EP3380773A1 - Speichereinrichtung und verfahren zur isobaren speicherung eines speicherfluids - Google Patents

Speichereinrichtung und verfahren zur isobaren speicherung eines speicherfluids

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EP3380773A1
EP3380773A1 EP16797471.6A EP16797471A EP3380773A1 EP 3380773 A1 EP3380773 A1 EP 3380773A1 EP 16797471 A EP16797471 A EP 16797471A EP 3380773 A1 EP3380773 A1 EP 3380773A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cushion
storage
phase change
gas
change material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16797471.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marcus BUDT
Lucian-George HANU
Tobias KAPPELS
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.)
Ruhr Universitaet Bochum
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Ruhr Universitaet Bochum
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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 Ruhr Universitaet Bochum, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Ruhr Universitaet Bochum
Publication of EP3380773A1 publication Critical patent/EP3380773A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C1/00—Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2201/00—Vessel construction, in particular geometry, arrangement or size
    • F17C2201/01—Shape
    • F17C2201/0176—Shape variable
    • F17C2201/018—Shape variable with bladders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2221/00—Handled fluid, in particular type of fluid
    • F17C2221/03—Mixtures
    • F17C2221/031—Air

Definitions

  • the invention relates to a storage device with at least one
  • Storage container for isobaric storage of a storage fluid with a cushion and / or a cushion element Furthermore, the invention relates to such a pillow and such a cushion element. In addition, the invention relates to a method for producing said memory device.
  • the known memory devices are used, for example, as
  • Compressed air storage in an industrial compressed air network or as energy storage for storing energy in the form of high pressure air In simple storage devices, the pressure with which the storage fluid is stored in the storage device decreases as the storage fluid is removed from the storage device. Corresponding storage devices in this case have storage containers that provide only the storage volume for storing the storage fluid. If the use of the stored storage fluid to be at a certain pressure level, either only a small part of the stored storage fluid can be used or the storage fluid must be kept at a much higher pressure level in the storage tank to the desired amount of storage fluid with the desired pressure of the
  • the pressure level is determined by the vapor pressure of the condensable gas, which is dependent on the respective temperature.
  • Storage fluids is the influence of temperature on the pressure level of the
  • storage tanks must be able to receive the storage fluid and the condensable gas separately from each other, such that a medium can compensate for the change in volume of the other medium. It must therefore be provided in the storage container, a kind of piston or a flexible partition that allow very large volume shifts between the media. Therefore, the present invention is based on the object
  • Storage fluids can be stored isobar more easily and cost-effectively in a reliable manner.
  • a pillow for isobaric storage of a storage fluid in a storage container wherein the pad has a closed and at least partially flexible shell, wherein in the shell at least one between -200 ° C and 200 ° C and between 0 bar and 300 bar condensing cushion gas is provided and wherein in the shell at least one present at least partially in solid phase, between -200 ° C and 200 ° C and between 0 bar and 300 bar melting phase change material (PCM phase change material) is provided.
  • PCM phase change material melting phase change material
  • the object underlying the invention in a storage device is achieved in that at least one cushion according to one of claims 1 to 10 and / or that at least one cushion element according to one of claims 11 to 13 is provided in the storage container .
  • the object of the invention mentioned at the outset is also achieved according to claim 17 by a method for producing a memory device, preferably according to one of claims 14 to 16, for isobaric storage of a storage fluid, in which at least one cushion according to one of claims 1 to 10 and / or at least one cushion element according to any one of claims 11 to 13 are introduced into at least one storage container.
  • the invention has recognized that a high temperature stability in a particularly simple and expedient manner by the use of a
  • Phase change material can be achieved, which is held together with the condensable gas, the so-called cushion gas, in a cushion comprising an at least partially flexible sheath.
  • the compound or the plurality of compounds is considered, at least in an operating state of the
  • the cushion gas is not limited to a substance that actually exists as a gas.
  • the term cushion gas is appropriate because the at least one compound of the cushion gas is in gaseous form under ordinary ambient conditions, for example at 1 bar and 20 ° C. Corresponding compounds are commonly referred to as gas.
  • the term "cushion gas” will be used hereinafter to express it explicitly or through the context where necessary, whether from the condensed, ie, liquid, portion of the cushion gas or gaseous Pillow gas is the speech.
  • the cushion gas When storage fluid is pumped into the storage container of the storage device, the cushion gas partially condenses to that for receiving the storage fluid release required volumes. In this process, heat of condensation is released, which leads to an increase in temperature, in particular of the cushion gas, unless this heat can be dissipated.
  • the partially condensed cushion gas vaporizes to fill the volume released.
  • Phase change material added during loading of the storage container and discharged when removing storage fluid from the storage tank again as heat of evaporation of the cushion gas.
  • the phase change material ultimately serves as a heat storage, wherein the heat is stored by partial phase change of the phase change material.
  • heat is absorbed during the melting of the phase change material and stored until the energy is released again during solidification.
  • the melting and solidification takes place at at least almost constant temperature, so that the heat absorption and heat dissipation do not lead to a temperature shift.
  • Another advantage of using the phase change material is that the melting temperature or the solidification temperature is significantly less pressure-dependent than the boiling temperature of the cushion gas.
  • the pressure level can be above or below a reference pressure, for example in a plant, such as a
  • Ambient pressure of 1 bar lie. It is thus possible to store the storage fluid under overpressure or underpressure. Therefore, storage fluid is either forced into the storage tank or sucked into the storage tank. Because in both cases The pressure of the storage container remains at least substantially constant, so if necessary, a vacuum can be maintained or stored.
  • Vacuum is then required both outside and inside the
  • Phase Change Materials are basically known from other applications. It is for the application of sufficiently stable materials with a fairly high phase change enthalpy for the phase change from solid to liquid and back, the melting temperature in the temperature level of industrial processes. If the pillow gas and that
  • Phase change material are coordinated so that they have a similar, if not the same, boiling temperature or melting temperature at the intended pressure level of the storage container, the
  • Phase change of the phase change material and the phase change of the cushion gas to ensure an isobaric storage of storage fluid at a constant temperature. Since the storage of storage fluid is typically provided in a temperature interval between -200 ° C and 200 ° C and in a pressure interval between 0 bar and 300 bar, the cushion gas and the phase change material in this temperature and pressure range should make a simple phase change.
  • the temperature and thus the pressure in the storage container is determined in particular by the melting temperature or phase change temperature of the phase change material.
  • the cushion gas will have an identical or preferably at least very similar temperature, which determines the vapor pressure of the gaseous portion of the cushion gas and thus the pressure of the storage fluid.
  • At least substantially isobaric storage of storage fluid is considered to be an isobaric storage of storage fluid.
  • Storage fluids are not excluded, which lead to a change in the pressure in the storage tank.
  • it is not critical that the pressure in the at least one storage container when filling and emptying is exactly constant, but rather remains at about a pressure level.
  • the invention has further recognized that it leads to a constructive simplification of the storage device when the condensed cushion gas and the
  • PCM Phase change material
  • Phase change material can be replaced. This can be done indirectly if the cushion gas is neither condensed nor gaseous in direct
  • Phase change material and the cushion gas are in direct contact with each other, which accelerates the heat transfer.
  • a good heat transfer between the cushion gas and the phase change material ensures that the temperature of the cushion gas during filling or emptying does not change or in any case only slightly. Against this background, it may be appropriate if the
  • Phase change material is at least partially surrounded by the cushion gas.
