EP3044519A1

EP3044519A1 - Hochtemperaturwärmespeicher

Info

Publication number: EP3044519A1
Application number: EP14759193.7A
Authority: EP
Inventors: Klaus Rudolf QUAST; Peter Manfred RÖSSLER
Original assignee: Jess Energiespeichersysteme GmbH
Current assignee: Jess Energiespeichersysteme GmbH
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2016-07-20
Also published as: CN105814371A; US20160223268A1; WO2015036318A1; DE102013110117A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher (1) zur Speicherung von Wärmenergie in mindestens einem Wärmespeicherblock (2) und einer Entnahmevorrichtung (3) zur Entnahme von gespeicherter Wärmeenergie. Zur gleichmäßigen Energieentnahme aus dem Speicher wird vorgeschlagen, dass der Wärmespeicherblock (2) und die Entnahmevorrichtung (3) getrennt und relativ zu einander verschiebbar ausgebildet sind. Dabei kann im Wärmespeicherblock (2) mindestens eine Wärmetauscherfläche (4) für eine Wärmeübertragung von einem Fluid (5) oder einem elektrischen Heizelement (6) in den Wärmespeicherblock (2) vorgesehen sein und zur Entnahme von Wärmeenergie aus dem Wärmespeicherblock (2) die Entnahmevorrichtung (3) mindestens eine Verdampferfläche (7) aufweisen, zur Erzeugung eines Phasenwechsels in einem Wärmeträgerfluid (8).

Description

Hochtemperaturwärmespeicher

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher zur Speicherung von

Wärmenergie in mindestens einem Wärmespeicherblock und mindestens einer Entnahmevorrichtung zur Entnahme von gespeicherter Wärmeenergie, sowie ein Verfahren zum Steuern oder Regeln einer Entnahmeleistung aus einem solchen Wärmespeicher.

Derartige Wärmespeicher mit einer Einspeiseeinrichtung für die zu

speichernde Energie in Form von Wärme zur langzeitstabilen und

gleichmäßigen Leistungsabgabe sind bekannt. Sie bestehenden aus einem hochhitzebeständigen Feststoff, welcher bei Erhitzen Wärme zu speichern im Stande ist, und einer Einrichtung zur Auskopplung der gespeicherten Wärme vorzugsweise in Form von Heißdampf oder überhitztem Dampf. Ersterer kann beispielsweise für die Bereitstellung von Fernwärme genutzt werden. Letzterer ist für den Betrieb von Dampfturbinen zur Stromerzeugung notwendig.

Derzeit wird an vielen unterschiedlichen Technologien zur Speicherung von Energie im großen Maßstab gearbeitet. Diese Technologien sind notwendig, um den weiteren Ausbau regenerativer Energien, z.B. Sonne Wind, Wasser, Gezeiten, etc. vorantreiben zu können. Die meisten dieser Energiequellen sind zwar im Übermaß vorhanden, nur sind sie das nicht immer, wenn sie gebraucht werden. Daher müssen sie in großem Umfang gespeichert werden, damit auch längere Perioden der Unterversorgung aus diesen Speichern abgedeckt werden können. Gelingt dies nicht, muss die

Versorgungssicherheit weiterhin über konventionelle Schattenkraftwerke, die dann wiederum über weite Phasen nicht ausgelastet sind, sichergestellt werden. Der Aufrechterhaltung der Betriebsbereitschaft dieser

Schattenkraftwerke ist eine sehr teure Backuplösung.

Ein gattungsgemäßer Wärmespeicher ist aus der DE 21 17103 A bekannt. Dabei wird die gespeicherte Wärmeenergie in einem einzigen metallischen Block gespeichert. Dieser Block wird induktiv erhitzt, eine Spritzdüse ragt in eine zylindrische Ausnehmung hinein, die zur Verdampfung des von der Spritzdüse eingeleiteten Wassers dient. Der erzeugte Dampf wird kondensiert und in einem Kreislauf wieder der Spritzdüse zugeführt.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 7010442 U ist ein Heizkessel zur Heizung von Wasser bekannt. Er weist einen thermischen Speicherkern auf und Mittel zur Erhitzung des Kerns auf eine Temperatur oberhalb des

Siedepunktes von Wasser. Oberhalb des Kerns ist ein Dampf- und

Wasserraum angeordnet. Eine Röhre erstreckt sich von dem oberhalb des Kerns gelegenen Dampf- und Wasserraum in den Kern. Zusätzlich sind Mittel vorgesehen, die den erwähnten Raum mit einer Wasserzuführungsquelle und einen Durchgang in die Röhre bereitstellen. Das System der Wasserzufuhr ist selbstregulierend derart, dass es einen Druck aufrechterhält, der gleich dem Zuführungsdruck ist, der sehr gering sein kann. Das Wasser kann zu diesem Zweck aus einem Hilfsreservoir entnommen und dem System zugeführt werden.

