EP2836782A1 - Wärmespeicher für kraftwerksleistungen - Google Patents

Wärmespeicher für kraftwerksleistungen

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Publication number
EP2836782A1
EP2836782A1 EP13713796.4A EP13713796A EP2836782A1 EP 2836782 A1 EP2836782 A1 EP 2836782A1 EP 13713796 A EP13713796 A EP 13713796A EP 2836782 A1 EP2836782 A1 EP 2836782A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat storage
heat
gas
outflow
channel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13713796.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Brunhuber
Horst Oerterer
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 Gamesa Renewable Energy AS
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 EP2836782A1 publication Critical patent/EP2836782A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F28D17/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles
    • F28D17/005—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles using granular particles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D2020/0065—Details, e.g. particular heat storage tanks, auxiliary members within tanks
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F9/027—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes
    • F28F9/0273—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes with multiple holes
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    • 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
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention relates to a heat storage for storing at least 100 MWh of thermal energy from a relatively warmer gas in a state of charge and delivering that thermal energy to a relatively colder gas in a discharge state. Furthermore, the invention relates to a method for loading and unloading of such a heat accumulator.
  • Heat storage for storing large amounts of thermal energy from power plant services are typically used as seasonal storage for intermediate storage of surplus energy from power generation. Thus, for economic reasons, it may be advantageous to buffer excess energy generated outside of peak load times in thermal form.
  • the excess energy can be taken from the conventional power generation or also be provided by the regenerative power generation, in particular the thermosolar power generation.
  • a heat storage for storing at least 100 MWh of thermal energy from a relatively warmer gas in a state of charge and dissipating thermal energy to a relatively colder gas in a discharge state which in the state of charge for introduction of the gas at least an inlet surface provided with inflow openings, and at least one outflow surface provided with outflow openings for discharging the gas after heat release to a granular heat storage medium, wherein the inflow surface is at least partially formed into a channel which is in particular completely surrounded by the outflow surface, and wherein between the inflow and outflow surface, a gap is determined, in which the granular heat storage medium is arranged.
  • the granularity of the heat storage medium is to be understood in the way that the heat storage medium is free-flowing, but at the same time offers sufficient space for a gas to be flowed through by it. Furthermore, the granularity should not be fundamentally limited with regard to the size distribution of the grains. Apart from preferred embodiments, the shape and volume distribution of individual grains should be arbitrary. According to the invention, however, it is essential that the shape and volume distribution of individual grains is sufficient to allow a gas flow between the individual grains. In addition, this gas flow must be able to be sufficiently large in order to be able to deposit the desired thermal energy in the heat accumulator.
  • the object of the invention is achieved by a method for charging and discharging such a heat accumulator, wherein for loading the heat accumulator a relatively warmer gas is flowed into the channel, so that it flows through the Einströmöff- openings of the inflow and on its way to the outlet openings of the Output surface heat to the granular heat storage medium, where it flows as a relatively colder gas from the outlet openings and is derived from the heat storage, and that for discharging the heat accumulator a relatively colder gas is flowed through the outflow openings, which on its way through the granular Heat storage medium receives heat from the granular heat storage medium and is available as a relatively warmer gas after exiting the inlet openings of the inflow.
  • the excess energy generated by a power plant should thus be transmitted to a suitable solid heat storage medium by a gaseous heat transfer medium.
  • the heat transfer medium may have received the heat transported by it in different ways.
  • the gaseous heat transfer medium is taken from an exhaust gas, and thus transfers the excess process heat, such as a combustion process, to the heat storage medium.
  • the thermal energy to be stored comes from a secondary generation process, such as a compressor process for heat generation, whereby this generation process itself is supplied with excess energy.
  • the heat accumulator should be suitable for storing at least 100 MWh of thermal energy. Such large amounts of energy typically only occur in conjunction with power generated by power plants, in whose field of application the present invention also falls. _.
  • the temporarily stored heat quantity can be returned to another power plant process or energy generation process for use. In this way, with a time delay, the energy can be retrieved from the heat storage, and is ready to re-generate energy when needed.
  • the heat accumulator according to the invention is described in terms of its components from the viewpoint of the state of charge. However, this does not constitute a restriction with regard to the disclosure of the heat accumulator, since it is understandable to the person skilled in the art that when the state of charge is reversed, that is to say in the case of a discharge state, the individual components of the heat accumulator maintain their basic functionality.
  • the inflow surface fulfills the function of an outflow surface and the inflow openings fulfill the functions of outflow openings during the discharge state.
  • the description of individual components of the heat accumulator from the perspective of the state of charge is described.
  • the heat accumulator according to the invention allows to take over by means of direct heat transfer energy from the relatively warmer gas, and to transfer to the granular heat storage medium.
  • the relatively warmer gas flows through the inflow openings of the inflow surface into the intermediate space in which the granular heat storage medium is arranged. Due to a desired gas pressure to be set, the relatively warmer gas flows through the free spaces that the heat storage medium has due to its graininess. After the relatively warmer gas has passed through the entire intermediate space with the release of heat, it passes to the outflow area and is discharged into the latter via the outflow openings.
  • the heat accumulator Since the heat accumulator is provided for the intermediate storage of generated excess energy, a complete charging of the heat accumulator is typically not achieved. Rather, the heat accumulator has a desired temperature distribution in the heat storage medium described above during its operation. As a result, however, the regions which are arranged closer to the outflow surface of the interspace, with respect to the heat losses from the regions arranged closer to the channel of the inflow surface, act like a heat insulator. The outer, relatively colder regions of this intermediate space filled with the granular heat storage medium thus prevent heat transfer from the relatively warmer inner regions, which are arranged closer to the channel of the inflow surface.
  • the heat accumulator is provided for placement on the ground. Due to the amount of heat energy to be stored therein, the heat accumulator is to be filled with relatively large amounts of granular heat storage medium, whereby preferably such material should be provided as heat storage medium, which is available locally and locally.
  • the channel of the inflow surface has a first symmetry which coincides with a second symmetry of at least one predetermined portion of the outflow surface surrounding the channel of the inflow surface. Due to the matching symmetry of the inflow and the outflow surface, a temperature field, which is likewise formed symmetrically at least in regions, can be set in the granular heat storage medium. The symmetry of this temperature field further reduces heat loss since the regions of relatively higher temperature and regions of relatively lower temperature of the granular heat storage medium are better localized. For example, the formation of hotspots that could cause unwanted efficient heat dissipation to the outside is less likely than with an asymmetrical overall structure.
  • a likewise suitable temperature distribution can be achieved if, according to the embodiment, the channel of the inflow surface has a first axis of symmetry whose arrangement in the heat accumulator coincides with a second axis of symmetry of at least one predetermined section of the outflow surface which surrounds the channel of the inflow surface.
  • This likewise preferred embodiment ensures an additionally improved symmetrical formation of the temperature field within the gap, which is filled with the granular thermal storage medium.
  • the relatively warmer region of the gap which is arranged closer to the channel of the inflow surface, is symmetrically surrounded by the relatively colder regions closer to the outflow surface so as to bring about a uniform insulating effect on the relatively warmer regions.
  • the channel of the inflow surface as well as the at least one surrounding portion of the Ausström requirements, a cylinder symmetry and the portion of the Ausström requirements is arranged coaxially relative to the inflow.
  • the cylindrically symmetrical shaping of inflow surface and outflow surface in conjunction with a coaxial arrangement of both relative to one another ensures a particularly uniform temperature distribution within the granular heat storage medium in the intermediate space of the heat accumulator.
  • a relatively uniform and defined colder zone which is arranged closer to the outflow surface, likewise becomes a relatively warmer zone, which is closer to the channel of the inlet.
  • Ström Formation is arranged, formed and counteracts the heat loss comparable to an insulating layer.
  • a uniform gas temperature can be ensured even during a discharge state of the heat accumulator, since a uniform heat output from the heat accumulator is ensured regardless of the direction from which the gas flows into the channel of the inflow surface.
  • the channel of the inflow surface can be closed on one side to be terminal, wherein the terminal closure in particular has inflow openings. Due to the closure, it is ensured that the entire gas flowing into the channel of the inflow surface is transferred through the inflow openings into the intermediate space of the heat accumulator. Due to the geometric arrangement of the closure, moreover, influence is exerted on the forming temperature profile in the heat accumulator during the state of charge. By providing inlet openings in the closure, areas arranged below the closure and filled with granular heat storage medium can thus also be used for heat storage. It should be noted that when the heat accumulator is placed on the ground, the height level of the shutter should not reach the ground level. The appropriate height at which the closure can be arranged to still ensure the most efficient heat transfer in the heat storage, resulting from numerous geometric, as well as process parameters.
  • the number of inflow openings per unit area in the channel in the direction of flow of the inflowing gas is increasing. Accordingly, relatively more inflow openings per unit area are arranged downstream in the channel. This can be counteracted convection phenomena in the heat storage, which cause a deformation of the temperature distribution field. Is the channel of the inlet Surface following the direction of the gravitational field from top to bottom in a arranged on the ground heat storage, a widening of the temperature distribution profile is preferably set higher up in the space, since the relatively warmer air rises in comparison to the heavy, relatively colder air upward.
  • the size of the inflow openings per unit area in the channel increases in the direction of flow of the inflowing gas.
  • the channel, which is formed by the inflow has a rectilinear course, which is aligned in the heat accumulator, in particular parallel to the direction of Erdanziehungsfeldes.
  • the inflow surface is a metallic surface, in particular a surface of steel, which is provided with first recesses as inlet openings.
  • Alternative materials for this may be brick, ceramics or glass.
  • a metallic surface is preferred since, on the one hand, it is cost-effective to provide, and, on the other hand, it also satisfies the requirements for the operating temperature and the mechanical properties.
  • the inflow surface at least partially supports the granular heat storage medium located in the intermediate space. Due to the large quantities of granular heat storage medium sometimes covered by the heat accumulator, the forces occurring on the inflow surface are considerable, so that they must be designed to be mechanically very resistant. Metal is particularly suitable for this purpose.
  • the granular heat storage medium may comprise a bed of rock.
  • pebbles can be used as well as fragments of stone or brick waste. These are easy to obtain and inexpensive.
  • metal waste can be suitable as a granular heat storage medium, since on the one hand they have a high heat capacity, but on the other hand they can also provide sufficient free space for the gas flow.
  • Preferably locally available media are used in the heat storage. Due to the relatively large amounts of heat storage medium covered by the heat accumulator, waste or cost-effective building materials such as stones are particularly suitable.