  • Storage tank can be placed in this. This is advantageous for storage containers to be manufactured, but in particular also for the retrofitting of existing and optionally operated storage containers for isobaric purposes
  • Corresponding cushions can be used easily and inexpensively in both cases. It is only necessary to bring the pillows in the appropriate storage container. An anchor in it or one Connection with certain facilities of the storage container is unnecessary. In this case, if necessary, only a pad can be introduced into a storage container, wherein the pad then preferably has such a size to allow a sufficient volume displacement between the pad gas and the storage fluid. Alternatively, however, it is also possible to introduce a plurality of cushions, in particular a plurality of cushions, into a storage container. The use of many pillows is particularly suitable for larger storage containers. This is especially true when retrofitting storage containers, since the openings available for the introduction of the cushions typically have a limited cross-section. For this come about inspection openings, such as
  • the at least partially flexible shell of the pad ensures that the pillow can take on different volumes, depending on the filling state and
  • the casing Since the pressure of the storage fluid stored in the storage container typically corresponds to the internal pressure of the pad or the pressure of the pad gas, the casing only has to be partially flexible. An elastic shell in the sense of an expanding and contracting balloon is not required. However, some resilience of at least portions of the material of the sheath may be useful to provide durable sheaths whose material, for example, is not prone to cracking. The elasticity of the shell should therefore primarily ensure that the shell can easily deform as a result of the volume change of the cushion gas. However, the change in volume does not have to be provided by the elasticity, ie by the expansion or contraction of the material of the casing.
  • Storage container can be inserted, the pillow under a considerable internal overpressure.
  • a cushion surrounding, dimensionally stable and gas-permeable outer skeleton can be provided in a pad element next to the pad.
  • the gas permeability of the outer skeleton ensures that in the operating condition the pressure of the
  • Storage fluid acts on the shell of the pad. Furthermore, the skeleton is tuned to the cushion received therein so that the cushion at least for a certain temperature at a certain pressure, especially at
  • the pad, the pad member, the memory device, and the method of manufacturing a memory device will be described in common without specifically distinguishing between the respective device and / or the method. This achieves better comprehensibility and avoids unnecessary repetitions.
  • the respective context which features are preferred in each case with respect to the respective device or the method.
  • the pad at least one above -40 ° C., preferably above 0 ° C., in particular above 10 ° C. and / or below 120 ° C., preferably below 50 ° C.,
  • cushion gas and / or phase change material may be the sole and / or an additional cushion gas and / or phase change material. It also lends itself to the use of the cushion, if the aforementioned temperature ranges also apply to the cushion gas and the phase change material.
  • phase change material should preferably be about the same
  • the condensation the at least one cushion gas and / or the melting of the at least one phase change material may furthermore preferably be at a pressure level above 1 bar, preferably above 2 bar, and / or below 80 bar,
  • phase change temperatures between 0 ° C and 50 ° C, in particular between 10 ° C and 50 ° C would be sufficient, in this
  • Phase change material consists. Against this background, depending on
  • the phase change may preferably be carried out in a pressure range below 1 bar.
  • the pressure data are understood in the present case as absolute pressures, unless stated otherwise.
  • the storage device can be used as a vacuum storage. It can therefore be provided for, in particular industrial processes, a vacuum of a corresponding pressure level. At pressures above 1 bar, however, in particular a pressure storage using the storage device comes into consideration.
  • pressures for the phase change of the at least one cushion gas and / or at least one phase change material of more than 2 bar are particularly suitable. For example, for applications such as natural gas storage,
  • Hydrogen storage, pressure compensation in compressed air networks, pumped storage or compressed air energy storage a pressure upper limit for the phase change of 80 bar often sufficient. If compressed air energy storage is of lesser importance, an upper pressure limit of 40 bar may be sufficient. In particular, for general compressed air networks, these are, if necessary, only 20 bar.
  • pressure ranges for the phase change of the at least one cushion gas and / or phase change material arise, for example, 1 bar to 300 bar, 2 bar to 300 bar, 2 bar to 80 bar, 2 bar to 40 bar or 2 bar to 20 bar.
  • the phase change material (PCM - Phase Change Material) is at least partially in the form of a plurality of particles. In this way, a large surface of the phase change material is provided, which is the
  • Heat exchange of the phase change material with the cushion gas in gaseous and / or condensed form favors.
  • a larger heat transfer surface ultimately improves the heat transfer.
  • the particles of the phase change material are at least partially in the condensate of the cushion gas, wherein the particles of the phase change material can, if necessary, float in the condensate. Due to the higher specific heat capacity of the
  • phase change material Particle sizes between 0.1 ⁇ and 50 mm exposed. Particle sizes between 1 ⁇ and 20 ⁇ or between 1 mm and 10 mm are particularly preferred. Smaller particle sizes lend themselves to smaller pads and allow better heat transfer, while larger particle sizes are suitable and easier to handle for larger pads where heat transfer is less critical.
  • the phase change material In order for the phase change material to be able to reversibly change the phase reversibly without problems, ie to melt repeatedly without lumping and to solidify again, it makes sense if the particles of the phase change material are encapsulated. In this case, the capsule of the particles remains basically intact, while the phase change material in the capsule melts at least partially, depending on the heat absorption or heat release and solidifies again. In the manner described above, for example also ensures that the memory device can go through many cycles without the functionality of the memory device decreases.
  • At least one plastic, at least one polymer, at least one metal, at least one melamine resin, at least one is suitable for forming the capsules for accommodating the phase change material (PCM)
  • PCM phase change material
  • phase change material is particularly dependent on the chemical properties of the material of the capsules with respect to the cushion gas and the phase change material and the size of the particles of the phase change material.
  • Phase change material is formed by a paraffin, a salt hydrate, a salt mixture, a sugar alcohol, a fatty alcohol, a fatty acid or a polyethylene glycol. Which phase change material is particularly suitable is likely
  • phase change material in particular be dependent on the temperature of the phase change, ie, the melting temperature of the phase change material. This should match as well as possible with the phase change temperature of the cushion gas, which is provided together with the phase change material in the sheath of the pad.
  • paraffins for example, octadecane, heptadecane, nonadecane, eicosane, docosane, or as salt hydrates, and CaCl 2 6H 2 0, Na 2 S0 4 -10H 2 0, Na 2 HP0 4 -12H 2 0, Na 2 S 2 0 3 5H 2 0 or NaCH 3 COO-3H 2 0 in question.
  • the shell is at least partially formed from a plastic which may be reinforced.
  • a plastic which may be reinforced.
  • at least one fabric and / or the reinforcement by fibers comes into question as reinforcements.
  • the sheath can therefore also in particular at least partially by a composite material comprising plastic in the sense of a composite material be given.
  • Corresponding woven and / or fiber-reinforced plastics have the advantage that they withstand an increased internal overpressure of the sheath, without any risk of bursting of the sheath. The pads thus remain intact even when the back pressure normally applied by the stored storage fluid should be removed from the sleeve.
  • the plastic to form the shell at least partially of nitrile rubber (NBR), hydrogenated acrylonitrile-butadiene rubber (HNBR), ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), polyethylene (PE),
  • NBR nitrile rubber
  • HNBR hydrogenated acrylonitrile-butadiene rubber
  • EPDM ethylene-propylene-diene rubber
  • PE polyethylene
  • Polyvinyl chloride (PVC) and / or butyl rubber may be formed. These materials provide sufficient strength and rigidity and are also sufficiently resilient to avoid breakage of the shell due to deformation. Which plastic is particularly suitable, lies in particular on the
  • the intended temperature level of the storage container can influence the choice of the plastic.
  • Storage tank should be large enough to compensate for a large volume change of the storage fluid can.
  • the maximum volume of the at least one cushion should be small enough to allow the cushions to be handled easily, in particular to easily enter the at least one cushion
  • the maximum volume of the pad is between 0.1 dm 3 and 5000 dm 3 , preferably between 0.1 dm 3 and 1000 dm 3 , in particular between 0.1 dm 3 and 100 dm 3 , in particular between 0.1 dm 3 and 1 dm 3 , is.
  • Large volumes can be used, for example, for applications in large storage containers, such as the
  • Compressed air storage on.
  • a cushion gas comes according to the intended temperature levels and pressure levels of the storage container of the storage device due to the respective boiling points a hydrocarbon, in particular propane, isobutane or cyclopropane, at least one halogenated hydrocarbon, especially tetrafluoroethane, pentafluoroethane, heptafluoropropane or hexafluoropropene, dimethyl ether, ammonia, carbon dioxide and / or nitrous oxide in question.
  • halogenated hydrocarbon especially tetrafluoroethane, pentafluoroethane, heptafluoropropane or hexafluoropropene, dimethyl ether, ammonia, carbon dioxide and / or nitrous oxide in question.