Der entstehende Dampf wird durch das zugeführte Kaltwasser kondensiert. Das Wasser wird dadurch erwärmt und kann aus dem Raum oberhalb des Kerns als Heißwasser einer Heizung zugeführt werden. Dieses vorbekannte System beschränkt die abnehmbare Temperatur bzw. das Medium im

Wesentlichen auf die Abnahme von Heißwasser. Dampf wird nicht zur

Verfügung gestellt. Die abgenommenen Wärmemengen liegen somit auf einem Temperaturniveau unterhalb des Siedepunktes.

Die DE 6806870 U betrifft einen elektrisch beheizten Wärmespeicherofen. Der Speicherkern besteht aus Speicherblöcken aus keramischem Werkstoff, die von metallischen Kanälen durchzogen sind, die ein Heizregister für die

Erzeugung von Heißwasser, Dampf oder dergleichen bilden. Dieser Schrift liegt die Aufgabe zugrunde, auch bei niedrigen Speichertemperaturen einen guten Wärmeübergang vom Speicherkern zum Heizregister zu gewährleisten. Dazu sind metallische Kanäle, die das Heizregister bilden, mit vergrößerten Oberflächen vorgesehen. Die das Heizregister bildenden metallischen

Kanälen sind senkrecht im keramischen Werkstoff angeordnet, wobei über die Schaltung der Kanäle und erst recht über Vorhandensein und Ausgestaltung eines etwaigen Dampfsammeiraums nichts ausgesagt wird. Die GB 1344486 A beschreibt ein Wassererwärmungssystem, bei dem horizontale Verdampferrohre in thermischen Speicherblöcken, die aus feuerfestem Material bestehen, eingebettet sind. Die Speicherblöcke werden elektrisch beheizt. Die horizontal angeordneten Verdampferrohre sind mit ihrem offenen Ende an einem vertikalen Dampfrohr angeschlossen. Das vertikale Dampfrohr bildet ein U, das mit einem offenen Ende in einem geschlossenen Kondensattank und mit dem anderen Ende in einem offenen Teil eines Behälters endet. Der Behälter und der geschlossene

Kondensatbehälter liegen ungefähr auf gleichem Niveau. Die Wärme wird über einen Wärmetauscher aus dem Kondensatraum abgeleitet. Da das Dampfrohr oberhalb des Kondensatspiegels endet, wird das entstandene Kondensat über eine getrennte Leitung zum U-förmigen Ende der

Dampfleitung geführt, so dass sich dadurch ein Kondensatkreislauf ergibt, sobald der Kondensatspiegel im Kondensatbehälter das oben offene Ende der Kondensatrückführleitung übersteigt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Temperaturniveau und damit die Wärmespeichermenge von Festkörperwärmespeichern drastisch zu erhöhen, ohne die damit einhergehenden negativen Auswirkungen der diesen hohen Temperaturen ebenfalls ausgesetzten Werkstoffe, z.B. Stähle, d.h. die Stahlrohre, in Kauf zu nehmen, die ansonsten die Langzeithaltbarkeit eines solchen Energiespeichers drastisch einschränken.

Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren vorzuschlagen, das eine die Anlagenteile schonende und gleichmäßige Entnahme von

Wärmemengen aus dem Wärmespeicher ermöglicht.

[A01 ] Die Vorrichtungsaufgabe wird bei einem Wärmespeicher zur

Speicherung von Wärmenergie in mindestens einem Wärmespeicherblock und mindestens einer Entnahmevorrichtung zur Entnahme von gespeicherter Wärmeenergie, dadurch gelöst, dass der Wärmespeicherblock und die

Entnahmevorrichtung getrennt und relativ zu einander verschiebbar

ausgebildet sind. Durch die Trennung können Temperaturunterschiede zwischen der Entnahmeeinheit und dem Wärmespeicherblock keine

mechanischen Spannungen zwischen den beiden sonst als Einheit ausgebildeten Teilen hervorrufen. Die konstruktive Trennung von

Entnahmeeinheit und Wärmespeicherblock erlaubt eine Erhöhung der

Speichertemperatur auf ein Niveau, das frei von den Grenzen der in der Entnahmeeinheit verwendeten Materialien ist.

Die hier aufgeführte Erfindung zeichnet sich folglich durch eine extrem hohe mögliche Speichertemperatur und somit Energiedichte aus sowie durch einen höchstmöglichen Wirkungsgrad des Gesamtprozesses, der durch die über einen großen Temperaturbereich des Speichers konstant zur Verfügung stehende AusgabetemperaturMeistung erreicht wird.