  • a pourable and at the same time granular heat storage medium comprises individual grains, for example a fragment of stone, which are individuallised from other constituents.
  • the bulk of the granular heat storage medium has an average grain size of at least 1 cm in diameter, preferably an average grain size of at least 3 cm in diameter.
  • Such particle sizes allow the formation of sufficiently large free spaces between individual grains, so that the relatively warmer gas, which is flowed into the heat storage for heat dissipation, can flow through the granular heat storage medium without excessive flow resistance. This applies in particular to flow resistance at flow velocities of the gas of 0.1 to 0.5 m / sec.
  • a further advantageous embodiment of the heat accumulator according to the invention is achieved when the
  • the convection barriers can also be designed as partially gas-permeable convection barriers. All that matters is that the convection barriers allow the convective gas to be diverted.
  • the convection barriers are provided so that the gas strikes the convection barriers during the convection process and is diverted from these to other areas.
  • efficient convection prevention by the barriers can be achieved.
  • the outflow surface can be a metallic surface, in particular a surface made of steel, which is provided with second recesses as outlet openings.
  • the outflow surface can likewise be made of brick, ceramic or glass. Due to the high cost of using the discharge surface when using other materials, metal is the preferred material.
  • the inflow surface and / or the outflow surface support the granular heat storage medium by contact.
  • the inflow surface or the outflow surface must therefore be able to absorb sufficient mechanical support forces in order to support the granular heat storage medium.
  • the inflow openings encompassed by the inflow area and the outflow openings covered by the outflow area may only be selected to be so large that on the one hand the gas flow is not substantially hindered and, on the other hand, the granular heat storage medium can not pass through the inflow surface or outflow surface can pass through.
  • the choice of a suitable size of the inlet openings and the outflow openings is understandable to the person skilled in the art.
  • the inflow openings or outflow openings could also be covered with suitable grids.
  • the heat storage is at least 10 m, preferably at least 15 m in its vertical extent and at least 30 m, preferably at least 45 m in its width.
  • the width dimension of the heat accumulator is greater than its height extent.
  • the width dimension corresponds to a diametrical width extension.
  • the outflow surface is surrounded by a thermal insulation, which is spaced from the granular heat storage medium side of the Ausström measurements, and so between the Ausström measurements and itself determines a discharge channel, through which the from the outflow openings escaping gas can be derived.
  • this outflow channel emerging from the space of the heat accumulator relatively colder gas is derived. Due to the typically escaping amounts of gas, a gas stream is formed, which surrounds the outflow surface and at the same time exerts an insulating effect on it.
  • the airflow that forms can advantageously be taken into account as an additional insulating layer in the entire insulation concept of the heat accumulator.
  • the relatively colder gas leaving the outflow openings has at least partially released its energy already on its way through the interspace of the heat accumulator, and thus has a lower temperature level. Accordingly, the requirements for the thermal insulation are also lower in that, at non-destructive temperatures, they are non-destructive in nature. lation of the heat storage to ensure. It may be different with the thermal insulation, which must limit the space of the heat accumulator upwards against the upwardly convective gas. Since higher temperatures typically occur in the intermediate space due to gas convection in the upper regions, thermal insulation means are also to be provided there which can withstand these greater temperatures but at the same time ensure good insulation.
  • the thermal insulation is surrounded by that of an at least partially gas-tight housing.
  • This at least partially gas-tight housing ensures that the emerging from the outflow of the Ausström design gas can not escape from the heat storage in an uncontrolled manner even with unwanted passage through a thermal insulation.
  • the housing supports the formation of a defined gas flow between the outflow surface and the thermal insulation or between the outflow surface and the gas-tight housing.
  • the side of the channel of the inflow surface facing the outflow surface is at least 15 m apart from the outflow surface by at least 20 m. Accordingly, the path to be traveled by the relatively warmer gas in the gap of the heat exchanger is at least 15 meters, or preferably 20 meters. Due to the large flow paths can be ensured that the relatively warmer gas as it flows into the space of the heat accumulator transmits a large part of its energy to the granular heat storage medium. In addition, these flow paths ensure the storage of large amounts of heat energy, which are also able to drive power plant processes during a discharge process.
  • the relatively warmer gas with a mass flow of at least 10 kg / sec, in particular of at least 40 kg / sec is flowed into the heat accumulator.
  • mass flow values for air as gas are particularly preferred.
  • the charging of the heat storage can be carried out to a maximum of 90% or 80% or even at most 60% or 50% of the maximum possible Energybergerneaufme- amount. According to the embodiment, these upper limits correspond to a maximum desired charging of the heat accumulator.
  • the regions of the space filled with the granular heat storage medium, which are arranged closer to the outflow surface can form a suitable heat insulation layer for the regions which are arranged closer to the inflow surface they are relatively colder and thus have less exergetic losses.
  • the relatively colder areas of the gap filled with the granular heat storage medium may provide advantageous thermal insulation Referring to the relatively warmer areas of the exercise with the granular heat storage medium filled gap.
  • a temperature drop toward the outflow surface is formed or formed during charging or in a state of charge between the inflow surface and the outflow surface.
  • the state of charge here is a state in which the charge has not been made up to a maximum possible value (i.e., substantially equal temperature distribution within the space filled with the granular heat storage medium).
  • relatively colder regions then form, which have a heat-insulating effect on the relatively warmer regions of the intermediate space filled with the granular heat storage medium and can thus counteract exergetic energy loss.
  • the temperature drop can be such that a temperature difference of at least 25%, preferably of at least 50%, exists between the inflow surface and the outflow surface.
  • a temperature distribution between the inflow surface and the outflow surface is formed during charging or in a charge state, which does not extend linearly.
  • Such a course may in turn contribute to the fact that relatively colder regions in the intermediate space filled with the granular heat storage medium have a heat-insulating effect on the relatively warmer regions of the intermediate space and can thus counteract exergetic energy loss.
  • the exergetic energy loss can be set advantageously.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a cross-sectional view from above through the in FIG.
  • Fig. 4 shows a further embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows the course of two different heat distribution profiles, which can be set after charging the heat accumulator, inscribed in the outer boundaries of the heat accumulator;
  • FIG. 6 shows a schematic flow diagram to illustrate a first embodiment of the method according to the invention
  • 7 shows a schematic flow diagram to illustrate a second embodiment of the method according to the invention
  • 1 shows a side sectional view through a first embodiment of a heat accumulator 1 according to the invention, which for inflow of a relatively warmer gas 2 has an inflow surface 10 provided with inlet openings 11, which is formed into a channel 12.
  • gas 2 flows into the channel 12 and enters through the inlet openings 11 into the intermediate space 30 of the heat accumulator 1. Due to direct heat transfer, the thermal energy of the gas is at least partially transferred to the heat storage medium 40 located in the intermediate space 30.
  • the heat storage medium 40 has a suitable granularity, so that the gas 2 can flow through the free spaces between the individual grains of the heat storage medium 40.
  • the channel 12 may have suitable inflow openings, depending on the embodiment.
  • the channel 12 may be terminated by a closure 13 terminal, wherein the closure 13 itself may be provided with recesses or openings for the outflow of the gas 2.
  • the leaked from the channel 12 and transferred into the intermediate space 30 gas 2 flows due to a build-up in the heat accumulator gas pressure in the further away from the channel 12 areas of the gap 30 and finally reaches the outflow 20 in which outflow openings 21 provided are.
  • the thermal insulation 50 may further be surrounded by an at least partially gas-impermeable housing 70, which can ensure not only the function of a mechanical protection but also the gas-tightness.
  • the outflow surface 20 has a cylindrically symmetrical shape, which has a first axis of symmetry SA1.
  • the outflow surface 20 likewise has a cylinder symmetry whose second axis of symmetry SA2 coincides with the first axis of symmetry SA1 of the channel 12.
  • the cylindrically symmetrical channel 12 and the cylindrically symmetrical outflow surface 20 are thus arranged coaxially with one another. This ensures that when loading the heat accumulator 1, a likewise cylindrically symmetrical temperature distribution profile in the space 30 of the heat storage 1 sets. On the one hand, this has the advantage that the relatively colder regions of the heat storage medium 40 arranged near the outflow surface 20 are evenly distributed in the interspace 30 around the warmer regions of the heat storage medium 40 near the channel 12.
  • the resulting advantageous insulating effect prevents heat loss from the relatively warmer, arranged close to the channel 12 areas. Consequently, lower requirements are to be placed on the thermal insulation 50 than would be the case if the relatively warmer regions of the heat storage medium 40 were arranged close to the incident surface 20. As a result, the material and deployment costs are reduced.
  • a higher-quality insulation is to be selected according to the thermal cover 55, which is exposed to higher temperatures. These higher temperatures occur primarily as a result of convection of the gas which has flowed into the channel 12 during the state of charge. As a result of the convection of the gas in the intermediate space 30, warmer gas increases under the thermal cover 55 accumulates, in these areas, a higher temperature level is reached. Accordingly, the requirements for the thermal cover 55 are higher than for the thermal insulation 50.
  • the thermal insulation 50 is achieved by means of a plastic layer, sometimes only refractory bricks (fireclay) can be provided for the thermal cover 55.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view through the heat accumulator 1 shown in FIG. 1 from above.
  • the grains of the heat storage medium 40 arranged in the intermediate space 30 are shown only schematically. These grains of the heat storage medium 40 can represent, for example, a suitable bed of rock.
  • the entire gap 30 between the inflow surface of the channel 12 and the outflow surface 20 is filled by the heat storage medium 40.
  • the filling can be carried out substantially uniformly.
  • FIG. 3 shows a schematic side view of a channel 12 of the inflow surface 10, which has a number of inflow openings 11.
  • the illustrated channel can be used, for example, in the embodiment of the heat accumulator 1 shown in the preceding FIGS. 1 and 2.
  • an increase of inflows 11 per unit area, which runs from top to bottom according to the illustration shown, is shown on the channel 12. If the channel 12 is provided according to an orientation in the heat accumulator 1 according to FIGS. 1 and 2, relatively less gas would escape on entering the channel 12 in the upper regions, but increases gas in the lower regions of the channel 12.
  • convection barriers 45 may consist of gas-impermeable or only partially gas-permeable material.
  • the convection barriers 45 can be arranged at regular intervals from each other or even at irregular intervals from each other.
  • the convection barriers 45 can extend over the entire width of the intermediate space of the heat accumulator 1 or else only over subregions thereof.
  • the first heat distribution curve WVl as well as the second heat distribution curve WV2 arise as an isotherm through the gap 30 of the heat accumulator 1 in cross section.