  • These cushion gases are also preferred because of their chemical properties to different with
  • the at least one cushion can be handled separately.
  • the pillow is therefore not fixed, for example, connected to the storage container or other facilities of the storage device.
  • the pillow can therefore be free in the
  • the cushions can therefore be produced outside the storage container and then only have to be introduced into the storage container.
  • the pillows can be hermetically sealed in themselves and the
  • Phase change material and the cushion gas so the condensable gas in a predetermined amount and / or in a predetermined ratio.
  • a connection of pillows with each other is conceivable, but generally less preferred. It is particularly simple if the at least one cushion of the storage device and the at least one storage container of the
  • Storage device not, at least not fixed to each other.
  • the at least one cushion is spherical, lenticular or elongated.
  • the pillows can be easily inserted into the storage container and can the pillows additionally exercise their function in the storage containers in a preferred manner.
  • the cushions then hinder little, for example, even if the volume of the cushions are cyclically larger and smaller again. Hooking or pinching individual pillows is then less likely.
  • the cushion element it is particularly preferred if the skeleton of the cushion element that the cushion
  • skeleton encloses, is formed of metal and / or plastic. It may be preferred for the sake of simplicity, when the skeleton is formed by wires and / or is formed in the form of a grid and / or in the form of a honeycomb structure. In this way, very stable skeletons can be provided, which consume little material and have only a low weight at the same time.
  • the cushion elements it is preferable for the reasons already stated above with respect to the cushion if the entire cushion element can be handled separately. The same applies to a spherical, lenticular or elongate shape of the at least one cushion element as such.
  • the isobaric storage reservoir In order to ensure that storage of the storage fluid occurs at the desired temperature, even if the ambient temperature deviates from this temperature, or if the ambient temperature is subject to variations, it is appropriate for the isobaric storage reservoir to be stored
  • Storage fluid is thermally insulated. It may further be preferred if a corresponding control device is provided which ensures the regulation of the desired setpoint temperature of the storage fluid in the storage container.
  • the storage fluid can basically be a gas or a liquid.
  • compressed air is particularly preferred, especially if the storage device is part of a compressed air network, a pneumatic system, such as a brake system, or an energy storage.
  • a compressed air network should be compressed air typically provided at a certain pressure level.
  • Compressed air is used for various industrial processes as working gas or process gas.
  • compressed air can also be used only for the storage of, in particular electrical, energy in the form of compressed air, wherein initially energy is used to compress the storage fluid. At a later time, for example, electrical energy can then be provided by relaxing the stored storage fluid. Since the storage fluid here only acts as a working fluid for storing the energy is used as storage fluid of the
  • the storage fluid may also be a so-called useful gas which is to be reactively reacted in a specific process.
  • the useful gas must be in the storage device
  • the useful gas can be introduced, for example, as a raw material in a reactor.
  • the useful gas may also be so-called fuel gases such as natural gas or hydrogen, which in a
  • Burning chamber can be burned to generate heat energy in this way.
  • the storage fluid When storing storage fluids in the form of liquids, in particular, the use as an energy storage offers. Rather than pumping the storage liquid, which may be water for convenience, into a higher reservoir, for example, to subsequently recover the potential energy, as is the case, for example, in pumped storage power plants, the storage fluid may also become isobaric under elevated pressure a storage container to be pressed. Even then, under relaxation of the storage fluid, the energy applied for the storage of the storage fluid energy at least partially be recovered. Another application is, for example, the
  • Storage container vorzugswiese closed after introduction of the at least one pad and / or cushion element and then at least partially filled with at least one storage fluid.
  • So storage fluid can be provided at a certain pressure level.
  • Fig. 1A-C an inventive pillow for isobaric storage of a
  • FIG. 2 shows a first memory device according to the invention for the isobaric
  • Fig. 3 shows a second memory device according to the invention in one
  • FIG. 4 shows a third memory device according to the invention for isobaric
  • Sectional view Fig. 5 shows a material for forming a shell of a pad according to the invention for the isobaric storage of a storage fluid in a schematic
  • Fig. 6 shows an inventive cushion element in a schematic
  • FIG. 7 the cushion of the cushion member of FIG. 6 in a schematic
  • FIG. 1 shows a cushion 1 for the isobaric storage of a storage fluid 2 in a vertical section.
  • the pad 1 comprises a shell 3 in which a cushion gas 4 and a phase change material (PCM) 5 are included.
  • the cushion gas 4 is partly in the gas phase 6 and partly as condensate 7 in the liquid phase.
  • the phase change material 5 In or on the condensate 7 of the cushion gas 4 floats the phase change material 5, which thus stands in direct contact with the cushion gas 4 and with the condensate 7 of the cushion gas 4.
  • the phase change material 5 is in the form of a plurality of particles 8 which provide a large heat transfer area to the cushion gas 4.
  • the particles 8 have in the illustrated and so far preferred cushion 1 an outer capsule 9, in which the actual
  • Phase change material 5 is included.
  • the particles 8 are present as the
  • Phase change material 5 considered, even if actually only the material contained in the capsules 9 undergoes a phase change during operation. However, if the distinction between the phase-changing material and the capsules 9 of the particles 8 forming material is of importance in the present case, but also a more precise distinction in capsule material and phase change material. 5
  • the pressure within the shell 3 and the temperature of the cushion gas 4 are in a direct relationship. Namely, the inner pressure of the shell 3 corresponds to the vapor pressure of the cushion gas 4 at the temperature prevailing inside the shell 3. It is condensed according to FIG. 1A, only a minor part of the cushion gas 4. Therefore, the pad 1 occupies a majority of its maximum volume. The maximum volume of the pad 1 and the shell 3 is not achieved only because the pad 1 in a not shown
  • Storage tank is provided and there the pressure of the stored in the storage container and the cushion 1 surrounding storage fluid 2 is exposed.
  • the inner pressure of the shell 3 and the external pressure are identical. Therefore, the pad 1 and the storage fluid 2 divide the volume of the storage container. The more storage fluid 2 is pressed into the storage container, the smaller the volume of the cushion 1.
  • the maximum volume of the cushion 1 shown in Fig. 1A is reached when the external pressure has dropped so far or the storage container has been emptied so far in that the cushion 1 or its shell 3 takes the form of a sphere. Since the shell 3 of the cushion 1 shown in Fig.
  • the shell 3 of the cushion 1 shown in FIG. 1 is formed from a uniform material 10.
  • the material 10 is a reinforced by a fabric or fibers plastic. It would also be an unreinforced plastic in question, if the risk of bursting of the shell 3 due to an internal overpressure can be accepted.
  • FIG. 1B the shell 3 or the cushion 1 is present in a shape which has collapsed somewhat more in comparison with the illustration according to FIG. 1A. A larger proportion of the condensable cushion gas 4 is condensed, so that the shell 3 occupies less volume overall.
  • Phase change material 5 is stored. Ultimately, so will the
  • Phase change material 5 stored. This process is reversible, taking into account a practically unavoidable dissipation during heat transport, so that the heat of fusion from the solidifying phase change material 5 as
  • Heat of evaporation is added to increase the volume of the pad 1 again.
  • the pad 1 is shown in a state in which only a small part of the gas cushion 4 is present in the gas phase 6.
  • the at least one pad 1 should in this case be adapted to the process of storing storage fluid 2, that at maximum filling of the at least one storage container one
  • FIG. 2 shows a storage device 11 with a storage container 12 in a vertical section.
  • the storage container 12 has on the head side a valve 13 in a connecting line 14, can be pressed over the storage fluid 2 in the storage container 12 and discharged from the storage container 12 again. If the valve 13 is closed, remains in the illustrated and so far preferred
  • the storage fluid 2 in the storage tank 12 is a gas, in particular compressed air, on a
  • a pad 1 In the storage container 12 is in this embodiment of the memory device 11, only a pad 1.
  • the pad 1 is filled with a cushion gas 4 in the form of 1,1,1,2-tetrafluoroethane (R134a), the partially gaseous in the gas phase 6 and partially is present as condensate 7. Furthermore, the pad 1 still contains phase change material 5 in the form of a paraffin, which is received in a plurality of encapsulated particles 8.