Dies wird also durch eine Trennung der eigentlichen Energiespeicherung, d.h. dem Speicherblock und der zur Energieausleitung notwendigen Vorrichtung, d.h. der Entnahmeeinheit erreicht.

Die Energiespeicherung erfolgt in einem Speicherblock aus einem

keramischen Werkstoff, der Langzeitstabil sehr hohe Speichertemperaturen ermöglicht. Der ideale Werkstoff besitzt eine maximale

Temperaturbeständigkeit um über höhere Temperaturen mehr Energie speichern zu können, sowie eine hohe spezifische Dichte/spez.

Wärmekapazität um pro Raumeinheit ein Maximum an Energie speichern zu können. Dafür sind unterschiedliche Werkstoffe geeignet, die sich in den technischen Parametern, wie der spez. Wärmekapazität und der

Temperaturbeständigkeit als auch in den Kosten unterscheiden. Schamotte mit einem hohen Anteil von AI203 (z.B. Sorte A40t) erlauben beispielweise bereits Anwendungstemperaturen von ca. 1 .450 ° C. Zugleich bieten diese mit einer spez. Dichte von bis zu 2, 1 5 g/cm³ auch eine vergleichsweise hohe spez. Wärmekapazität. Es sind jedoch auch technische Keramiken einsetzbar, deren Temperaturbereich noch weitaus höher liegen kann, die dafür i.d. R. aber Nachteile hinsichtlich der spez. Wärmekapazität haben, was den Vorteil der höheren Temperatur ganz oder teilweise wieder aufheben kann.

[A02] In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im

Wärmespeicherblock mindestens eine Wärmetauscherfläche für eine

Wärmeübertragung von einem Fluid oder einem elektrischen Heizelement in den Wärmespeicherblock vorgesehen sind. Alternativ kann Wärme im

Wärmespeicherblock entweder mittels eines Fluids oder mittels eines elektrischen Elementes, einer sogenannten Heizpatrone, in den

Wärmespeicherblock eingespeichert werden. Die Einspeisung erfolgt über die mindestens eine Wärmetauscherfläche, die mit Vorteil als Oberfläche

Speichermaterials ausgebildet ist, wobei somit keine Materialunterschiede existieren, die zu mechanischen Spannungen führen können. Als Fluid können sowohl Hochtemperaturgase als auch flüssige Metalle verwendet werden.

Die Wärme wird gegenwärtig vorzugsweise aber über elektrische

Heizpatronen in den Speicherblock eingebracht. Es ist jedoch auch möglich, die zu speichernde Wärme, sobald technisch geeignete und wirtschaftlich sinnvoll einsetzbare Fluide, z.B. Flüssigmetalle, zur Verfügung stehen, Fluide zur Einspeicherung zu verwenden. Die hohen Temperaturen, können durchaus z.B. mit Parabolrinnen-Solaranlagen erzeugt werden. Das flüssige Medium wird dafür unter geringem Druck in keramischen Rohren durch den Wärmespeicher geleitet. Auch die direkte Einleitung von gebündelter

Wärmestrahlung ist über Fokussierung und Spiegelung möglich.

In jedem Fall ist es aus Sicht der Wirtschaftlichkeit als auch des erreichbaren Wirkungsgrades sinnvoll und notwendig, eine höchstmögliche

Speichertemperatur zu erreichen.

[A03] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zur Entnahme von Wärmeenergie aus dem Wärmespeicherblock die

Entnahmeeinheit mindestens eine Verdampferfläche zur Erzeugung eines Phasenwechsels in einem Wärmeträgerfluid oder zur weiteren Überhitzung eines Fluids, das bereits den Punkt des Phasenwechsels überschritten hat, aufweist. Zur Entnahme der gespeicherten Energie sind in der

Entnahmeeinheit Verdampferflächen vorgesehen, an denen eine

Phasenwandlung einer vorbeigeführten Flüssigkeit stattfindet. Im Allgemeinen wird diese Flüssigkeit Wasser sein, bei anderen Temperaturniveaus sind jedoch auch andere Flüssigkeiten anwendbar. Bei Verwendung von Wasser als Flüssigkeit ist es zur Erhöhung des Temperaturniveaus von Vorteil, wenn dieser Phasenwechsel bei höheren Drücken stattfindet.