  • this isotherm corresponds to the temperature level of 200 ° C, or another temperature to be specified.
  • the first heat distribution curve WVl near the thermal cover 55 extends further toward the outflow surface 20 than the second heat distribution curve WV2.
  • This effect occurs, for example, when, due to increased convection of the relatively warmer gas in the intermediate space 30, the gas rises and is moved in relatively higher regions from the pressure prevailing in the gap 30 gas pressure in the direction of the outflow surface 20.
  • This convection movement of the warmer gas 2 can be counteracted by the fact that convection barriers 45 are provided in the intermediate space 30, as shown, for example, in FIG. 4, which no longer permit free convection from the bottom to the top, but instead selectively direct the gas direct predetermined directions. If such convection locks 45 are provided, it is thus possible to prevent increased heat being transported by convection from the lower regions into the upper regions of the intermediate space 30.
  • the second heat distribution curve WV2 which thus illustrates a case with improved heat distribution, shows that, close to the thermal cover 55, the curve is less close to the outflow surface 20 than the first heat distribution curve. In contrast, however, these amounts of heat not transported by convection are deposited in the lower portions of the gap 30. As a result, the second heat distribution curve WV2 also has a greater lateral extent than the first heat distribution curve WV1 below the channel 12.
  • the heat distribution curves WV1 and WV2 shown in FIG. 5 are only to be understood schematically and do not originate from a thermodynamically exact calculation. Nevertheless, they sufficiently clarify the influence of convection can take on the heat distribution within the heat storage.
  • the heat accumulator 1 can be operated both in a charging and in a discharging state.
  • relatively warmer gas 2 flows into the channel 12 and flows through the intermediate space 30 to the outflow surface 20.
  • relatively colder gas flows via the outflow channel 60 through the outflow openings 21 of the outflow surface 20 and decreases during its passage through the gap 30 from the heat storage medium 40 heat, after which a relatively warmer gas flows into the channel 12 of the inflow surface 10 and can be removed therefrom.
  • the state of charge was preferred.
  • FIG. 6 shows a schematic flow diagram for illustrating a first embodiment of the method according to the invention.
  • relatively warmer gas 2 is flowed into the channel 12 of the inflow surface 10 of a heat exchanger 1.
  • the inflow is terminated at a time before a time at which the heat accumulator 1 would be fully charged.
  • This state is the execution state of charge.
  • This ensures that the granular heat storage medium 40 in the intermediate space 30 between inflow surface 10 and outflow surface 20 has areas which are relatively colder than others. These relatively colder regions are suitable for thermally isolating the relatively warmer regions which are arranged closer to the inflow surface 10.
  • FIG. 7 shows a schematic flow diagram to illustrate a second embodiment of the method according to the invention.
  • relatively warmer gas 2 is flowed into the channel 12 of the inflow surface 10.
  • the inflow is terminated at a time to which there is a temperature drop between the inflow surface 10 and the outflow surface 20 in the heat storage medium 40.
  • This state is the execution state of charge.
  • This ensures that the granular heat storage medium 40 in the intermediate space 30 between the inflow surface 10 and the outflow surface 20 has regions which are relatively colder than others. These relatively colder regions are adapted to thermally isolate the relatively warmer regions located closer to the inflow surface 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher (1) zur Speicherung von wenigstens 100 MWh thermischer Energie aus einem relativ wärmeren Gas (2) in einem Ladezustand und zur Abgabe von thermischer Energie an ein relativ kälteres Gas (2) in einem Entladezustand, welcher in dem Ladezustand zur Einführung des Gases (2) wenigstens eine mit Einströmöffnungen (11) versehene Einströmfläche (10) aufweist, sowie mindestens eine mit Ausströmöffnungen (21) versehene Ausströmfläche (20) zur Abführung des Gases (2) nach der Wärmeabgabe an ein körniges Wärmespeichermedium (40), wobei die Einströmfläche (10) wenigstens abschnittsweise zu einem Kanal (12) geformt ist, der von der Ausströmfläche (20) insbesondere vollständig umgeben ist, und wobei zwischen Einströmfläche (10) und Ausströmfläche (20) ein Zwischenraum (30) bestimmt ist, in welchem das körnige Wärmespeichermedium (40) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Wärmespeicher für Kraftwerksleistungen Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmespeicher zur Speicherung von wenigstens 100 MWh thermischer Energie aus einem relativ wärmeren Gas in einem Ladezustand und zur Abgabe dieser thermischen Energie an ein relativ kälteres Gas in einem Entladezustand . Weiter betrifft die Erfindung ein Ver- fahren zum Laden und Entladen eines solchen Wärmespeichers.
Wärmespeicher zur Speicherung von großen thermischen Energiemengen aus Kraftwerksleistungen, werden typischerweise als saisonale Speicher zur Zwischenspeicherung von Überschuss- energien aus der Energieerzeugung eingesetzt. So kann es sich aus wirtschaftlichen Erwägungen vorteilhaft darstellen, Überschussenergien, welche außerhalb der Spitzenlastzeiten erzeugt werden, in thermischer Form zwischenzuspeichern . Die Überschussenergien können aus der konventionellen Stromerzeu- gung entnommen bzw. auch durch die regenerative Energieerzeugung, insbesondere die thermosolare Energieerzeugung bereitgestellt werden.
Aus der DE 10 2004 019 801 AI ist beispielsweise bekannt, thermische Energie aus einem Gasstrom mittels eines Gas-Sand- Wärmetauschers zwischen zu speichern. Der Wärmeübertrag erfolgt hierbei in einem Schacht, welcher poröse Schachtwände aufweist, die mit einem Gaseinlass bzw. Gasauslass verbunden sind. Innerhalb des Schachtes befindet sich eine Sandstrecke angeordnet, die gewährleistet, dass der darin befindliche Sand mit einer einstellbaren Geschwindigkeit durch den
Schacht bewegt wird. Bei Betrieb des Gas-Sand-Wärmetauschers strömt heißes Gas durch die poröse Schachtwand in den mit Sand befüllten Raum ein und überträgt über direkten Wärmekon- takt die Wärmeenergie teilweise auf die Sandkörner. Daran anschließend kann der so erwärmte Sand in geeigneter Weise gelagert werden und steht einer zeitlich nachfolgenden Wärme- entnähme für etwa eine thermische Rückverstromungsanwendung wieder zur Verfügung.
Nachteilig an einem solchen Wärmespeicher ist jedoch der re- lativ kostenintensive Betrieb einer solchen Anlage, da der
Sand auch bei Entnahme der thermischen Energie erneut manipuliert werden muss, um seine thermische Energie auf ein Strömungsmedium zu übertragen. Weiter kann eine nur relativ geringe Wärmemenge an den Sand als Wärmespeichermedium übertra- gen werden, d.h. dass mit einer relativ hohen Verlustleistung zu rechnen ist. Als weiterer Nachteil stellt sich an einer solchen aus dem Stand der Technik bekannten Anlage dar, dass sie bewegliche Maschinenteile aufweist, die anfällig und damit sehr wartungsintensiv sein können. Dies bedingt wiederum unerwünschte Ausfallzeiten und damit finanzielle Verluste auf Seiten des Betreibers einer solchen Anlage.
Weitere Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Wärmespeicher liegen in deren hohen Kosten für die Erreichung einer ausreichenden thermischen Isolierung. Gerade bei der Speicherung von thermischer Energie auf einem relativ hohen Temperaturniveau (> 100 °C) im Vergleich zu typischerweise vorherrschenden Umgebungstemperaturen erweisen sich die Kosten für die Bereitstellung einer ausreichenden Isolierung als hoch. Da überdies Wärmespeicher für die Speicherung von Überschussenergien aus Kraftwerksleistungen relativ groß dimensioniert sind, sind die Kosten für die Erreichung einer ausreichenden thermischen Isolierung mitunter dafür entscheidend, ob der Wärmespeicher wirtschaftlich betrieben werden kann oder nicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen geeigneten Wärmespeicher bereitzustellen, der eine kostengünstige saisonale Speicherung von kraftwerkserzeugten Überschussener- gien ermöglichen kann, jedoch die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeidet. Insbesondere ist es Erfindungsaufgabe, einen Wärmespeicher vorzuschlagen, dessen Kosten für die Bereitstellung einer ausreichenden thermischen Isolierung den wirtschaftlichen Betrieb nicht in Frage stellen .
Die dieser Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden durch einen Wärmespeicher gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Wärmespeichers gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
Insbesondere werden die Erfindungsaufgaben durch einen Wärme- Speicher zur Speicherung von wenigstens 100 MWh thermischer Energie aus einem relativ wärmeren Gas in einem Ladezustand und zur Abgabe von thermischer Energie an ein relativ kälteres Gas in einem Entladezustand gelöst, welcher in dem Ladezustand zur Einführung des Gases wenigstens eine mit Ein- Strömöffnungen versehene Einströmfläche aufweist, sowie mindestens eine mit Ausströmöffnungen versehene Ausströmfläche zur Abführung des Gases nach der Wärmeabgabe an ein körniges Wärmespeichermedium, wobei die Einströmfläche wenigstens abschnittsweise zu einem Kanal geformt ist, der von der Aus- strömfläche insbesondere vollständig umgeben ist, und wobei zwischen Einströmfläche und Ausströmfläche ein Zwischenraum bestimmt ist, in welchem das körnige Wärmespeichermedium angeordnet ist. Hier und im Folgenden soll die Körnigkeit des Wärmespeichermediums in der Art verstanden werden, dass das Wärmespeichermedium schüttfähig ist, jedoch gleichzeitig einem Gas ausreichend Zwischenraum bietet, um von diesem durchströmt zu werden. Weiter soll die Körnigkeit hinsichtlich der Größenver- teilung der Körner nicht grundsätzlich beschränkt sein. Abgesehen von bevorzugten Ausführungsformen soll die Form und Volumenverteilung einzelner Körner beliebig sein. Erfindungsgemäß wesentlich ist jedoch, dass die Form und Volumenverteilung einzelner Körner ausreichend ist, einen Gasstrom zwi- sehen den einzelnen Körnern zuzulassen. Dieser Gasstrom muss zudem ausreichend groß sein können, um die gewünschte thermische Energie in dem Wärmespeicher deponieren zu können. Überdies wird die Erfindungsaufgabe durch ein Verfahren zum Laden und Entladen eines solchen Wärmespeichers gelöst, wobei zum Laden des Wärmespeichers ein relativ wärmeres Gas in den Kanal eingeströmt wird, so dass dieses durch die Einströmöff- nungen der Einströmfläche hindurchströmt und auf seinem Weg zu den Austrittsöffnungen der Austrittsfläche Wärme an das körnige Wärmespeichermedium abgibt, wobei es als relativ kälteres Gas aus den Austrittsöffnungen ausströmt und aus dem Wärmespeicher abgeleitet wird, und dass zum Entladen des Wär- mespeichers ein relativ kälteres Gas durch die Ausströmöffnungen eingeströmt wird, welches auf seinem Weg durch das körnige Wärmespeichermedium Wärme von dem körnigen Wärmespeichermedium aufnimmt und nach dem Austritt aus den Einströmöffnungen der Einströmfläche als relativ wärmeres Gas zur Verfügung steht.