  • the paraffin has a melting temperature of 26 ° C.
  • the sheath 3 of the pad 1 is formed of a nitrile rubber (NBR).
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of a memory device 11, which essentially differs from the memory device 11 according to FIG. 2 only in that a multiplicity of pads 1 in the one
  • Storage tank 12 is provided.
  • the corresponding storage container 12 is, in particular, a storage container 12 retrofitted for isobaric storage of a storage fluid 2.
  • the retrofitting is carried out in such a manner that the cushions 1 have been loosely introduced into the storage container 12. This can be done for example via a manhole, not shown, or via another flange connection, for example for connection of the valve 13 or the connecting line 14.
  • FIG. 4 shows a memory device 15, which is a modification of the memory device 11 according to FIG. 3.
  • the storage container 16 has an outer thermal insulation 17 made of a known thermal insulation material. The insulation 17 is used to keep the temperature in the storage tank 16 at a certain temperature level and / or to limit the heat exchange with the environment.
  • a material 10 for forming a shell 3 of a pillow 1 of the type mentioned is shown schematically.
  • the material 10 is a composite material made of a plastic and with the plastic welded or embedded in the plastic webs 20.
  • the fabric webs 20 serve to reinforce the material 10.
  • the fabric webs 20 are superimposed lattice-like or crosswise, although Other configurations may be useful.
  • the cushion 1 accordingly allows a greater internal overpressure, without causing lasting damage to the shell 3.
  • a fiber-reinforced plastic as the material 10 of the sheath 3 or to completely dispense with reinforcement.
  • Plastic of the material 10 shown in FIG. 5 is a nitrile rubber (NBR). However, other plastics are also conceivable.
  • NBR nitrile rubber
  • FIG. 6 shows a cushion element 21 comprising a cushion 1 of the type mentioned and an outer skeleton 22 surrounding the cushion 1.
  • the skeleton 22 is permeable to gas and formed by wires 23 which are interconnected in the form of a grid structure. Other skeletons, however, can be used.
  • the skeleton 22 encloses a volume that corresponds at most to the maximum volume of the pad 1, preferably slightly smaller than the maximum volume of the pad 1.
  • the pad 1 can thus be at a correspondingly low external pressure, for example, an external pressure of 1 bar, from the inside of the skeleton 22, so that the skeleton 22, the cushion 1 and the shell 3 is supported to prevent damage to the shell 3 due to the internal pressure.
  • a pad 1 is shown. It can be a pillow 1 of a
  • cushion element 21 act.
  • the pad 1 may, if necessary, without outer skeleton 22nd be used.
  • the pad 1 has a valve 24 for filling the pad 1 with pad gas 4.
  • the phase change material 5 can be introduced, if necessary, before closing the shell 3. It is particularly simple and expedient to produce the shell 3 by means of extrusion and while the
  • Phase change material 5 in the shell 3 introduce.
  • a cushion gas 4 optionally gaseous and / or liquid, can subsequently be introduced into the shell 3.
  • the gas present in the cushion 1 may be previously completely or partially removed. Then the cushion 1 can be used particularly effectively.
  • the pad 1 it is fundamentally harmless for the basic function of the pad 1 if, in addition to the phase change material 5 and the pad gas 4, another gas, for example air, is located in the pad 1. It may also be necessary if necessary to provide a liquid which can stabilize the phase change material 5. The liquid and the particulate phase change material may then be present together in the form of a suspension or slurry.
  • another gas for example air

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Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein Kissen (1) zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids (2) in einem Speicherbehälter (12,16), mit einer geschlossenen und wenigstens teilweise flexibel ausgebildeten Hülle (3), wobei in der Hülle (3) wenigstens ein zwischen -200°C und 200°C sowie zwischen 0 bar und 300 bar kondensierendes Kissengas (4) vorgesehen ist und wobei in der Hülle (3) wenigstens ein wenigstens teilweise in fester Phase vorliegendes, zwischen -200°C und 200°C sowie zwischen 0 bar und 300 bar schmelzendes Phasenwechselmaterial (PCM - Phase Change Material) (5) vorgesehen ist.

Description

Speichereinrichtung und Verfahren zur isobaren Speicherung eines
Speicherfluids
Die Erfindung betrifft eine Speichereinrichtung mit wenigstens einem
Speicherbehälter zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids mit einem Kissen und/oder einem Kissenelement. Ferner betrifft die Erfindung ein solches Kissen sowie ein solches Kissenelement. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der genannten Speichereinrichtung.
Die bekannten Speichereinrichtungen finden beispielsweise Anwendung als
Druckluftspeicher in einem industriellen Druckluftnetz oder als Energiespeicher zur Speicherung von Energie in Form von unter hohem Druck stehender Luft. Bei einfach ausgebildeten Speichereinrichtungen sinkt der Druck, mit dem das Speicherfluid in der Speichereinrichtung gespeichert ist in dem Maße, wie das Speicherfluid aus der Speichereinrichtung entnommen wird. Entsprechende Speichereinrichtungen weisen dabei Speicherbehälter auf, die lediglich das Speichervolumen zur Speicherung des Speicherfluids bereitstellen. Sofern die Nutzung des gespeicherten Speicherfluids auf einem bestimmten Druckniveau erfolgen soll, kann entweder nur ein geringer Teil des gespeicherten Speicherfluids genutzt werden oder es muss das Speicherfluid auf einem sehr viel höheren Druckniveau im Speicherbehälter bereitgehalten werden, um die gewünschte Menge an Speicherfluid mit dem gewünschten Druck der
Speichereinrichtung entnehmen zu können.
Diese Umstände sind insbesondere deshalb von technischer Bedeutung, weil die Speicherbehälter zur Speicherung von Speichermedien unter sehr hohem Druck aus technischen, genehmigungsrechtlichen oder Platzgründen nicht ohne Weiteres in beliebiger Größe bereitgestellt werden können. Um diesen Nachteil zu beheben, sind bereits verschiedene Speichereinrichtungen vorgeschlagen worden, die zur isobaren Speichereinrichtungen weisen Speicherbehälter auf, deren Volumen in wenigstens zwei Teilvolumen unterteilt ist, wobei in einem Teilvolumen das Speicherfluid gespeichert wird, während in einem anderen Teilvolumen ein teilweise kondensiertes Gas vorgesehen ist. Die Teilvolumen kommunizieren derart, dass sich das Verhältnis beider Volumen während des Befüllens des Speicherbehälters und des Entnehmens von Speicherfluid verändert. Die jeweilige Volumenabnahme des einen Teilvolumens wird durch eine Volumenzunahme des jeweils anderen Teilvolumens ausgeglichen. Mit zunehmender Menge an gespeichertem Speicherfluid im einen Teilvolumen kondensiert im anderen Teilvolumen immer mehr des kondensierbaren Gases, wobei sich das Volumen des entsprechenden Teilvolumens zugunsten des Teilvolumens für das Speicherfluid verringert. Wird Speicherfluid entnommen, kehrt sich dieser Prozess um und es verdampft zunehmend Kondensat, so dass das entsprechende Teilvolumen in dem Maße ansteigt, in dem das Teilvolumen des Speicherfluids sinkt.
Bei konstanter Temperatur erfolgen das Kondensieren und das Verdampfen ohne eine Druckänderung, weshalb das Speicherfluid bei konstantem Druck gespeichert und wieder aus dem Speicherbehälter entnommen werden kann, und zwar bedarfsweise vollständig. Das Druckniveau ist dabei festgelegt durch den Dampfdruck des kondensierbaren Gases, der abhängig ist von der jeweiligen Temperatur.
Dementsprechend kommt der Wahl eines geeigneten kondensierbaren Gases für die isobare Speicherung eines Speicherfluids eine besondere Bedeutung zu. Um die Speichereinrichtung in einem größeren Temperaturbereich betreiben zu können, ist zudem bereits die Verwendung eines Gasgemisches vorgeschlagen worden, wobei die Gase des Gasgemisches auf dem Druckniveau der beabsichtigten Speicherung des Speicherfluids ähnliche Siedetemperaturen aufweisen.