Diesem Grundprinzip stehen jedoch die heute verfügbaren Materialien, mit Ausnahme des Speicherwerksstoffes selbst, entgegen. Hier ist in erster Linie die mangelnde Zeitstandfestigkeit der zur Verfügung stehen Stähle zu nennen. In erster Linie wird dadurch die maximale Temperatur, der diese

Stähle ausgesetzt sein dürfen, begrenzt. Da die Ausleitung der gespeicherten Wärme i.d.R. in Form von Heißdampf oder überhitztem Dampf unter sehr hohen Drücken von einigen hundert Bar erfolgt, sind hochfeste Rohre notwendig. [A04] Mit Vorteil ist deshalb in weiterer Ausgestaltung der Erfindung

vorgesehen, dass die Verdampferfläche vorzugsweise durch die Innenfläche von mindestens einem Rohr gebildet ist, das vorzugsweise in einem Block eingebettet ist, dessen Material insbesondere dem Material des

Wärmespeicherblocks entspricht. Hier setzt das Grundprinzip dieser Erfindung an. Der Speicherblock, in dem sich außer der Heizpatrone selbst keine metallischen Bestandteile befinden, wird von der Einrichtung zur Wärmeauskopplung getrennt und kann somit bis zur Maximaltemperatur des Speicherwerkstoffs bzw. der Maximaltemperatur der Einrichtungen zur Wärmeeinleitung, bspw. der Heizpatronen selbst, erhitzt werden, ohne den in der Einrichtung zur Wärmeauskopplung eingesetzten Stählen zu schaden.

Gemäß dieser Erfindung erfolgt die Entnahme der gespeicherten Wärme dann durch eine aus einem ebenfalls hoch hitzebeständigen Block gefertigten Entnahmevorrichtung, d.h. dem sogenannten Wärmeauskoppler, in welchen Rohre als Wärmetauscher eingebettet sind, in denen das eingebrachte

Medium, i.d.R. ist das Wasser, verdampft wird oder aber auch in dem bspw. eingeleiteter Dampf weiter überhitzt wird. Der überhitzte, unter sehr hohem Druck stehende Dampf wird anschließend für den Betrieb von Dampfturbinen zur Stromerzeugung eingesetzt. Natürlich ist auch die Erhitzung beliebiger anderer Gase oder Flüssigkeiten auf diese Weise möglich. Alternativ ist es auch möglich auf den hitzebeständigen Block zu verzichten und nur mit einem Rohrsammlerbündel zur Wärmeentnahme zu arbeiten. Das

Rohrsammlerbündel kann zusätzlich mit Tauscherflächen ausgestattet sein.

[A05] Die Maßnahme, dass der Wärmespeicherblock die

Entnahmevorrichtung mindestens teilweise umhüllend ausgebildet ist, dient der Erhöhung der Entnahmeleistung. Durch die Formgestaltung und

Dimensionierung lässt sich der Grad der Kopplung zwischen

Wärmespeicherblock und Entnahmevorrichtung in weiten Bereichen beeinflussen. Auch die Funktionen der Kopplung in Abhängigkeit des

Abstandes zwischen Wärmespeicherblock und Entnahmevorrichtung ist durch die Gestaltung des Bereichs, in dem der Wärmespeicherblock die

Entnahmevorrichtung umhüllt, einstellbar. Beispielsweise wächst bei zylindrischer Umhüllung die Kopplung linear mit der Verringerung des

Abstandes, während bei einem Eintauchen der Entnahmevorrichtung in eine kegelige Mulde die Kopplung progressiv mit dem Abstand ansteigt. Die Wärmeübertragung zwischen dem Wärmespeicherblock und dem

Wärmeauskoppler erfolgt bei sehr hohen Temperaturen vorwiegend durch Wärmestrahlung. Die Wärmeleistung, die durch Wärmestrahlung auf den Wärmeauskoppler übertragen wird, ist durch einen regelbaren Abstand zwischen dem beweglichen Wärmeauskoppler und dem eigentlichen

Wärmespeicher regelbar und/oder steuerbar. Ziele dieser Regelbarkeit sind zum Einen die Regelung der Ausgabeleistung des Speichers. Noch wichtiger ist es jedoch, die Temperatur des Wärmeauskopplers, unabhängig von der eigentlichen Speichertemperatur, nicht über die Grenzen hinaus, die durch die Zeitstandfestigkeit des darin eingebetteten Wärmetauschers gegeben sind, zu erhöhen.

Aus der mechanischen Entkopplung von Energiespeicher und

Wärmeauskoppler ergibt sich, dass die Temperatur des Speichers sehr viel höher liegen kann als bei allen anderen bekannten Konzepten, da hier keinerlei stahlbasierte metallische Werkstoffe direkt dieser hohen Temperatur ausgesetzt werden. So sind Speichertemperaturen, wie die o.g. 1 .450 °C mit aus dem Hochtemperatur-Ofenbau bekannter Technik zu erreichen und bei Einsatz geeigneter Werkstoffe auch noch zu übertreffen.

[A06] Als vorteilhafte Form der Umhüllung wird in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass der Wärmespeicherblock im Bereich der Umhüllung konkav und die Entnahmevorrichtung mindestens teilweise konvex

ausgebildet ist.