Die von einem Kraftwerk erzeugten Überschussenergien sollen also erfindungsgemäß durch ein gasförmiges Wärmeübertragungs- medium an ein geeignetes festes Wärmespeichermedium übertra- gen werden. Das Wärmeübertragungsmedium kann die von ihm transportierte Wärme auf unterschiedliche Art und Weise erhalten haben. So ist etwa denkbar, dass das gasförmige Wärmeübertragungsmedium einem Abgas entnommen ist, und so die überschüssige Prozesswärme, etwa eines Verbrennungsprozesses, an das Wärmespeichermedium überträgt. Ebenso ist es auch denkbar, dass die zu speichernde thermische Energie einem sekundären Erzeugungsprozess , etwa einem Kompressorprozess zur Wärmeerzeugung, entstammt, wobei dieser Erzeugungsprozess selbst mit Überschussenergie versorgt wird.
Erfindungsgemäß soll der Wärmespeicher zur Speicherung von wenigstens 100 MWh thermischer Energie geeignet sein. Derartig große Mengen an Energie fallen typischerweise nur in Verbindung mit Leistungen an, die durch Kraftwerke erzeugt wer- den, in deren Einsatzgebiet die vorliegende Erfindung auch fällt . _.
Nach erfolgter Speicherung kann die zwischengespeicherte Wärmemenge wieder einem weiteren Kraftwerksprozess bzw. Energie- erzeugungsprozess zur Nutzung zugeführt werden. Auf diese Weise kann mit zeitlicher Verzögerung die Energie aus dem Wärmespeicher abgerufen werden, und steht bei Bedarf zur erneuten Energieerzeugung bereit.
Der erfindungsgemäße Wärmespeicher wird in Bezug auf seine Bestandteile aus der Sicht des Ladezustandes beschrieben. Dies stellt jedoch hinsichtlich der Offenbarung des Wärmespeichers keine Einschränkung dar, da es dem Fachmann verständlich ist, dass bei Umkehrung des Ladezustands, also bei einem Entladezustand, die einzelnen Bestandteile des Wärmespeichers ihre grundsätzliche Funktionsfähigkeit aufrecht erhalten. Strömt also während eines Ladezustandes Gas durch die Einströmöffnungen der Einströmfläche, so ist es dem Fachmann verständlich, dass während des Entladezustandes die Einströmfläche die Funktion einer Ausströmfläche sowie die Einströmöffnungen die Funktionen von Ausströmöffnungen erfüllen. Für eine verbesserte Verständnisfähigkeit sei dennoch die Beschreibung einzelner Bestandteile des Wärmespeichers aus der Sicht des Ladezustandes beschrieben.
Der erfindungsgemäße Wärmespeicher erlaubt mittels direkten Wärmeübertrags Energie von dem relativ wärmeren Gas zu übernehmen, und an das körnige Wärmespeichermedium zu übertragen. Hierbei strömt das relativ wärmere Gas durch die Einströmöffnungen der Einströmfläche in den Zwischenraum, in welchen das körnige Wärmespeichermedium angeordnet ist. Aufgrund eines gewünscht einzustellenden Gasdrucks strömt das relativ wärmere Gas durch die Freiräume, welche das Wärmespeichermedium aufgrund seiner Körnigkeit aufweist. Nachdem das relativ wärmere Gas unter Wärmeabgabe den gesamten Zwischenraum durchströmt hat, gelangt es an die Ausströmfläche und wird über die Ausströmöffnungen in dieser abgeführt. Aufgrund einer kontinuierlichen Wärmeabgabe bildet sich in den Bereichen des Wärmespeichermediums, die näher an dem Kanal der Einströmfläche angeordnet sind, ein höheres Temperaturniveau aus, als in den Bereichen, welche näher an der Ausströmfläche angeordnet sind. Damit stellt sich ein gewünschtes Temperaturgefälle ein, solange keine vollständige Aufladung des Wärmespeichers erreicht ist.
Da der Wärmespeicher zur Zwischenspeicherung von erzeugten Überschussenergien vorgesehen ist, wird eine vollständige Aufladung des Wärmespeichers typischerweise nicht erreicht. Vielmehr weist der Wärmespeicher während seines Betriebes ei- ne gewünschte, oben beschriebene Temperaturverteilung in dem Wärmespeichermedium auf. Dadurch wirken jedoch die Bereiche, die näher an der Ausströmfläche des Zwischenraumes angeordnet sind, hinsichtlich der Wärmeverluste aus den näher an dem Kanal der Einströmfläche angeordneten Bereichen wie ein Wärme- isolator. Die äußeren, relativ kälteren Bereiche dieses mit dem körnigen Wärmespeichermedium gefüllten Zwischenraumes verhindern also einen Wärmeübertrag aus den relativ wärmeren inneren Bereichen, die näher an dem Kanal der Einströmfläche angeordnet sind. Dies hat einerseits zur Folge, dass der Wär- mespeicher insgesamt einen geringeren Isolationsaufwand erfordert, da ein geringerer Wärmeübertrag durch die Außenbereiche des mit dem Wärmespeichermedium gefüllten Zwischenraumes zu erwarten ist. Insbesondere dann, wenn der Wärmespeicher mit einer vorbestimmten Wärmemenge geladen wurde, jedoch keine weitere Wärmezufuhr über ein Gas mehr erfolgt, ist es erforderlich, die in dem Wärmespeicher aufgenommene Energie so effizient wie möglich zurückzuhalten, bis zu einem späteren Zeitpunkt bei Entladung des Wärmespeichers diese Energie wieder an ein relativ kälteres Gas abgegeben werden kann.
Die Speicherung der erzeugten Überschussenergien kann jedoch mitunter die Speicherung dieser Wärmemengen für viele Stunden oder auch Tage erforderlich machen. Da es sich bei den Überschussenergien aus Kraftwerksleistungen um verhältnismäßig große Energiemengen handelt, erfolgt die Energiespeicherung typischerweise auch auf einem relativ hohen Temperaturniveau (> 100 °C) . Um diese Wärmeenergiemengen auch etwa für die Dampferzeugung in einem Kraftwerkprozess bereitstellen zu können, ist eine Speicherung auf einem Temperaturniveau von typischerweise mehr als 400 °C erforderlich. Aufgrund der ho- hen Temperaturdifferenz im Vergleich zu der natürlichen Umgebungstemperatur sind merkbare Wärmeenergieverluste aus dem Wärmespeicher zu befürchten, wenn nicht eine geeignete Isolierung gewählt werden kann. Insofern stellt es sich auch als wesentlich dar, die mitunter ohnehin bereits relativ großen Wärmespeicher effizient gegen einen solchen Wärmeverlust zu isolieren. Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Geometrie bzw. relativer Anordnung von Einströmfläche zu Ausströmfläche wird eine Wärmeverteilung in dem im Zwischenraum angeordneten körnigen Wärmespeichermedium erzeugt, die einen zu- sätzlichen gewünschten Isolationseffekt in Bezug auf die Bereiche aufweist, die ein relativ hohes Temperaturniveau bereits aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmespeicher zur Anordnung auf dem Erdboden vorgesehen. Aufgrund der darin zu speichernden Wärmeenergiemengen ist der Wärmespeicher mit relativ großen Mengen an körnigem Wärmespeichermedium zu be- füllen, wobei bevorzugt solches Material als Wärmespeichermedium vorgesehen werden soll, welches ortsüblich und lokal verfügbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmespeichers kann vorgesehen sein, dass der Kanal der Einströmfläche eine erste Symmetrie aufweist, die mit einer zweiten Symmetrie wenigstens eines vorbestimmten Abschnittes der Ausströmfläche, welche den Kanal der Einströmfläche umgibt, überein stimmt. Aufgrund der übereinstimmenden Symmetrie der Einström- sowie der Ausströmfläche kann sich ein wenigstens bereichsweise ebenfalls symmetrisch aus- gebildetes Temperaturfeld in dem körnigen Wärmespeichermedium einstellen. Die Symmetrie dieses Temperaturfeldes verringert weiterhin einen Wärmeverlust, da die Bereiche relativ höherer Temperatur und Bereiche relativ niedrigerer Temperatur des körnigen Wärmespeichermediums besser lokalisiert sind. So ist etwa auch die Ausbildung von Hotspots, die eine unerwünschte effiziente Wärmeabgabe nach außen bewirken könnten, weniger wahrscheinlich als bei einem unsymmetrischen Gesamtaufbau.