Nachteilig an den Speichereinrichtungen zur isobaren Speicherung von
Speicherfluiden ist der Einfluss der Temperatur auf das Druckniveau des
Speicherbehälters und der konstruktive Aufwand des Speicherbehälters. Im
Speicherbehälter müssen nämlich das Speicherfluid und das kondensierbare Gas getrennt voneinander aufgenommen werden können, und zwar so, dass ein Medium die Volumenänderung des jeweils anderen Mediums ausgleichen kann. Es muss also in dem Speicherbehälter eine Art Kolben oder eine flexible Trennwand vorgesehen sein, die sehr große Volumenverschiebungen zwischen den Medien ermöglichen. Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die
Speichereinrichtung und das Verfahren jeweils der eingangs genannten und zuvor näher beschriebenen Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass
Speicherfluide einfacher und kostengünstiger auf zuverlässige Art und Weise isobar gespeichert werden können.
Diese Aufgabe ist gemäß Anspruch 1 durch ein Kissen zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids in einem Speicherbehälter gelöst, wobei das Kissen eine geschlossene und wenigstens teilweise flexibel ausgebildete Hülle aufweist, wobei in der Hülle wenigstens ein zwischen -200°C und 200°C sowie zwischen 0 bar und 300 bar kondensierendes Kissengas vorgesehen ist und wobei in der Hülle wenigstens ein wenigstens teilweise in fester Phase vorliegendes, zwischen -200°C und 200°C sowie zwischen 0 bar und 300 bar schmelzendes Phasenwechselmaterial (PCM- Phase Change Material) vorgesehen ist. Ferner ist die zuvor genannte Aufgabe gemäß Anspruch 11 durch ein Kissenelement zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids in einem Speicherbehälter mit einem Kissen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 gelöst, wobei das Kissen umgeben ist von einem stabilen und gasdurchlässigen äußeren Skelett und wobei das Kissen dazu ausgebildet ist, sich bei wenigstens einer bestimmten Kombination von Temperatur und Druck von innen an das Skelett anzulehnen.
Zudem ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bei einer Speichereinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 14 dadurch gelöst, dass wenigstens ein Kissen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder dass wenigstens ein Kissenelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13 in dem Speicherbehälter vorgesehen ist. Letztlich ist die eingangs genannte Aufgabe der Erfindung auch gemäß Anspruch 17 durch ein Verfahren zur Herstellung einer Speichereinrichtung, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 14 bis 16, zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids gelöst, bei dem wenigstens ein Kissen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder wenigstens ein Kissenelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13 in wenigstens einen Speicherbehälter eingebracht werden.
Die Erfindung hat erkannt, dass eine hohe Temperaturkonstanz in besonders einfacher und zweckdienlicher Weise durch die Verwendung eines
Phasenwechselmaterials (PCM - Phase Change Material) erreicht werden kann, das zusammen mit dem kondensierbaren Gas, dem sogenannten Kissengas, in einem Kissen umfassend eine wenigstens teilweise flexible Hülle bereitgehalten wird.
Unter dem Kissengas wird vorliegend insbesondere die Verbindung oder die Mehrzahl von Verbindungen angesehen, die wenigstens in einem Betriebszustand der
Speichereinrichtung sowohl gasförmig als auch kondensiert, also flüssig, vorliegen und dabei in einem thermodynamischen Gleichgewicht miteinander stehen. Mit anderen Worten bilden der gasförmige Teil des Kissengases und der kondensierte Teil des Kissengases eine gemeinsame Phasengrenzfläche aus. Dementsprechend ist das Kissengas nicht auf einen Stoff beschränkt, der auch tatsächlich als Gas vorliegt. Der Begriff Kissengas ist jedoch deshalb angebracht, weil die wenigstens eine Verbindung des Kissengases unter gewöhnlichen Umgebungsbedingungen, beispielsweise bei 1 bar und 20°C, gasförmig vorliegt. Entsprechende Verbindungen werden gemeinhin als Gas bezeichnet. Daher wird im Folgenden der besseren Verständlichkeit wegen und zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen an dem Begriff des Kissengases festgehalten und dort, wo dies erforderlich ist, explizit oder durch den Kontext zum Ausdruck gebracht, ob von dem kondensierten, also flüssigen, Teil des Kissengases oder dem gasförmigen Kissengas die Rede ist. Wird Speicherfluid in den Speicherbehälter der Speichereinrichtung gepumpt, kondensiert das Kissengas teilweise, um das für die Aufnahme des Speicherfluids benötigte Volumen freizugeben. Bei diesem Vorgang wird Kondensationswärme frei, die zu einer Temperaturerhöhung, insbesondere des Kissengases, führt, sofern diese Wärme nicht abgeführt werden kann. Wird Speicherfluid aus dem Speicherbehälter entnommen, verdampft das teilweise kondensierte Kissengas, um das freiwerdende Volumen auszufüllen. Dabei wird von dem Kissengas Verdunstungswärme aufgenommen, die in Ermangelung einer Wärmequelle dem Speicherbehälter, insbesondere dem Kissengas, entzogen werden kann. Dies geht dann einher mit einer Temperaturabsenkung, insbesondere des Kissengases. Um entsprechende Temperaturschwankungen beim Befüllen und Entleeren des Speicherbehälters zu vermeiden, wird die Kondensationswärme vom
Phasenwechselmaterial (PCM) beim Beladen des Speicherbehälters aufgenommen und beim Entnehmen von Speicherfluid aus dem Speicherbehälter wieder als Verdunstungswärme an das Kissengas abgegeben. Das Phasenwechselmaterial dient letztlich als Wärmespeicher, wobei die Wärme durch teilweisen Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials gespeichert wird. Analog zum Kissengas wird nämlich beim Schmelzen des Phasenwechselmaterials Wärme aufgenommen und so lange gespeichert, bis die Energie beim Erstarren wieder abgegeben wird. Dabei erfolgt das Schmelzen und Erstarren bei wenigstens nahezu konstanter Temperatur, so dass die Wärmeaufnahme und die Wärmeabgabe nicht zu einer Temperaturverschiebung führen. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung des Phasenwechselmaterials liegt darin, dass die Schmelztemperatur bzw. die Erstarrungstemperatur deutlich weniger druckabhängig ist als die Siedetemperatur des Kissengases. Das
Phasenwechselmaterial sorgt also nicht nur für eine Verringerung von
Temperaturschwankungen, sondern auch dafür, dass das Kissengas eine bestimmte Temperatur aufweist und dass somit letztlich der Speicherbehälter auf dem vorbestimmten Druckniveau betrieben wird. Das Druckniveau kann oberhalb oder unterhalb eines Referenzdrucks, beispielsweise in einer Anlage, etwa einem
Umgebungsdruck von 1 bar, liegen. Es ist also möglich, das Speicherfluid unter Überdruck oder Unterdruck zu speichern. Daher wird Speicherfluid entweder in den Speicherbehälter gedrückt oder in den Speicherbehälter gesogen. Da in beiden Fällen der Druck des Speicherbehälters wenigstens im Wesentlichen konstant bleibt, kann also bedarfsweise ein Vakuum aufrechterhalten bzw. gespeichert werden. Das
Vakuum wird dann bedarfsweise sowohl außerhalb als auch innerhalb des
Speicherbehälters aufrechterhalten.
Phasenwechselmaterialien (PCM - Phase Change Material) sind grundsätzlich aus anderen Anwendungen bekannt. Es handelt sich um für den Anwendungsfall hinreichend stabile Materialien mit einer recht hohen Phasenwechselenthalpie für den Phasenwechsel von fest nach flüssig und zurück, deren Schmelztemperatur im Temperaturniveau industrieller Prozesse liegt. Wenn das Kissengas und das
Phasenwechselmaterial so aufeinander abgestimmt werden, dass sie auf dem beabsichtigten Druckniveau des Speicherbehälters eine ähnliche, wenn nicht gar gleiche, Siedetemperatur bzw. Schmelztemperatur aufweisen, kann der
Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials und der Phasenwechsel des Kissengases eine isobare Speicherung von Speicherfluid bei konstanter Temperatur gewährleisten. Da die Speicherung von Speicherfluid typischerweise in einem Temperaturintervall zwischen -200 °C und 200 °C und in einem Druckintervall zwischen 0 bar und 300 bar vorgesehen ist, sollten auch das Kissengas und das Phasenwechselmaterial in diesem Temperatur- und Druckbereich einen einfachen Phasenwechsel vornehmen. Die Temperatur und damit der Druck im Speicherbehälter wird dabei insbesondere durch die Schmelztemperatur bzw. Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials festgelegt. Das Kissengas wird eine gleiche oder vorzugsweise wenigstens recht ähnliche Temperatur aufweisen, welche den Dampfdruck des gasförmigen Teils des Kissengases und damit den Druck des Speicherfluids festlegt.