[A07] Eine Verringerung von Wärmeverlusten erreicht man, wenn der

Wärmespeicherblock und die Entnahmevorrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, das vorzugsweise einen Unterdruck aufweist. Der Unterdruck bewirkt eine bessere Isolierung gegenüber der Umgebung.

Wärmeleitung und Konvektionsvorgänge, die zu Wärmeverlusten führen könnten, werden reduziert.

[A08] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmespeicherblock und die Entnahmevorrichtung in einer gemeinsamen, vorzugsweise vertikalen Achse angeordnet sind, wobei der Abstand von Wärmespeicherblock und die Entnahmevorrichtung motorisch veränderbar ausgebildet ist und vorzugsweise das Gewicht des bewegten Teils von

Wärmespeicherblock oder der Entnahmevorrichtung mindestens teilweise kompensiert ausgebildet ist. Die Möglichkeit, den Abstand zwischen

Entnahmevorrichtung und Wärmespeicherblock zu verändern, ermöglicht eine Regelung und/oder Steuerung der abgegebenen Wärmemengen in weiten Bereichen.

Zugleich ist es möglich, die Ausgabeleistung des Speichers über einen weiten Temperaturbereich des Speichers konstant zu halten, da die durch

Wärmeentnahme abnehmende Speichertemperatur und somit auch der abnehmenden Strahlungsleistung des Wärmespeichers durch eine

Verringerung des Abstandes zwischen Wärmeauskoppler und Wärmespeicher entgegengewirkt wird. Die ideale Entnahmetemperatur wird somit über eine simple Regelung erreicht, deren Führungsgröße die gewünschte

Entnahmetemperatur ist und deren Stellglied die Einrichtung zur Veränderung des Abstandes und deren Regelgröße die Ist-Temperatur des Wärmeauskopplers ist. Diese geht hin bis zum mechanischen Kontakt zwischen Wärmeauskoppler und Wärmespeicher, wodurch im Verlauf der weiteren Abkühlung die abnehmende Wärmestrahlung zunehmend durch direkte Wärmeleitung zwischen den beiden Körpern abgelöst wird. Sinkt die Speichertemperatur unter den Wert der definierten und regelbaren

Idealtemperatur für die Entnahme, dann sinkt mit weiter sinkender Temperatur auch die Ausgabeleistung und die erreichbare maximale Ausgabetemperatur aus dem Speicher und dadurch auch der Wirkungsgrad des

Gesamtprozesses. Im Sinne eines optimalen Gesamtwirkungsgrades sollte die Ausgabetemperatur stets am technisch machbaren Maximum gehalten werden. Steht eine größtmögliche Speicherreichweite im Vordergrund, dann kann zu Lasten des Wirkungsgrades der Speicher auch weiter abgekühlt werden.

In diesem Fall lässt sich die gespeicherte Energie bis auf ein unvermeidliches Minimum ausnutzen. Beispielsweise durch einen Kombinationsbetrieb, indem sehr hohe Speichertemperaturen zugunsten des optimalen Wirkungsgrades zur Erzeugung von überhitztem Dampf genutzt werden. Unterschreitet die Temperatur eines Speicherblockes die optimale Temperatur zur

Dampfüberhitzung, so kann die Resttemperatur über Wärmetauscher nahezu verlustfrei zur Wasserverdampfung, insbesondere bei mehrstufiger

Dampfüberhitzung, oder am Ende der Temperaturskala noch zur

Bereitstellung von Wärme für Heizungszwecke genutzt werden.

[A09] Die physikalischen Gesetze der Wärmeübertragung von

Wärmespeicherblock auf die Entnahmevorrichtung lassen sich in weiten Bereichen anpassen, wenn in einer vom Wärmespeicherblock gebildeten Mulde eine Menge eines wärmeleitenden Fluids vorgesehen ist.

Vorzugsweise wird als Fluid ein flüssiges Metall gewählt, so dass das flüssige Metall Wärme mittels Konvektion überträgt. Die physikalischen Gesetze der Wärmestrahlung sind nur für diejenigen Teilflächen bestimmend, in denen der Zwischenraum zwischen Wärmespeicher und Entnahmevorrichtung nicht mit flüssigem Metall gefüllt ist. [A10] Die Verfahrensaufgabe wird durch ein Verfahren zum Steuern oder Regeln einer Entnahmeleistung aus einem Wärmespeicher dadurch gelöst, dass ein Abstand von Wärmespeicherblock und Entnahmevorrichtung verändert wird. Daraus ergeben sich insbesondere folgende Vorteile:

Solange die Speichertemperatur im Bereich oberhalb der

Zieltemperatur des Wärmeauskopplers liegt, erreicht man den derzeit technisch höchstmöglichen Wirkungsgrad für den gesamten

Kraftwerksprozess.