Eine ebenfalls geeignete Temperaturverteilung kann sich einstellen, wenn ausführungsgemäß der Kanal der Einströmfläche eine erste Symmetrieachse aufweist, deren Anordnung in dem Wärmespeicher mit einer zweiten Symmetrieachse wenigstens ei- nes vorbestimmten Abschnittes der Ausströmfläche, welcher den Kanal der Einströmfläche umgibt, überein stimmt. Diese ebenfalls bevorzugte Ausführungsform gewährleistet eine zusätzlich verbesserte symmetrische Ausbildung des Temperaturfeldes innerhalb des Zwischenraums, der mit dem körnigen Wärmespei - chermedium gefüllt ist. Durch das Zusammenfallen beider Symmetrieachsen (erste Symmetrieachse und zweite Symmetrieachse) bildet sich ein zu diesen Symmetrieachsen ebenfalls symmetrisches Temperaturverteilungsfeld aus, und gewährleistet eine gewünschte definierte Temperaturverteilung. So ist es etwa vorteilhaft, wenn der relativ wärmere, näher an dem Kanal der Einströmfläche angeordnete Bereich des Zwischenraumes symmetrisch von den relativ kälteren Bereichen näher an der Ausströmfläche umgeben ist, um so eine gleichmäßige isolierende Wirkung auf die relativ wärmeren Bereiche zu bewirken.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Kanal der Einströmfläche wie auch der wenigstens eine, diesen umgebende Abschnitt der Ausströmfläche, eine ZylinderSymmetrie aufweisen und der Abschnitt der Aus- strömfläche relativ zu der Einströmfläche koaxial angeordnet ist. Die zylindersymmetrische Ausformung von Einströmfläche und Ausströmfläche in Verbindung mit einer koaxialen Anordnung beider relativ zueinander, gewährleistet eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des körnigen Wär- mespeichermediums in dem Zwischenraum des Wärmespeichers. Dadurch wird ebenfalls eine relativ einheitliche und definierte kältere Zone, die näher an der Ausströmfläche angeordnet ist, um eine relativ wärmere Zone, die näher an dem Kanal der Ein- strömfläche angeordnet ist, ausgebildet und wirkt dem Wärmeverlust vergleichbar einer Isolationsschicht entgegen. Weiterhin kann auch während eines Entladezustandes des Wärmespeichers eine gleichmäßige Gastemperatur gewährleistet wer- den, da eine gleichmäßige Wärmeabgabe aus dem Wärmespeicher unabhängig von der Richtung, aus welcher das Gas in den Kanal der Einströmfläche strömt, gewährleistet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmespeichers kann der Kanal der Einströmfläche einseitig endständig verschlossen sein, wobei der endständige Verschluss insbesondere Einströmöffnungen aufweist. Aufgrund des Verschlusses wird gewährleistet, dass das gesamte in den Kanal der Einströmfläche einströmende Gas durch die Einström- Öffnungen in den Zwischenraum des Wärmespeichers überführt wird. Durch die geometrische Anordnung des Verschlusses wird darüber hinaus Einfluss auf das sich ausbildende Temperaturprofil in dem Wärmespeicher während des Ladezustandes genommen. Durch das Vorsehen von Einströmöffnungen in dem Ver- schluss können so auch unterhalb des Verschlusses angeordnete Bereiche, die mit körnigem Wärmespeichermedium gefüllt sind, zur Wärmespeicherung genutzt werden. Hierbei ist anzumerken, dass bei Anordnung des Wärmespeichers auf dem Erdboden das Höhenniveau des Verschlusses nicht das Erdbodenniveau errei- chen sollte. Die geeignete Höhe, auf welcher der Verschluss angeordnet werden kann, um dennoch einen möglichst effizienten Wärmeübertrag in den Wärmespeicher zu sichern, ergibt sich aus zahlreichen geometrischen, wie auch Verfahrensparametern .
Gemäß einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, ist die Anzahl der Einströmöffnungen pro Flächeneinheit in dem Kanal in Flussrichtung des einströmenden Gases zunehmend. Demnach sind relativ mehr Einströmöffnungen pro Flächeneinheit abstromseitig in dem Kanal angeordnet. Dadurch kann Konvektionserscheinungen in dem Wärmespeicher entgegengewirkt werden, die eine Verformung des Temperaturverteilungsfeldes bewirken. Reicht etwa der Kanal der Einström- fläche der Richtung des Erdanziehungsfeldes folgend von oben nach unten in einem auf dem Erdboden angeordneten Wärmespeicher, wird sich bevorzugt weiter oben im Zwischenraum eine Verbreiterung des Temperaturverteilungsprofils einstellen, da die relativ wärmere Luft im Vergleich zu der schweren, relativ kälteren Luft nach oben steigt. Vor allem dann, wenn die Flussgeschwindigkeiten des relativ wärmeren Gases in dem körnigen Wärmespeichermedium verhältnismäßig gering sind (bspw. 0,1 bis 0,2 m/sec) machen sich Konvektionserscheinungen in dem sich ausbildenden Temperaturprofil bemerkbar. Um also diese Bereiche mit weniger Wärme zu versorgen, strömt in dem ausführungsgemäßen Kanal weniger Gasvolumen pro Zeit in diese Bereiche direkt ein. Relativ mehr Gas wird durch die erhöhte Anzahl der Einströmöffnungen pro Flächeneinheit in dem abstromseitigen Bereich des Kanals in den Wärmespeicher abgegeben. Dadurch bildet sich in diesen Bereichen bevorzugt eine höhere Temperatur durch eine vermehrte Wärmeübertragung an das körnige Wärmespeichermedium aus. Zwar strömt das in diesen Bereichen befindliche Gas ebenfalls durch Konvektion in die darüber gelegenen Bereiche ein, doch wird insgesamt weniger Wärme in den relativ weiter oben liegenden Bereichen des Zwischenraums des Wärmetauschers deponiert. Folglich stellt sich ein weniger durch den Konvektionseinfluss verzerrtes Temperaturprofil ein.
Entsprechend einer alternativen Ausführungsform kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die Größe der Einströmöffnungen pro Flächeneinheit in dem Kanal in Flussrichtung des einströmenden Gases zunimmt. Die Vorteile einer solchen Anordnung entsprechen denen der vorangegangenen Ausführungsform .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Wärmespeichers ist vorgesehen, dass der Kanal, welcher durch die Einströmfläche gebildet ist, einen geradlinigen Verlauf auf- weist, welcher in dem Wärmespeicher insbesondere parallel zur Richtung des Erdanziehungsfeldes ausgerichtet ist. Durch diese Ausrichtung sind die Effekte der Konvektion innerhalb des Wärmespeichers relativ symmetrisch und gleich verteilt, und ihnen kann durch einfach anzuwendende Maßnahmen entgegengewirkt werden. Folglich erlaubt eine solche Anordnung wiederum die Ausbildung eines relativ gleich verteilten bzw. symmetrischen Temperaturverteilungsfeldes innerhalb des Wärmespei - chers .
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einströmfläche eine metallische Fläche, insbesondere eine Fläche aus Stahl ist, welche mit ersten Aussparungen als Eintrittsöffnungen versehen ist. Alternative Materialien hierzu können Ziegel, Keramik bzw. Glas sein. Bevorzugt ist jedoch eine metallische Fläche, da diese einerseits kostengünstig bereitzustellen ist, andererseits auch den Anforderungen an die Betriebstemperatur und die mechani- sehen Eigenschaften genügt. So ist es bspw. erforderlich, dass die Einströmfläche wenigstens teilweise das in dem Zwischenraum befindliche körnige Wärmespeichermedium abstützt. Durch die von dem Wärmespeicher mitunter umfassten großen Mengen an körnigem Wärmespeichermedium sind die dabei auftre- tenden Kräfte auf die Einströmfläche beachtlich, so dass diese mechanisch sehr widerstandsfähig ausgebildet sein muss. Metall eignet sich hierzu besonders.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform des erfindungsge- mäßen Wärmespeichers kann das körnige Wärmespeichermedium eine Schüttung aus Gestein umfassen. So können bspw. Kieselsteine genauso verwendet werden wie Bruchstücke aus Stein oder Ziegelabfälle. Diese sind leicht zu beschaffen und kostengünstig. Selbst Metallabfälle können aber als körniges Wärmespeichermedium geeignet sein, da sie einerseits eine große Wärmekapazität aufweisen, jedoch andererseits auch ausreichend Freiräume für den Gasfluss bereitstellen können. Bevorzugt werden in dem Wärmespeicher lokal verfügbare Medien verwandt. Aufgrund der von dem Wärmespeicher umfassten rela- tiv großen Mengen an Wärmespeichermedium eignen sich insbesondere Abfall bzw. kostengünstige Baumaterialien wie Steine. Um diese dennoch vorteilhaft in dem Wärmespeicher bzw. dem Zwischenraum des Wärmespeichers zu verteilen, ist es erfor- derlich, dass diese schüttfähig bzw. wenigstens verteilungsfähig sind. Ein schüttfähiges und gleichzeitiges körniges Wärmespeichermedium umfasst einzelne Körner, bspw. ein Bruchstück aus Stein, welche von anderen Bestandteilen individua- lisiert sind.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schüttung des körnigen Wärmespeichermediums eine durchschnittliche Korngröße von wenigstens 1 cm im Durchmesser aufweist, bevorzugt eine durchschnittliche Korngröße von wenigstens 3 cm im Durchmesser. Derartige Korngrößen erlauben die Ausbildung von ausreichend großen Freiräumen zwischen einzelnen Körnern, so dass das relativ wärmere Gas, welches zur Wärmeabgabe in den Wär- mespeicher eingeströmt wird, ohne übermäßigen Strömungswiderstand das körnige Wärmespeichermedium durchströmen kann. Dies trifft insbesondere zu auf Strömungswiderstände bei Strömungsgeschwindigkeiten des Gases von 0,1 bis 0,5 m/sec. Eine weiterführende vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmespeichers ist dann erreicht, wenn die
Schüttung des körnigen Wärmespeichermediums in dem Wärmespeicher schichtweise angeordnet ist und zwischen den einzelnen Schichten eine gasundurchlässige Konvektionssperre für das Gas vorgesehen ist. Die Schichten können sich hierbei über den gesamten Zwischenraum des Wärmespeichers erstrecken oder jedoch nur über Teile. Die Konvektionssperren können überdies auch als teilweise gasdurchlässige Konvektionssperren ausgebildet sein. Maßgeblich ist lediglich, dass die Konvektions- sperren eine Umleitung des konvektierenden Gases ermöglichen. So sind bspw. die Konvektionssperren so vorgesehen, dass das Gas während des Konvektionsvorganges auf die Konvektionssperren trifft und von diesen in andere Bereiche abgeleitet wird. Insbesondere wenn die Konvektionssperren horizontal angeord- net sind, kann eine effiziente Konvektionsverhinderung durch die Sperren erreicht werden. Durch die Konvektionssperren wird das in den Wärmespeicher eingeströmte Gas derart umgeleitet, dass es der Ausbildung eines durch die Konvektion übermäßig verformten Temperaturverteilungsniveaus entgegenwirkt. Dadurch nämlich, dass das relativ wärmere durch die Einströmöffnungen der Einströmfläche einströmende Gas nicht durch die Konvektion frei entgegen der Schwerkraft sich bewe- gen kann, sondern durch die Konvektionssperren geleitet wird, kann der Ausbildung eines geeigneten Temperaturverteilungsprofils Vorschub geleistet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfin- dung kann die Ausströmfläche eine metallische Fläche, insbesondere eine Fläche aus Stahl sein, welche mit zweiten Aussparungen als Austrittsöffnungen versehen ist. Wie bereits bei der Einströmfläche, kann alternativ die Ausströmfläche ebenfalls aus Ziegel, Keramik bzw. Glas sein. Aufgrund der für die Ausströmfläche vorzusehenden hohen Kosten bei Verwendung anderer Materialien, ist Metall das bevorzugte Material.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Einströmfläche und/oder die Ausströmfläche das körnige Wärmespeichermedium durch Kontakt abstützen. Die Einströmfläche bzw. die Ausströmfläche muss also ausreichend mechanische Stützkräfte aufnehmen können, um das körnige Wärmespeichermedium abzustützen. Hierbei ist es dem Fachmann natürlich verständlich, dass die von der Einströmfläche umfass- ten Einströmöffnungen und die von der Ausströmfläche umfass- ten Ausströmöffnungen lediglich nur so groß gewählt werden dürfen, dass einerseits der Gasfluss nicht wesentlich behindert ist, und andererseits das körnige Wärmespeichermedium nicht durch die Einströmfläche bzw. Ausströmfläche hindurch treten kann. Die Wahl einer geeigneten Größe der Einströmöffnungen und der Ausströmöffnungen ist dem Fachmann verständlich. Ausführungsgemäß könnten auch die Einströmöffnungen bzw. Ausströmöffnungen mit geeigneten Gittern verkleidet sein .