Vorliegend wird unter einer isobaren Speicherung von Speicherfluid eine wenigstens im Wesentlichen isobare Speicherung von Speicherfluid angesehen. Bei den
relevanten industriellen Prozessen, für die die isobare Speicherung von Speicherfluid besonders bevorzugt ist, kommt es in der Regel nicht auf eine absolut isobare
Speicherung des Speicherfluids an. Beim Befüllen und beim Entleeren des wenigstens einen Speicherbehälters einer Speichereinrichtung treten typischerweise ohnehin Druckverluste auf, die eine nennenswerte Größenordnung aufweisen können.
Außerdem können oftmals auch geringe Temperaturschwankungen des
Speicherfluids nicht ausgeschlossen werden, die zu einer Veränderung des Drucks im Speicherbehälter führen. Anders ausgedrückt ist es nicht entscheidend, dass der Druck im wenigstens einen Speicherbehälter beim Befüllen und beim Entleeren exakt konstant ist, sondern vielmehr etwa auf einem Druckniveau verbleibt.
Die Erfindung hat weiterhin erkannt, dass es zu einer konstruktiven Vereinfachung der Speichereinrichtung führt, wenn das kondensierte Kissengas und das
Phasenwechselmaterial (PCM) gemeinsam in einer wenigstens teilweise flexiblen
Hülle eines Kissens eingebracht sind. Auf diese Weise wird ein guter Wärmetransport zwischen Kissengas und dem Phasenwechselmaterial bereitgestellt, so dass auch größere Wärmemengen schnell zwischen dem Kissengas und dem
Phasenwechselmaterial ausgetauscht werden können. Dies kann indirekt erfolgen, wenn das Kissengas weder in kondensierter Form noch gasförmig in direktem
Kontakt zum Phasenwechselmaterial steht. Bevorzugt ist es jedoch, wenn das
Phasenwechselmaterial und das Kissengas in direktem Kontakt zueinander stehen, was den Wärmeübergang beschleunigt. Ein guter Wärmetransport zwischen dem Kissengas und dem Phasenwechselmaterial sorgt dafür, dass sich die Temperatur des Kissengases beim Befüllen oder beim Entleeren nicht oder jedenfalls nur geringfügig ändert. Vor diesem Hintergrund kann es zweckmäßig sein, wenn das
Phasenwechselmaterial wenigstens teilweise vom Kissengas umgeben ist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kissens beruht darin, dass das Kissen separat handhabbar ist und somit ohne eine konstruktive Änderung üblicher
Speicherbehälter in diese eingebracht werden kann. Dies ist vorteilhaft für zu fertigende Speicherbehälter, aber insbesondere auch für das Nachrüsten bereits bestehender und gegebenenfalls betriebener Speicherbehälter zur isobaren
Speicherung von Speicherfluid. Entsprechende Kissen können in beiden Fällen einfach und kostengünstig eingesetzt werden. Es ist lediglich erforderlich die Kissen in die entsprechenden Speicherbehälter einzubringen. Eine Verankerung darin oder eine Verbindung mit bestimmten Einrichtungen des Speicherbehälters ist entbehrlich. Dabei kann bedarfsweise nur ein Kissen in einen Speicherbehälter eingebracht werden, wobei das Kissen dann vorzugsweise eine solche Größe aufweist, um eine ausreichende Volumenverschiebung zwischen dem Kissengas und dem Speicherfluid zu ermöglichen. Alternativ können aber auch mehrere Kissen, insbesondere eine Vielzahl von Kissen in einen Speicherbehälter eingebracht werden. Die Verwendung von vielen Kissen bietet sich insbesondere bei größeren Speicherbehältern an. Dies gilt insbesondere beim Nachrüsten von Speicherbehältern, da die für das Einbringen der Kissen zur Verfügung stehenden Öffnungen typischerweise einen begrenzten Querschnitt aufweisen. Hierfür kommen etwa Inspektionsöffnungen, wie
beispielsweise Mannlöcher oder Handlöcher, in Frage.
Die wenigstens teilweise flexibel ausgebildete Hülle des Kissens sorgt dafür, dass das Kissen unterschiedliche Volumen einnehmen kann, je nach Füllzustand und
Druckniveau des Speicherbehälters. Da der Druck des im Speicherbehälter gespeicherten Speicherfluids typischerweise dem Innendruck des Kissen bzw. dem Druck des Kissengases entspricht, muss die Hülle lediglich teilweise flexibel ausgebildet sein. Eine elastische Hülle im Sinne eines sich ausdehnenden und sich wieder zusammenziehenden Ballons ist nicht erforderlich. Allerdings kann eine gewisse Elastizität wenigstens von Teilen des Materials der Hülle zweckdienlich sein, damit langlebige Hüllen bereitgestellt werden können, deren Material beispielsweise nicht zu Rissbildung neigt. Die Elastizität der Hülle soll also in erster Linie dafür sorgen, dass sich die Hülle infolge von Volumenänderung des Kissengases leicht verformen kann. Die Volumenänderung muss jedoch nicht durch die Elastizität, also durch das Ausdehnen oder Zusammenziehen des Materials der Hülle bereitgestellt werden.
Wenn das Druckgleichgewicht zwischen dem Speicherfluid und dem Kissengas wegfällt, etwa wenn der Speicherbehälter vollständig entspannt ist, also während der äußere Umgebungsdruck etwa 1 bar beträgt, oder während die Kissen in den
Speicherbehälter eingebracht werden, kann das Kissen unter einem erheblichen inneren Überdruck stehen. Um dennoch ein Bersten des Kissens zu vermeiden, kann bei einem Kissenelement neben dem Kissen ein das Kissen umgebendes, formstabiles und gasdurchlässiges äußeres Skelett vorgesehen sein. Die Gasdurchlässigkeit des äußeren Skeletts sorgt dabei dafür, dass im Betriebszustand der Druck des
Speicherfluids auf die Hülle des Kissens einwirkt. Des Weiteren ist das Skelett derartig auf das darin aufgenommene Kissen abgestimmt, dass sich das Kissen wenigstens für eine bestimmte Temperatur bei einem bestimmten Druck, insbesondere bei
Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur, wie beispielsweise 20°C und 1 bar, von innen an das Skelett anlehnt. Nur dann können über das Skelett die Druckkräfte vom Inneren der Hülle auf das Skelett abgeleitet werden. Daher kann es zweckmäßig sein, wenn das maximale Volumen des Kissens bzw. der Hülle größer ist als das von dem äußeren Skelett umschlossene Volumen.