Die spezifischen Kosten pro kWh gespeicherter Wärme sinken erheblich, da die auf diese Weise sehr viel höhere Speichertemperatur auf die Kosten des Speichers selbst keinen nennenswerten Einfluss hat. Lediglich durch eine verstärkte Isolierung muss höheren Speichertemperaturen

Rechnung getragen werden, will man nicht höhere Wärmeverluste

hinnehmen, die durch das höhere Temperaturgefälle zur Umgebung ansonsten entstehen würden. · Der Speicher kann sehr wartungsfreundlich konstruiert werden, so dass alle möglicherweise wartungs- oder reparaturbedürftigen Bauteile, nach Entfernung der Isolierung, von oben zugänglich sind. So kann sowohl der Wärmeauskoppler als auch die Heizpatronen ohne Herunterfahren des Speichers unter Einhaltung entsprechender Sicherheitsmaßnahmen ausgebaut und gewechselt werden.

Die erhöhte Energiedichte durch die höhere Temperatur ermöglicht kleinere Speicher bei gleichem Energieinhalt.

Die Lebensdauer der eingesetzten metallischen Werkstoffe im

Wärmeauskoppler kann durch die regelbare Temperatur des

Wärmeauskopplers bestimmt werden. Durch entsprechende Wahl der Temperatur kann entweder der Wirkungsgrad und die Leistung oder die Lebensdauer favorisiert werden.

Da der Speicher und der Wärmeauskoppler aus nur wenigen einfachen Bauteilen besteht, sind deren Herstellkosten vergleichsweise gering. Die notwendigen Regel- und Stellglieder sind ebenfalls sehr einfach auszulegen und zu bauen. So können durch den Einsatz von Gegengewichten die notwendigen Kräfte und damit die Aktuatoren für die Bewegung des

Wärmeauskopplers sehr klein gehalten werden. Die Temperatur des

Speichers und des Wärmeauskopplers wird intervallweise oder permanent gemessen, um daraus die notwendige Stellgröße für die Korrektur ableiten zu können.

[A1 1 ] Von Vorteil ist aber auch eine Verwendung des Wärmespeichers zu Heizzwecken in Gebäuden. Hier kommen die Vorteile der hohen

Speichertemperatur ebenso zur Geltung. Die Entnahmevorrichtung kann jederzeit so gesteuert werden, dass das eingeleitete Wasser nicht verdampft, sondern lediglich erhitzt wird. Damit übernimmt der Speicher die Funktion eines Durchlauferhitzers und kann somit den üblichen Heizkessel samt Warmwasserspeicher ersetzen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird beispielhaft an Hand einer Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:

Figur 1 eine schematisierte perspektivische Ansicht eines

erfindungsgemäßen Wärmespeichers,

Figur 2 eine schematische Aufsicht auf den erfindungsgemäßen

Wärmespeicher,

Figur 3 einen Vertikalschnitt durch den erfindungsgemäßen

Wärmespeicher unter Last gemäß Schnittlinie A-A in Figur 2,

Figur 4 einen Vertikalschnitt durch den erfindungsgemäßen

Wärmespeicher unter Last gemäß Schnittlinie B-B in Figur 2,

Figur 5 einen Vertikalschnitt durch den erfindungsgemäßen

Wärmespeicher gemäß Schnittlinie C-C in Figur 6 im ausgekoppelten Zustand und

Figur 6 eine schematische Aufsicht auf den erfindungsgemäßen

Wärmespeicher gemäß Figur 5. Die in Figur 1 gezeigte schematisierte perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Wärmespeichers 1 zeigt die Gliederung des Wärmespeichers 1 in einen Wärmespeicherblock 2 und eine Entnahmevorrichtung 3. Der

Wärmespeicherblock 2 und die Entnahmevorrichtung 3 liegen auf einer gemeinsamen Mittelachse 16 und sind in dieser Achse 1 6 relativ zueinander verschiebbar. Der Übersichtlichkeit halber sind die Antriebe zur Ermöglichung dieser Verschiebbarkeit nicht dargestellt. Die Entnahmevorrichtung 3 weist an ihrer Oberseite 21 mehrere Zuleitungen 22 zum Zuführen von Wasser auf. Der in der Entnahmevorrichtung 3 gebildete Dampf wird über die

Dampfleitung 23 aus der Entnahmevorrichtung 3 entnommen. Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf den erfindungsgemäßen Wärmespeicher. Das zur Erzeugung von Dampf durch Zuleitung 22 zugeführte Wasser mündet zunächst in ringförmigen Verteilern 24 aus denen es in senkrecht orientierte Rohre 10 geleitet wird. Der in der Entnahmevorrichtung 3 erzeugte Dampf wird dann durch die Dampfleitung 23 entnommen. Der Wärmespeicherblock 2 wird mittels vier Heizelementen 6 erwärmt, die gleichverteilt in den Eckbereichen des Speicherblocks 2 angeordnet sind.

