科技有限责任公司 旋转压缩机-膨胀器系统以及相关联的使用和制造方法
WO2012007068A2 (en) * 2010-07-12 2012-01-19 Siemens Aktiengesellschaft Storage and recovery of thermal energy based on counter current principle of heat transfer medium transportation
EP2532843A1 (de) * 2011-06-09 2012-12-12 ABB Research Ltd. System zum Speichern von thermoelektrischer Energie mit einer Anordnung zum Speichern von Eis und Verfahren zur Speicherung von thermoelektrischer Energie
EP2570660B1 (de) * 2011-08-10 2014-01-08 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Vorrichtung zur stromerzeugung aus erneuerbarer energie

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2013156292A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102012206296A1 (de) 2013-10-17
CN104302875A (zh) 2015-01-21
US20150059342A1 (en) 2015-03-05
WO2013156292A1 (de) 2013-10-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2013156292A1 (de) Anlage zur speicherung und abgabe thermischer energie und verfahren zu deren betrieb
EP2574739A1 (de) Anlage zur Speicherung thermischer Energie und Verfahren zu deren Betrieb
EP2748434B1 (de) Anlage zur speicherung thermischer energie
EP1912031B1 (de) Kühlsystem
EP2450549A2 (de) Druckstufen-Wärme-Speicherkraftwerk bzw. Energiespeicherverfahren zum zeitweiligen Speichern von Energie in Form von Druckenergie in einem kompressiblen Medium in Form von Wärmeenergie
DE102019127431B4 (de) Thermischer Stromspeicher mit Festbett-Wärmespeicher und Festbett-Kältespeicher und Verfahren zum Betreiben eines thermischen Stromspeichers
EP2986825B1 (de) Energiespeicheranordnung zur flexibilisierung von kraftwerken
EP2574756B1 (de) Verfahren zum Betrieb eines adiabatischen Druckluftspeicherkraftwerks und adiabatisches Druckluftspeicherkraftwerk
WO2010054844A2 (de) Verfahren zum betreiben einer windkraftanlage und windkraftanlage
EP3476030B1 (de) System mit einer elektrischen maschine mit kryogener komponente und verfahren zum betreiben des systems
EP2489840A1 (de) Energiespeicher und Verfahren zu dessen Betrieb
EP1759116B1 (de) Wärmekraftmaschine
WO2013156284A1 (de) Anlage zur speicherung und abgabe von thermischer energie mit einem wärmespeicher und einem kältespeicher und verfahren zu deren betrieb
WO2013045437A1 (de) Anlage zur speicherung thermischer energie
DE102013008445B4 (de) Wärmespeicherkraftwerk
EP2859196B1 (de) Energietransformations-system
DE102015002926A1 (de) Druckluft-Energiespeicheranlage mit Spindelmaschine
DE102011108067A1 (de) Elektrische Energiegewinnung aus Umweltwärme durch einen kombinierten Wärmepumpen-ORC-Prozess, mit Kondensationswärmerückgewinnung im ORC-Prozess und Kältemitteltemperaturanhebung im Wärmepumpenkreislauf
DE102021102231A1 (de) Elektrisches Energiespeichersystem und Verfahren zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie sowie Computerprogramm
EP1529333A1 (de) Dynamoelektrischer generator
AT518479B1 (de) Vorrichtung mit einem Kältemittelkreislauf
EP2989310A1 (de) Gasturbinen gekoppeltes speichersystem zur ansaugfluidvorwärmung
EP1536118A1 (de) Kraftwerksanlage
EP2808502A1 (de) Anlage zur Speicherung von Energie in einem verflüssigten Prozessgas
DE102014105617A1 (de) Solarthermiesystem sowie Betriebsverfahren eines Solarthermiesystems

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: 20141008

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

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
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: 20161001