Nachfolgend werden das Kissen, das Kissenelement, die Speichereinrichtung und das Verfahren zur Herstellung einer Speichereinrichtung gemeinsam beschrieben, ohne jeweils im Einzelnen zwischen der jeweiligen Vorrichtung und/oder dem Verfahren zu unterscheiden. Dadurch wird eine bessere Verständlichkeit erreicht und werden unnötige Wiederholungen vermieden. Für den Fachmann ist dabei aus dem jeweiligen Kontext ersichtlich, welche Merkmale jeweils in Bezug auf die jeweilige Vorrichtung bzw. das Verfahren bevorzugt sind.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Kissens ist in der Hülle wenigstens ein oberhalb von -40°C, vorzugsweise oberhalb von 0°C, insbesondere oberhalb von 10°C und/oder unterhalb von 120°C, vorzugsweise unterhalb von 50°C,
kondensierendes Kissengas und/oder schmelzendes Phasenwechselmaterial (PCM - Phase Change Material) vorgesehen. Dabei kann es sich um das einzige und/oder ein zusätzliches Kissengas und/oder Phasenwechselmaterial handeln. Zudem bietet es sich für die Nutzung des Kissens an, wenn die zuvor genannten Temperaturbereiche gleichfalls für das Kissengas und das Phasenwechselmaterial gelten. Das
Phasenwechselmaterial sollte nämlich vorzugsweise etwa auf demselben
Temperaturniveau schmelzen, auf dem das Kissengas kondensiert. Das Kondensieren des wenigstens einen Kissengases und/oder das Schmelzen des wenigstens einen Phasenwechselmaterials kann ferner bevorzugt auf einem Druckniveau oberhalb von 1 bar, vorzugsweise oberhalb von 2 bar, und/oder unterhalb von 80 bar,
vorzugsweise unterhalb von 40 bar, insbesondere unterhalb von 20 bar, erfolgen. Temperaturen von über -40°C sind für viele Anwendungen, etwa für die
Automobilindustrie, ausreichend, während 120°C und/oder 0°C als praktikable Obergrenze und/oder Untergrenze für die Verwendung von Wasser als Speicherfluid oder anderen gängigen Speicherfluiden in Frage kommt. Für viele industrielle Anwendungen wären Phasenwechseltemperaturen zwischen 0°C und 50°C, insbesondere zwischen 10°C und 50°C, ausreichend, wobei in diesem
Temperaturbereich im Regelfall eine ausreichende Materialauswahl hinsichtlich des wenigstens einen Kissengases und/oder des wenigstens einen
Phasenwechselmaterials besteht. Vor diesem Hintergrund können je nach
Anwendungsfall Phasenwechseltemperaturen beispielsweise zwischen -40°C und 200°C, zwischen -40°C und 120°C, zwischen 0°C und 120°C, zwischen 0°C und 50°C oder zwischen 10°C und 50°C bevorzugt sein.
Alternativ oder insbesondere zusätzlich zu den Temperaturen des Phasenwechsels des Kissengases und/oder des Phasenwechselmaterials kann der Phasenwechsel bevorzugt in einem Druckbereich unter 1 bar erfolgen. Die Druckangaben werden vorliegend durchweg als absolute Drücke verstanden, sofern nicht etwas anderes angegeben ist. Dann kann die Speichereinrichtung als Vakuumspeicher genutzt werden. Es kann also für, insbesondere industrielle, Prozesse ein Vakuum eines entsprechenden Druckniveaus bereitgestellt werden. Bei Drücken über 1 bar kommt dagegen insbesondere eine Druckspeicherung mit Hilfe der Speichereinrichtung in Betracht. Um gegenüber der Umgebung hinreichend nutzbare Drücke speichern zu können, kommen insbesondere Drücke für den Phasenwechsel des wenigstens einen Kissengases und/oder wenigstens einen Phasenwechselmaterials von über 2 bar in Frage. Dabei ist beispielsweise für Anwendungen wie Erdgasspeicherung,
Wasserstoffspeicherung, Druckausgleich in Druckluftnetzen, Pumpspeicher oder Druckluftenergiespeicher eine Druckobergrenze für den Phasenwechsel von 80 bar vielfach ausreichend. Sofern Druckluftenergiespeicher von geringerer Bedeutung sind, kann eine obere Druckgrenze von 40 bar ausreichend sein. Insbesondere für allgemeine Druckluftnetzte sind dies bedarfsweise auch nur 20 bar. Als bevorzugte Druckbereiche für den Phasenwechsel des wenigstens einen Kissengases und/oder Phasenwechselmaterials ergeben sich dabei beispielsweise 1 bar bis 300 bar, 2 bar bis 300 bar, 2 bar bis 80 bar, 2 bar bis 40 bar oder 2 bar bis 20 bar.
Besonders bevorzugt liegt das Phasenwechselmaterial (PCM - Phase Change Material) wenigstens teilweise in Form einer Vielzahl von Partikeln vor. Auf diese Weise wird eine große Oberfläche des Phasenwechselmaterials bereitgestellt, was den
Wärmeaustausch des Phasenwechselmaterials mit dem Kissengas in gasförmiger und/oder kondensierter Form begünstigt. Eine größere Wärmeübertragungsfläche verbessert letztlich den Wärmetransport. Beispielsweise befinden sich die Partikel des Phasenwechselmaterials wenigstens teilweise in dem Kondensat des Kissengases, wobei die Partikel des Phasenwechselmaterials bedarfsweise in dem Kondensat schwimmen können. Aufgrund der höheren spezifischen Wärmekapazität des
Kondensats im Vergleich zum gasförmigen Kissengas wird der Wärmetransport weiter begünstigt. Als besonders zweckmäßig hinsichtlich der Herstellung und der Stabilität der Partikel sowie in Bezug auf die Wärmeübertragungsfläche haben sich
Partikelgrößen zwischen 0,1 μιη und 50 mm herausgestellt. Besonders bevorzugt sind dabei Partikelgrößen zwischen 1 μιη und 20 μιη oder zwischen 1 mm und 10 mm. Kleinere Partikelgrößen bieten sich für kleinere Kissen an und erlauben einen besseren Wärmetransport, während größere Partikelgrößen sich für größere Kissen, in denen der Wärmetransport weniger kritisch ist, eignen und besser zu handhaben sind. Damit das Phasenwechselmaterial problemlos reversibel die Phase wechseln kann, d. h. ohne zu klumpen wiederholt schmelzen und wieder erstarren kann, bietet es sich an, wenn die Partikel des Phasenwechselmaterials verkapselt sind. Dabei bleibt die Kapsel der Partikel grundsätzlich intakt, während das Phasenwechselmaterial in der Kapsel je nach Wärmeaufnahme oder Wärmeabgabe wenigstens teilweise schmilzt und wieder erstarrt. Auf die zuvor beschriebene Weise wird beispielsweise auch sichergestellt, dass die Speichereinrichtung sehr viele Zyklen durchlaufen kann, ohne dass die Funktionalität der Speichereinrichtung abnimmt.
Zur Bildung der Kapseln zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials (PCM) eignet sich insbesondere jeweils wenigstens ein Kunststoff, wenigstens ein Polymer, wenigstens ein Metall, wenigstens ein Melaminharz, wenigstens ein
Polymethylmethacrylat und/oder wenigstens eine siliziumorganische Verbindung. Welche dieser Materialien zur Verkapselung des wenigstens einen
Phasenwechselmaterials besonders bevorzugt ist, hängt unter anderem von den chemischen Eigenschaften des Materials der Kapseln in Bezug auf das Kissengas und das Phasenwechselmaterial sowie der Größe der Partikel des Phasenwechselmaterials ab.
Alternativ oder zusätzlich bietet es sich an, wenn das wenigstens eine
Phasenmechselmaterial (PCM) durch ein Paraffin, ein Salzhydrat, eine Salzmischung, ein Zuckeralkohol, ein Fettalkohol, eine Fettsäure oder ein Polyethylenglykol gebildet wird. Welches Phasenwechselmaterial besonders geeignet ist, dürfte dabei
insbesondere abhängig sein von der Temperatur des Phasenwechsels, d. h. von der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials. Diese sollte möglichst gut übereinstimmen mit der Phasenwechseltemperatur des Kissengases, das zusammen mit dem Phasenwechselmaterial in der Hülle des Kissens vorgesehen ist. Als Paraffine kommen beispielsweise Octadecan, Heptadecan, Nonadecan, Eicosan oder Docosan und als Salzhydrate CaCl2-6H20, Na2S04-10H20, Na2HP04-12H20, Na2S203-5H20 oder NaCH3COO-3H20 in Frage.