Der detailliertere Aufbau des Wärmespeicherblocks 2 und der

Entnahmevorrichtung 3 lässt sich dem vertikalen Schnitt durch den

erfindungsgemäßen Wärmespeicher unter Last gemäß Schnittlinie A-A der Figur 3 entnehmen. Das durch die Zuleitungen 22 der Entnahmevorrichtung 3 zugeleitete Wasser wird von den Ringverteilern 24 durch Rohre 1 0 zunächst senkrecht in einen Block 1 1 eines Materials 1 2 geleitet, in dem die Rohre 10 eingebettet sind, und so einen Tauscherkopf 25 bilden. Dort folgt die Leitung 10 im Vertikalschnitt in etwa der Au ßenkontur 26 des Tauscherkopfes 25, um dann senkrecht nach oben steigend in einem Dampfraum 27 zu münden. Zwischen dem Gehäuse 1 5 der Entnahmevorrichtung 3 und dem

Tauscherkopf 25 ist ein Isolator 28 angeordnet, der Wärmeverluste zur Umgebung des Wärmespeichers verringert.

In Figur 4 ist ein Vertikalschnitt dargestellt, der den Wärmespeicher 1 diagonal schneidet , so dass auch die im Wärmespeicherblock 2 vorgesehenen Heizpatronen bzw. Heizelemente 6 sichtbar sind. Die Aufheizfunktion des Heizelementes 6 kann auch von einem hindurchgeleiteten Fluid 5

übernommen werden, das die entsprechende Temperatur aufweist. Auch der Speicherblock 2 ist von einem guten thermischen Isolator 28 im Gehäuse 1 5 umgeben, so dass auch ein unkontrollierter Wärmeverlust aus

Wärmespeicherblock 2 vermieden wird. Die Gehäuse 15 von

Entnahmevorrichtung 3 und Wärmespeicherblock 2 umhüllen sich teilweise. Wie den Figuren 3 und 4 zu entnehmen ist, sind sie ineinander teleskopartig zueinander verschiebbar. Dadurch lässt sich der Abstand 17 zwischen Wärmespeicherblock 2 und Entnahmevorrichtung 3 verändern. Zur

Veränderung sind geeignete Antriebe vorgesehen, die der Fachmann beispielsweise als Kolbenzylindereinheiten oder Spindel-Muttertriebe, die miteinander synchronisiert sind, ausbilden kann.

Aus dem Dampfraum 27 wird der erzeugte Dampf mittels einer Sammelglocke 30 entnommen und über Dampfleitung 23 beispielsweise zur Erzeugung elektrischer Energie einer Turbine zugeleitet.

Das Material 1 3 des Wärmespeicherblocks 2 ist vorzugsweise eine dichte hochtemperaturfeste Masse, die entsprechend viel Wärmeenergie

aufzunehmen geeignet ist. Das Material 1 2 der Entnahmevorrichtung 3 kann aus dem gleichen Material bestehen, so dass beide Materialien ein ähnliches Ausdehnungsverhalten aufweisen. Die äu ßere Kontur des Tauscherkopfes 25 ist glockenförmig konvex gestaltet und taucht in eine entsprechend

negativgeformte Mulde des Materials 1 3 des Wärmespeicherblocks 2 ein. Der Wärmeübergang zwischen Wärmespeicherblock 2 und der

Entnahmevorrichtung 3 beruht zunächst im Wesentlichen auf

Wärmestrahlung. Er kann aber auch auf Konvektion beruhen, wenn der Zwischenraum zwischen Entnahmevorrichtung 3 und dem

Wärmespeicherblock 2 von einem Fluid, vorzugsweise einem flüssigen Metall ausgefüllt wird. In Figur 3 ist in Form durch Schwärzung ein solches flüssiges Medium 31 dargestellt. Der obere Spiegel des Mediums 31 befindet sich unterhalb der Oberkante der Mulde 1 8. Die Darstellungen der Figuren 3 und 4 zeigen somit den Zustand, bei dem aus Wärmespeicherblock 2 Wärme über den Tauscherkopf 25 entnommen wird. D.h., dass der Tauscherkopf 3 mit dem Wärmespeicherblock 2 thermisch gekoppelt ist.