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Wärmespeicher wenigstens 10 m, bevorzugt wenigstens 15 m in seiner Höhenausdehnung und wenigstens 30 m, bevorzugt wenigstens 45 m in seiner Breitenausdehnung. Insbesondere ist die Breitenausdehnung des Wärmespeichers größer als seine Höhenausdehnung. Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform entspricht die Breitenausdehnung einer diametralen Breitenausdehnung. So kann einerseits gewährleistet werden, dass der Wärmespeicher ausreichende Wärmemengen zur Speicherung von Überschussenergie aus einem Kraftwerksprozess speichern kann, andererseits aber hinsichtlich seines Platzbedarfes weitgehend gering gehalten werden kann. Ebenso ist es denkbar, die Wärmespeicher so weit in einer Vertiefung im Erdboden abzusenken, dass sie aus diesem nicht mehr hervorstehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Wärmespeichers ist vorgesehen, dass die Ausströmfläche von einer thermischen Isolierung umgeben ist, die von der dem körnigen Wärmespeichermedium abgewandten Seite der Ausströmfläche beabstandet ist, und so zwischen der Ausströmfläche und sich selbst einen Abströmkanal bestimmt, durch welchen das aus den Ausströmöffnungen austretende Gas abgeleitet werden kann. In diesem Abströmkanal wird das aus dem Zwischenraum des Wärmespeichers austretende relativ kältere Gas abgeleitet. Aufgrund der typischerweise austretenden Gasmengen bildet sich ein Gasstrom aus, welcher die Ausströmfläche umgibt und gleichzeitig eine isolierende Wirkung auf diese ausübt. Insbesondere wenn das aus den Ausströmöffnungen austretende Gas durch die Ausströmöffnungen gleichmäßig verteilt ist, kann der sich ausbildende Luftstrom vorteilhaft als zusätzliche Isolierschicht im gesamten Isolationskonzept des Wärmespeichers berücksichtigt werden .
Weiter ist zu berücksichtigen, dass das relativ kältere aus den Ausströmöffnungen austretende Gas seine Energie bereits auf dem Weg durch den Zwischenraum des Wärmespeichers wenig- stens teilweise abgegeben hat, und somit ein geringeres Temperaturniveau aufweist. Demnach sind die Anforderungen an die thermische Isolierung auch dahingehend geringer, als dass sie bei relativ geringeren Temperaturen zerstörungsfrei die Iso- lation des Wärmespeichers gewährleisten sollen. Anders kann es sich mitunter bei den thermischen Isolierungen darstellen, welche den Zwischenraum des Wärmespeichers nach oben hin gegen das nach oben konvektierende Gas begrenzen müssen. Da sich in dem Zwischenraum typischerweise in den oberen Bereichen aufgrund der Gaskonvektion höhere Temperaturen einstellen, sind dort auch thermische Isolationsmittel vorzusehen, welche diesen größeren Temperaturen standhalten können, jedoch gleichzeitig eine gute Isolierung gewährleisten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die thermische Isolierung zu dem von einem wenigstens bereichsweise gasdichten Gehäuse umgeben ist. Dieses wenigstens bereichsweise gasdichte Gehäuse gewährleistet, dass das aus den Ausströmöffnungen der Ausströmfläche austretende Gas auch bei unerwünschtem Durchtritt durch eine thermische Isolierung nicht aus dem Wärmespeicher in unkontrollierter Weise ausströmen kann. Insbesondere unterstützt das Gehäuse die Ausbildung einer definierten Gas- Strömung zwischen der Ausströmfläche und der thermischen Isolierung bzw. zwischen der Ausströmfläche und dem gasdichten Gehäuse .
Entsprechend einer weiteren ebenfalls bevorzugten Ausfüh- rungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die der Ausströmfläche zugewandte Seite des Kanals der Einströmfläche von der Ausströmfläche um wenigstens 15 m, bevorzugt um wenigstens 20 m beabstandet ist. Demgemäß beträgt der von dem relativ wärmeren Gas in dem Zwischenraum des Wärmetauschers zurückzulegende Weg, wenigstens 15 m bzw. vorzugsweise 20 m. Aufgrund der großen Strömungswege kann gewährleistet werden, dass das relativ wärmere Gas beim Einströmen in den Zwischenraum des Wärmespeichers einen Großteil seiner Energie an das körnige Wärmespeichermedium überträgt. Zudem gewährleisten diese Strömungswege die Speicherung von großen Mengen an Wärmeenergie, die auch in der Lage sind, bei einem Entladevorgang Kraftwerksprozesse anzutreiben. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass zum Laden des Wärmespeichers das relativ wärmere Gas mit einem Massenstrom von mindestens 10 kg/sec insbesondere von mindestens 40 kg/sec in den Wärmespeicher eingeströmt wird. Besonders bevorzugt sind diese Massenstromwerte für Luft als Gas. Dadurch kann einerseits beim Laden des Wärmespeichers gewährleistet werden, dass ausreichend große Mengen in den Wärmespeicher eingetragen werden können, andererseits kann die Effizienz eines derart betriebenen Wärmespeichers deutlich gesteigert werden .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass beim Laden der Wärmespeicher nicht voll- ständig aufgeladen, insbesondere höchstens auf 70% der möglichen Energieaufnahmemenge bei einem vorbestimmten Temperaturniveau des relativ wärmeren Gases aufgeladen wird. Entsprechend anderer geeigneter Ausführungsformen kann die Aufladung des Wärmespeichers auf höchstens 90% oder 80% bzw. auch auf höchstens 60% oder 50% der maximal möglichen Energieaufnähme- menge erfolgen. Diese Obergrenzen entsprechen ausführungsgemäß einer maximal gewünschten Aufladung des Wärmespeichers. Durch das Vermeiden der vollständigen Aufladung des Wärmespeichers kann insbesondere gewährleistet werden, dass die Bereiche des mit dem körnigen Wärmespeichermedium gefüllten Zwischenraums, die näher an der Ausströmfläche angeordnet sind, eine geeignete Wärmeisolationsschicht für die Bereiche darstellen können, die näher an der Einströmfläche angeordnet sind, da sie relativ kälter sind und somit weniger exergeti- sehe Verluste aufweisen. Wird die Aufladung ausführungsgemäß nicht bis zu einem maximal möglichen Wert (d.h. eine vollständige Aufladung mit im Wesentlichen einer Temperaturgleichverteilung innerhalb des mit dem körnigen Wärmespeichermedium gefüllten Zwischenraums) voran getrieben, können die relativ kälteren Bereiche des mit dem körnigen Wärmespeichermedium gefüllten Zwischenraums eine vorteilhafte thermische Isolation in Bezug auf die relativ wärmeren Bereiche des mit dem körnigen Wärmespeichermedium gefüllten Zwischenraums ausüben .
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann auch vorgesehen sein, dass sich während des Ladens bzw. in einem Ladezustand zwischen der Einströmfläche und der Ausströmfläche ein Temperaturabfall hin zu der Ausströmfläche ausbildet bzw. ausgebildet hat. Der Ladezustand ist hierbei insbesondere ein Zustand, in welchem die Aufladung nicht bis zu einem maximal möglichen Wert (d.h. im Wesentlichen der Temperaturgleichverteilung innerhalb des mit dem körnigen Wärmespeichermedium gefüllten Zwischenraums) erfolgt ist. Ausführungsgemäß bilden sich dann relativ kältere Bereiche aus, die auf die relativ wärmeren Bereiche des mit dem körni- gen Wärmespeichermedium gefüllten Zwischenraums wärmeisolierend wirken und so einem exergetischen Energieverlust entgegen wirken können. Ausführungsgemäß kann der Temperaturabfall derart sein, dass zwischen der Einströmfläche und der Ausströmfläche eine Temperaturdifferenz von wenigstens 25%, be- vorzugt von wenigstens 50% vorliegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich während des Ladens bzw. in einem Ladezustand eine Temperaturverteilung zwischen der Einströmfläche und der Ausströmfläche ausbildet bzw. ausgebildet hat, die nicht linear verläuft. Ein solcher Verlauf kann wiederum dazu beitragen, dass relativ kältere Bereiche in dem mit dem körnigen Wärmespeichermedium gefüllten Zwischenraum auf die relativ wärmeren Bereiche des Zwischenraums wärmeisolierend wirken und so einem exergetischen Energieverlust entgegen wirken können. Durch eine geeignete Temperaturverteilung kann der exergetische Energieverlust vorteilhaft eingestellt werden.