Den ausgekoppelten Zustand, bei dem keine nennenswerte Wärme aus dem Wärmespeicherblock 2 entnommen wird, ist in den Figuren 6 und 5

dargestellt. Die Figur 6 zeigt einen Vertikalschnitt, wie zuvor schon in Figur 3 dargestellt, jedoch mit einem erheblich höheren Abstand 17 der

Entnahmeeinheit 3 vom Wärmespeicherblock 2. In dieser Darstellung ist das konvexe Profil des Blocks 1 1 der Entnahmevorrichtung 3 und die Bereich 14 entsprechend konkav ausgebildete Mulde 18 des Speicherblocks 13.

Hatte das flüssige Medium 31 in Figur 3 noch fast den gesamten

Zwischenraum zwischen dem Material 12 der Entnahmevorrichtung 3 und dem Material 13 des Wärmespeichers 2 eingenommen, so ist dieses Medium 31 in Figur 6 im unteren Teil der Mulde 18 gesammelt. Ein Schott 32 bildet den oberen Abschluss der Mulde 18. Da der Tauscherkopf 25 durch das Schott 32 völlig von dem Wärmespeicher 2 getrennt ist, findet auch keine Wärmeübertragung zwischen Speicherblock 2 und der Entnahmevorrichtung 3 statt.

Bezugsziffernliste

1 Wärmespeicher

2 Wärmespeicherblock

3 Entnahmevorrichtung

4 Wärmetauscherfläche

5 Fluid

6 Heizelement

7 Verdampferfläche

8 Wärmeträgerfluid

9 Innenfläche vom Rohr

10 Rohr

1 1 Block

12 Material

13 Material

14 Bereich

15 Gehäuse

16 Achse

7 Abstand

18 Mulde

19 Fluid

20

21 Oberseite

22 Zuleitungen

23 Dampfleitung

24 Verteiler

25 Tauscherkopf

26 Außenkontur

27 Dampfraum

28 Isolator

29 Abstand

30 Sammelglocke 31

32 Schott

Claims

Patentansprüche

1 . Wärmespeicher (1 ) zur Speicherung von Wärmenergie in mindestens einem Wärmespeicherblock (2) und mindestens einer

Entnahmevorrichtung (3) zur Entnahme von gespeicherter

Wärmeenergie, dadurch gekennzeichnet, dass der

Wärmespeicherblock (2) und die Entnahmevorrichtung (3) getrennt und relativ zu einander verschiebbar ausgebildet sind.

2. Wärmespeicher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im

Wärmespeicherblock (2) mindestens eine Wärmetauscherfläche (4) für eine Wärmeübertragung von einem Fluid (5) oder einem elektrischen Heizelement (6) in den Wärmespeicherblock (2) vorgesehen ist.

3. Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entnahme von Wärmeenergie aus dem Wärmespeicherblock (2) die Entnahmevorrichtung (3) mindestens eine Verdampferfläche (7) aufweist, zur Erzeugung eines Phasenwechsels in einem

Wärmeträgerfluid (8) oder zur weiteren Überhitzung eines Fluids, das bereits den Punkt des Phasenwechsels überschritten hat.

4. Wärmespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die

Verdampferfläche (7) vorzugsweise durch die Innenfläche (9) von mindestens einem Rohr (10) gebildet ist, das vorzugsweise in einem Block (1 1 ) eingebettet ist, dessen Material (12) insbesondere dem

Material (13) des Wärmespeicherblocks (2) entspricht.

5. Wärmespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicherblock (2) die Entnahmevorrichtung (3) mindestens teilweise umhüllend ausgebildet ist.

6. Wärmespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicherblock (2) in Bereichen (14) konkav und die Entnahmevorrichtung (3) mindestens teilweise konvex umhüllend ausgebildet ist.

7. Wärmespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicherblock (2) und die Entnahmevorrichtung (3) in einem gemeinsamen Gehäuse (15) angeordnet sind, das vorzugsweise einen Unterdruck aufweist.

8. Wärmespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicherblock (2) und die Entnahmevorrichtung (3) in einer gemeinsamen,

vorzugsweise vertikalen Achse (16) angeordnet ist, wobei der Abstand (17) von Wärmespeicherblock (2) und die Entnahmevorrichtung (3) motorisch veränderbar ausgebildet ist und vorzugsweise das Gewicht des bewegten Teils von Wärmespeicherblock (2) oder der

Entnahmevorrichtung (3) mindestens teilweise kompensiert ausgebildet ist.

9. Wärmespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer vom

Wärmespeicherblock (2) gebildeten Mulde (18) eine Menge eines wärmeleitenden Fluids (19) vorgesehen ist.

10. Verfahren zum Steuern oder Regeln einer Entnahmeleistung aus

einem Wärmespeicher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand von

Wärmespeicherblock und Entnahmevorrichtung verändert wird.

1 1 . Verwendung eines Wärmespeichers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, zu Heizzwecken in Gebäuden.