Nachfolgend werden anhand von Figuren konkrete Ausführungs- beispiele der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben. Hierbei ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, sondern beansprucht die erfindungsgemäße Idee in seiner allgemeinsten Form. Zudem werden die einzelnen in den nachfolgenden Figuren dargestellten Merkmale in Verbindung mit den anderen gezeigten Merkmalen wie auch als Einzelmerkmale beansprucht . Ferner ist darauf hinzuweisen, dass die in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsformen lediglich schematische Darstellungen sind. Einschränkungen hinsichtlich der Funktionsfähigkeit bzw. der Konkretisierbarkeit lassen sich hieraus nicht ableiten.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Wärmespeichers in einer seitlichen Querschnittansicht ;
Fig. 2 eine Querschnittansicht von oben durch den in Figur
1 gezeigten Wärmespeicher; Fig. 3 den Kanal der Einströmfläche, wie er etwa in den dargestellten Ausführungsformen zum Einsatz kommen kann;
Fig . 4 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Wärmespeichers in einer seitlichen Querschnittansicht ;
Fig . 5 den Verlauf zweier unterschiedlicher Wärmevertei- lungsprofile , welche sich nach Laden des Wärmespeichers einstellen können, einbeschrieben in die äußeren Begrenzungen des Wärmespeichers;
6 ein schematisches Flussdiagram zur Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ; Fig. 7 ein schematisches Flussdiagram zur Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ; Fig. 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmespeichers 1, welcher zum Einströmen eines relativ wärmeren Gases 2 eine mit Einströmöffnungen 11 versehene Einströmfläche 10 aufweist, die zu einem Kanal 12 ausgeformt ist. Während eines Ladevorganges fließt Gas 2 in den Kanal 12 ein und tritt durch die Einströmöffnungen 11 in den Zwischenraum 30 des Wärmespeichers 1 ein. Aufgrund von direktem Wärmeübertrag wird die thermische Energie des Gases wenigstens teilweise an das sich in dem Zwischenraum 30 befindliche Wärmespeicherme- dium 40 übertragen. Das Wärmespeichermedium 40 weist eine geeignete Körnigkeit auf, so dass das Gas 2 durch die Freiräume zwischen den einzelnen Körnern des Wärmespeichermediums 40 fließen bzw. strömen kann. Der Kanal 12 kann je nach Ausführungsform geeignete Einströmöffnungen aufweisen. Insbesondere kann der Kanal 12 durch einen Verschluss 13 endständig abgeschlossen sein, wobei der Verschluss 13 selbst mit Aussparungen bzw. Öffnungen zum Ausströmen des Gases 2 versehen sein kann . Das aus dem Kanal 12 ausgetretene und in den Zwischenraum 30 überführte Gas 2 strömt aufgrund eines sich in dem Wärmespeicher aufbauenden Gasdruckes in die von dem Kanal 12 weiter entfernt angeordneten Bereiche des Zwischenraums 30 und gelangt schließlich an die Ausströmfläche 20 in welcher Aus- Strömöffnungen 21 vorgesehen sind. Auf seinem Weg dorthin gibt das ursprünglich relativ wärmere Gas 2 seine Wärmeenergie an das körnige Wärmespeichermedium 40 teilweise ab und tritt als relativ kälteres Gas 2 aus den Ausströmöffnungen der Ausströmfläche 20 aus, um abgeleitet zu werden. Die Aus- strömfläche 20 ist zur geeigneten Wärmeisolation von einer thermischen Isolierung 50 umgeben und bildet zwischen sich und der thermischen Isolierung 50 einen Abströmkanal 60 aus. In diesem Abströmkanal 60 wird das aus den Ausströmöffnungen 21 austretende relativ kältere Gas 2 abgeleitet und bildet folglich eine Strömungsschicht aus, welche zusätzlich eine isolierende Wirkung auf den Zwischenraum ausübt. Um den Gasverlust aus dem Wärmespeicher 1 zu verhindern, kann die ther- mische Isolierung 50 weiterhin von einem wenigstens teilweise gasundurchlässigen Gehäuse 70 umgeben sein, welches neben der Funktion eines mechanischen Schutzes auch die Gasdichtigkeit gewährleisten kann. Wie an der Darstellung erkannt werden kann, weist der Kanal
12 eine zylindersymmetrische Form auf, welche eine erste Symmetrieachse SA1 hat. Ebenfalls weist die Ausströmfläche 20 eine ZylinderSymmetrie auf, deren zweite Symmetrieachse SA2 mit der ersten Symmetrieachse SA1 des Kanals 12 zusammen- fällt. Der zylindersymmetrische Kanal 12 und die zylindersymmetrische Ausströmfläche 20 sind also koaxial zueinander angeordnet. Dadurch ist gewährleistet, dass beim Laden des Wärmespeichers 1 sich ein ebenfalls zylindersymmetrisches Temperaturverteilungsprofil in dem Zwischenraum 30 des Wärmespei- chers 1 einstellt. Einerseits hat dies den Vorteil, dass die nahe der Ausströmfläche 20 angeordneten, relativ kälteren Bereiche des Wärmespeichermediums 40 in dem Zwischenraum 30 gleichmäßig um die wärmeren Bereiche des Wärmespeichermediums 40 nahe des Kanals 12 verteilt sind. Die sich daraus ergeben- de vorteilhafte Isolationswirkung verhindert einen Wärmeverlust aus den relativ wärmeren, nahe am Kanal 12 angeordneten Bereichen. Folglich sind an die thermische Isolierung 50 geringere Anforderungen zu stellen als es der Fall wäre, wenn die relativ wärmeren Bereiche des Wärmespeichermediums 40 na- he an der Anströmfläche 20 angeordnet wären. Demzufolge verringern sich die Material- wie auch die Bereitstellungskosten. Eine höherwertige Isolierung ist jedoch ausführungsgemäß für die thermische Abdeckung 55 zu wählen, die höheren Temperaturen ausgesetzt ist. Diese höheren Temperaturen stel- len sich in erster Linie in Folge von Konvektion des während des Ladezustandes in den Kanal 12 eingeströmten Gases ein. Da durch die Konvektion des Gases in dem Zwischenraum 30 vermehrt wärmeres Gas sich unter der thermischen Abdeckung 55 ansammelt, wird in diesen Bereichen auch ein höheres Temperaturniveau erreicht. Demzufolge sind die Anforderungen an die thermische Abdeckung 55 höher als an die thermische Isolierung 50. Wird also bspw. die thermische Isolierung 50 mittels einer KunststoffSchicht erreicht, so können für die thermische Abdeckung 55 mitunter nur feuerfeste Steine (Schamott) vorgesehen werden.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht durch den in Fig. 1 dar- gestellten Wärmespeicher 1 von oben. Deutlich zu sehen ist hier die zylindersymmetrische Formung des Kanals 12 wie auch der Ausströmfläche 20. Lediglich schematisch sind die in dem Zwischenraum 30 angeordneten Körner des Wärmespeichermediums 40 dargestellt. Diese Körner des Wärmespeichermediums 40 kön- nen bspw. eine geeignete Schüttung aus Gestein darstellen. Typischerweise ist der gesamte Zwischenraum 30 zwischen der Einströmfläche des Kanals 12 und der Ausströmfläche 20 von dem Wärmespeichermedium 40 ausgefüllt. Die Befüllung kann im Wesentlichen gleichmäßig ausgeführt sein. Denkbar ist jedoch auch, das Vorsehen von Kanälen in dem Wärmespeichermedium 40, die einen schnelleren Fluss des Gases 2 unterstützen. Dadurch mag zwar der Wärmeübertrag an das Wärmespeichermedium 40 nicht mehr vergleichbar effizient erfolgen, jedoch kann auf diese Weise der Flusswiderstand geeignet vermindert werden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht von der Seite auf einen Kanal 12 der Einströmfläche 10, welche eine Anzahl von Einströmöffnungen 11 aufweist. Der dargestellte Kanal kann bspw. in der in den vorhergehenden Figuren 1 und 2 darge- stellten Ausführungsform des Wärmespeichers 1 zum Einsatz gelangen. Insbesondere ist an dem Kanal 12 eine gemäß der gezeigten Darstellung von oben nach unten verlaufende Zunahme an Einströmungen 11 pro Flächeneinheit dargestellt. Ist der Kanal 12 entsprechend einer Orientierung in dem Wärmespeicher 1 gemäß der Fig. 1 und 2 vorgesehen, würde verhältnismäßig weniger Gas beim Eintritt in den Kanal 12 in den oberen Bereichen austreten, jedoch vermehrt Gas in den unteren Bereichen des Kanals 12. Damit kann ein geringerer Wärmeeintrag in die Bereiche, die nahe an den Einströmöffnungen 11 im oberen Bereich des Kanals 12 angeordnet sind, gewährleistet werden, jedoch relativ ein vergrößerter Eintrag in die Bereiche, die nahe den Einströmöffnungen 11 im unteren Bereich des Kanals 12 angeordnet sind. Aufgrund der Konvektion des in dem Zwischenraum 30 sich einstellenden Strömungsgefälles, steigt relativ wärmeres Gas von unten nach oben auf, wobei es gleichzeitig von dem Kanal 12 hin zu der Ausströmfläche 20 strömt. Dadurch wird Wärme aus den unteren Bereichen in die oberen Bereiche überführt, wobei sich bei Berücksichtigung des ursprünglich geringeren Eintrags durch die geringere Anzahl an Einströmöffnungen 11 pro Flächeneinheit im oberen Bereich des Kanals 12 ein gleichmäßigeres Temperaturprofil ausbilden lässt .
Um diesen Konvektionseffekten entgegenzuwirken, kann auch vorgesehen sein, den Zwischenraum 30 des Wärmespeichers 1 schichtenweise zu befüllen, wobei zwischen einzelnen Schichten Konvektionssperren 45 vorgesehen sind. Solche sind in Fig. 4 dargestellt. Diese Konvektionssperren 45 können aus gasundurchlässigem oder aus nur teilweise gasdurchlässigem Material bestehen. Um die in den Zwischenraum 30 eingebrachten Mengen an relativ wärmeren Gas 2 geeignet zu leiten, um den Konvektionseffekten entgegenzuwirken, können die Konvek- tionssperren 45 in gleichmäßigen Abständen voneinander oder aber auch in ungleichmäßigen Abständen voneinander angeordnet sein. Weiter können die Konvektionssperren 45 sich über die gesamte Bereite des Zwischenraums des Wärmespeichers 1 erstrecken oder aber auch nur über Teilbereiche davon. Zudem kann es vorteilhaft sein, die Konvektionssperren nicht horizontal zueinander auszurichten, sondern eine gewinkelte Anordnung zueinander vorzunehmen. Dadurch kann eine gezielte Leitung des in dem Zwischenraum 30 befindlichen relativ wärmeren Gases 2 besser möglich sein.
Fig. 5 zeigt zwei unterschiedliche Wärmeverteilungskurven (WV1 und WV2), die schematisch einer Ausführungsform des Wärmespeichers 1 gemäß dem in Fig. 1 bzw. Fig. 4 gezeigten Wär- mespeicher 1 einbeschrieben sind. Die erste Wärmeverteilungskurve WVl wie auch die zweite Wärmeverteilungskurve WV2 ergeben sich als Isotherme durch den Zwischenraum 30 des Wärmespeichers 1 im Querschnitt. Bspw. entspricht diese Isotherme dem Temperaturniveau von 200 °C, bzw. eine anderen anzugebenden Temperatur. Wie leicht zu sehen ist, erstreckt sich die erste Wärmeverteilungskurve WVl nahe der thermischen Abdeckung 55 weiter in Richtung der Ausströmungsfläche 20 als die zweite Wärmeverteilungskurve WV2. Dieser Effekt stellt sich etwa ein, wenn aufgrund von verstärkter Konvektion des relativ wärmeren Gases in dem Zwischenraum 30 das Gas nach oben steigt, und in relativ weiter oben angeordneten Bereichen von dem im Zwischenraum 30 herrschenden Gasdruck in Richtung der Ausströmfläche 20 bewegt wird. Dieser Konvektionsbewegung des wärmeren Gases 2 kann dadurch begegnet werden, dass in den Zwischenraum 30, wie bspw. in Fig. 4 gezeigt, Konvektions- sperren 45 vorgesehen sind, die eine freie Konvektion von unten nach oben nicht mehr zulassen, sondern das Gas gezielt in vorbestimmte Richtungen leiten. Werden solche Konvektions- sperren 45 vorgesehen, kann also vermieden werden, dass vermehrt Wärme durch Konvektion aus den unteren Bereichen in die oberen Bereiche des Zwischenraums 30 transportiert wird. Die zweite Wärmeverteilungskurve WV2 , die also einen Fall mit verbesserter Wärmeverteilung veranschaulicht, zeigt, dass na- he der thermischen Abdeckung 55 die Kurve im Vergleich zur ersten Wärmeverteilungskurve weniger nahe an die Ausströmfläche 20 heranreicht. Im Gegensatz dazu, werden jedoch diese durch Konvektion nicht transportierten Wärmemengen in den unteren Bereichen des Zwischenraums 30 deponiert. Demzufolge weist auch die zweite Wärmeverteilungskurve WV2 im Vergleich zur ersten Wärmeverteilungskurve WVl unterhalb des Kanals 12 eine stärkere seitliche Ausdehnung auf.
Die in Fig. 5 dargestellten Wärmeverteilungskurven WVl und WV2 sind lediglich schematisch zu verstehen und entstammen nicht einer thermodynamisch exakten Berechnung. Dennoch verdeutlichen sie ausreichend, welchen Einfluss die Konvektion auf die Wärmeverteilung innerhalb des Wärmespeichers nehmen kann .
Wie bereits in den vorhergehenden Figuren 1 und 4 durch die Doppelpfeile angedeutet, welche den Fluss des Gases 2 veranschaulichen sollen, kann der Wärmespeicher 1 sowohl in einem Lade- als auch in einem Entladezustand betrieben werden. Im Ladezustand fließt relativ wärmeres Gas 2 in den Kanal 12 ein und strömt durch den Zwischenraum 30 zu der Ausströmfläche 20. Wird der Wärmespeicher 1 jedoch im Entladezustand betrieben, fließt relativ kälteres Gas über den Abströmkanal 60 durch die Ausströmöffnungen 21 der Ausströmfläche 20 ein und nimmt während seines Weges durch den Zwischenraum 30 von dem Wärmespeichermedium 40 Wärme auf, wonach ein relativ wärmeres Gas in den Kanal 12 der Einströmfläche 10 einströmt und aus diesem entnommen werden kann. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde jedoch der Ladezustand bevorzugt betrachtet.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Flussdiagram zur Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird zum Laden des Wärmespeichers relativ wärmeres Gas 2 in den Kanal 12 der Einströmfläche 10 eines Wärmetauschers 1 eingeströmt. Das Einströmen wird zu einem Zeitpunkt beendet, der vor einem Zeitpunkt liegt, zu welchem der Wärmespeicher 1 vollständig aufgeladen wäre. Dieser Zustand ist der ausführungsgemäße Ladezustand. Damit wird gewährleistet, dass das körnige Wärmespeichermedium 40 im Zwischenraum 30 zwischen Einströmfläche 10 und Ausströmfläche 20 Bereiche aufweist, welche relativ kälter sind als andere. Diese rela- tiv kälteren Bereiche sind geeignet, die relativ wärmeren Bereiche, die näher an der Einströmfläche 10 angeordnet sind, thermisch zu isolieren.
Fig. 7 zeigt ein schematisches Flussdiagram zur Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Demgemäß wird zum Laden des Wärmespeichers relativ wärmeres Gas 2 in den Kanal 12 der Einströmfläche 10 geströmt. Das Einströmen wird zu einem Zeitpunkt beendet, zu welchem ein Temperaturabfall zwischen der Einströmfläche 10 und der Ausströmfläche 20 im Wärmespeichermedium 40 vorliegt. Dieser Zustand ist der ausführungsgemäße Ladezustand. Damit wird gewährleistet, dass das körnige Wärmespeichermedium 40 im Zwi- schenraum 30 zwischen Einströmfläche 10 und Ausströmfläche 20 Bereiche aufweist, welche relativ kälter sind als andere. Diese relativ kälteren Bereiche sind geeignet, die relativ wärmeren Bereiche, die näher an der Einströmfläche 10 angeordnet sind, thermisch zu isolieren.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen .

Claims

Patentansprüche
1. Wärmespeicher (1) zur Speicherung von wenigstens 100 MWh thermischer Energie aus einem relativ wärmeren Gas (2) in ei- nem Ladezustand und zur Abgabe von thermischer Energie an ein relativ kälteres Gas (2) in einem Entladezustand,
welcher in dem Ladezustand zur Einführung des Gases (2) wenigstens eine mit Einströmöffnungen (11) versehene Einströmfläche (10) aufweist, sowie mindestens eine mit Ausströmöff- nungen (21) versehene Ausströmfläche (20) zur Abführung des
Gases (2) nach der Wärmeabgabe an ein körniges Wärmespeichermedium (40) ,
wobei die Einströmfläche (10) wenigstens abschnittsweise zu einem Kanal (12) geformt ist, der von der Ausströmfläche (20) insbesondere vollständig umgeben ist, und wobei zwischen Einströmfläche (10) und Ausströmfläche (20) ein Zwischenraum (30) bestimmt ist, in welchem das körnige Wärmespeichermedium (40) angeordnet ist.
2. Wärmespeicher gemäß Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
der Kanal (12) der Einströmfläche (10) eine erste Symmetrie aufweist, die mit einer zweiten Symmetrie wenigstens eines vorbestimmten Abschnittes der Ausströmfläche (20) , welcher den Kanal (12) der Einströmfläche (10) umgibt, überein stimmt .
3. Wärmespeicher gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
der Kanal (12) der Einströmfläche (10) eine erste Symmetrieachse (SA1) aufweist, deren Anordnung in dem Wärmespeicher (1) mit einer zweiten Symmetrieachse (SA2) wenigstens eines vorbestimmten Abschnittes der Ausströmfläche (20) , welcher den Kanal (12) der Einströmfläche (10) umgibt, überein stimmt.
4. Wärmespeicher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Kanal (12) der Einströmfläche (10) wie auch der wenigstens eine, diesen umgebenden Abschnitt der Ausströmfläche (20) eine ZylinderSymmetrie aufweisen und der Abschnitt der Ausströmfläche (20) relativ zu der Einströmfläche (10) koaxi- al angeordnet ist.
5. Wärmespeicher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die Anzahl der Einströmöffnungen (11) pro Flächeneinheit in dem Kanal (12) in Flussrichtung des einströmenden Gases (2) zunimmt .
6. Wärmespeicher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
der Kanal (12), welcher durch die Einströmfläche (10) gebildet ist, einen geradlinigen Verlauf aufweist, welcher in dem Wärmespeicher (1) insbesondere parallel zur Richtung des Erdanziehungsfeldes ausgerichtet ist.
7. Wärmespeicher gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
das körnige Wärmespeichermedium (40) eine Schüttung aus Gestein umfasst.
8. Wärmespeicher gemäß dem Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die Schüttung des körnigen Wärmespeichermediums (40) eine durchschnittliche Korngröße von wenigstens 1 cm im Durchmesser aufweist, bevorzugt eine durchschnittliche Korngröße von wenigstens 3 cm im Durchmesser.
9. Wärmespeicher gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
das Wärmespeichermedium (40) in dem Wärmespeicher (1)
schichtweise angeordnet ist und zwischen den einzelnen
Schichten eine gasundurchlässige Konvektionssperre für das Gas (2) vorgesehen ist.
10. Wärmespeicher gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
der Wärmespeicher wenigstens 10 m, bevorzugt wenigstens 15 m in seiner Höhenausdehnung und wenigstens 30 m, bevorzugt we- nigstens 45 m in seiner Breitenausdehnung misst.
11. Wärmespeicher gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die Ausströmfläche (20) von einer thermischen Isolierung (50) umgeben ist, die von der dem körnigen Wärmespeichermedium (40) abgewandten Seite der Ausströmfläche (20) beabstandet ist, und so zwischen der Ausströmfläche (20) und sich selbst einen Abströmkanal (60) bestimmt, durch welchen das aus den Ausströmöffnungen (21) austretende Gas (2) abgeleitet werden kann.
12. Wärmespeicher gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
die der Ausströmfläche (20) zugewandete Seite des Kanals (12) der Einströmfläche (10) von der Ausströmfläche (20) um wenigstens 15 m, bevorzugt um wenigstens 20 m beabstandet ist.
13. Verfahren zum Laden und Entladen eines Wärmespeichers gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
zum Laden des Wärmespeichers (1) ein relativ wärmeres Gas (2) in den Kanal (12) eingeströmt wird, so dass dieses durch die Einströmöffnungen (11) der Einströmfläche (10) hindurch strömt und auf seinem Weg zu den Austrittsöffnungen (21) der Austrittsfläche (20) Wärme an das körnige Wärmespeichermedium (40) abgibt, wobei es als relativ kälteres Gas (2) aus den Austrittsöffnungen (21) ausströmt und aus dem Wärmespeicher (1) abgeleitet wird, und dass zum Entladen des Wärmespeichers (1) ein relativ kälteres Gas (2) durch die Ausströmöffnungen (21) eingeströmt wird, welches auf seinem Weg durch das körnige Wärmespeichermedium (40) Wärme von dem körnigen Wärme - speichermedium (40) aufnimmt und nach dem Austritt aus den Einströmöffnungen (11) der Einströmfläche (10) als relativ wärmeres Gas (2) zur Verfügung steht.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
beim Laden der Wärmespeicher (1) nicht vollständig aufgeladen, insbesondere höchstens auf 70% der möglichen Energieaufnahmemenge bei einem vorbestimmten Temperaturniveau des relativ wärmeren Gases (2) aufgeladen wird.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
sich während des Ladens bzw. in einem Ladezustand zwischen der Einströmfläche (10) und der Ausströmfläche (20) ein Tem- peraturabfall hin zu der Ausströmfläche (20) ausbildet bzw. ausgebildet hat.
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