Um eine Beschädigung der Hülle des Kissens und ein versehentliches Austreten von Kissengas zu vermeiden, bietet es sich insbesondere an, wenn die Hülle wenigstens teilweise aus einem Kunststoff gebildet wird, der verstärkt sein kann. Als Verstärkung kommt dabei insbesondere wenigstens ein Gewebe und/oder die Verstärkung durch Fasern in Frage. Die Hülle kann also insbesondere auch wenigstens teilweise durch einen Kunststoff aufweisenden Materialverbund im Sinne eines Verbundwerkstoffs gegeben sein. Entsprechende durch Gewebe und/oder Fasern verstärkte Kunststoffe haben den Vorteil, dass sie einem erhöhten inneren Überdruck der Hülle standhalten, ohne dass ein Bersten der Hülle zu befürchten ist. Die Kissen bleiben also selbst dann intakt, wenn der normalerweise vom gespeicherten Speicherfluid aufgebrachte Gegendruck auf die Hülle wegfallen sollte.
Alternativ oder zusätzlich kann der Kunststoff zur Bildung der Hülle wenigstens teilweise aus Nitrilkautschuk (NBR), hydriertem Acrylnitrilbutadien-Kautschuk (HNBR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Polyethylen (PE),
Polyvinylchlorid (PVC) und/oder Butylkautschuk gebildet sein. Diese Materialien bringen eine hinreichende Festigkeit und Steifigkeit mit sich und sind zudem hinreichend elastisch, um ein Brechen der Hülle infolge Verformung zu vermeiden. Welcher Kunststoff besonders geeignet ist, liegt insbesondere auch an der
Verträglichkeit der Stoffe mit den chemischen Eigenschaften der verwendeten
Kissengase und der verwendeten Phasenwechselmaterialien. Nicht zuletzt kann das beabsichtigte Temperaturniveau des Speicherbehälters die Wahl des Kunststoffs beeinflussen.
Das maximale Volumen des Kissens oder der Mehrzahl von Kissen in einem
Speicherbehälter sollte groß genug sein, um eine große Volumenveränderung des Speicherfluids ausgleichen zu können. Gleichzeitig sollte das maximale Volumen des wenigstens einen Kissens klein genug sein, damit die Kissen problemlos gehandhabt werden können, insbesondere, um ohne Weiteres in den wenigstens einen
Speicherbehälter eingebracht werden zu können, und zwar bedarfsweise auch erst nachträglich. In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das maximale Volumen des Kissens zwischen 0,1 dm3 und 5000 dm3, vorzugsweise zwischen 0,1 dm3 und 1000 dm3, insbesondere zwischen 0,1 dm3 und 100 dm3, weiter insbesondere zwischen 0,1 dm3 und 1 dm3, beträgt. Große Volumen bieten sich beispielsweise für Anwendungen in großen Speicherbehältern, etwa zur
Druckluftspeicherung, an. Als Kissengas kommt entsprechend des beabsichtigten Temperaturniveaus und Druckniveaus des Speicherbehälters der Speichereinrichtung aufgrund der jeweiligen Siedepunkte ein Kohlenwasserstoff, insbesondere Propan, Isobutan oder Cyclopropan, wenigstens ein halogenierter Kohlenwasserstoff, insbesondere Tetrafluorethan, Pentafluorethan, Heptafluorpropan oder Hexafluorpropen, Dimethylether, Ammoniak, Kohlendioxid und/oder Distickstoffmonoxid in Frage. Diese Kissengase sind zudem aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften bevorzugt, um mit verschiedenen
Materialien zur Bildung der Hülle des Kissens und mit bestimmten
Phasenwechselmaterialien zusammenzuwirken.
Um die Handhabbarkeit der Kissen zu verbessern und insbesondere auf einfache Weise das Nachrüsten von bereits bestehenden Speicherbehältern zu ermöglichen, ist es bevorzugt, wenn das wenigstens eine Kissen separat handhabbar ist. Das Kissen ist also nicht fest beispielsweise mit dem Speicherbehälter oder anderen Einrichtungen der Speichereinrichtung verbunden. Bevorzugt kann sich das Kissen daher frei im
Speicherbehälter bewegen bzw. separat in den Speicherbehälter eingebracht werden. Die Kissen können also außerhalb des Speicherbehälters hergestellt werden und müssen anschließend nur noch in den Speicherbehälter eingebracht werden. Die Kissen können dabei in sich hermetisch abgeschlossen sein und das
Phasenwechselmaterial sowie das Kissengas, also das kondensierbare Gas in vorbestimmter Menge und/oder in vorbestimmtem Verhältnis enthalten. Es besteht daher keine Notwendigkeit, das wenigstens eine Kissen in dem Speicherbehälter an einem Gasanschluss, an einen Ausgleichsbehälter oder sonst eine Einrichtung anzuschließen. Eine Verbindung von Kissen untereinander ist denkbar, aber grundsätzlich weniger bevorzugt. Besonders einfach ist es, wenn das wenigstens eine Kissen der Speichereinrichtung und der wenigstens eine Speicherbehälter der
Speichereinrichtung nicht, jedenfalls nicht fest, miteinander verbunden sind.
Alternativ oder zusätzlich wird es als zweckmäßig angesehen, wenn das wenigstens eine Kissen sphärisch, linsenförmig oder länglich ausgebildet ist. In diesem Falle lassen sich die Kissen leicht in die Speicherbehälter einbringen und können die Kissen zusätzlich in den Speicherbehältern ihre Funktion in bevorzugter Weise ausüben. Die Kissen behindern sich dann beispielsweise wenig, auch wenn die Volumen der Kissen zyklisch größer und wieder kleiner werden. Ein Verhaken oder Einklemmen einzelner Kissen ist dann weniger wahrscheinlich.
Hinsichtlich einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des Kissenelements ist es besonders bevorzugt, wenn das Skelett des Kissenelements, das das Kissen
umschließt, aus Metall und/oder Kunststoff gebildet ist. Dabei kann es der Einfachheit halber bevorzugt sein, wenn das Skelett durch Drähte gebildet wird und/oder in Form eines Gitters und/oder in Form einer Wabenstruktur gebildet wird. Auf diese Weise können sehr stabile Skelette bereitgestellt werden, die gleichzeitig wenig Material verbrauchen und nur ein geringes Gewicht aufweisen.
Auch hinsichtlich der Kissenelemente ist es aus den bereits zuvor in Bezug auf das Kissen ausgeführten Gründen bevorzugt, wenn das gesamte Kissenelement separat handhabbar ist. Gleiches gilt für eine sphärische, linsenförmige oder längliche Gestalt des wenigstens einen Kissenelements als solchem.
Um sicherzustellen, dass die Speicherung des Speicherfluids bei der gewünschten Temperatur erfolgt, selbst wenn die Umgebungstemperatur von dieser Temperatur abweicht oder wenn die Umgebungstemperatur Schwankungen unterworfen ist, bietet es sich an, wenn der Speicherbehälter für das isobare Speichern von
Speicherfluid thermisch isoliert ist. Dabei kann es weiter bevorzugt sein, wenn eine entsprechende Regeleinrichtung vorgesehen ist, die die Regelung der gewünschten Solltemperatur des Speicherfluids im Speicherbehälter gewährleistet.
Bei dem Speicherfluid kann es sich grundsätzlich um ein Gas oder um eine Flüssigkeit handeln. In diesem Zusammenhang ist insbesondere die Verwendung von Druckluft bevorzugt, und zwar insbesondere dann, wenn die Speichereinrichtung Teil eines Druckluftnetzes, eines pneumatischen Systems, beispielsweise einer Bremsanlage, oder eines Energiespeichers ist. Im Falle eines Druckluftnetzes soll Druckluft typischerweise auf einem bestimmten Druckniveau bereitgestellt werden. Druckluft wird für die verschiedensten Prozesse in der Industrie als Arbeitsgas oder Prozessgas eingesetzt. Druckluft kann aber auch lediglich zur Speicherung von, insbesondere elektrischer, Energie in Form von Druckluft verwendet werden, wobei zunächst Energie eingesetzt wird, um das Speicherfluid zu komprimieren. Zu einem späteren Zeitpunkt kann dann durch Entspannen des gespeicherten Speicherfluids wiederum beispielsweise elektrische Energie bereitgestellt werden. Da das Speicherfluid hierbei lediglich als Arbeitsfluid zur Speicherung der Energie fungiert, wird als Speicherfluid der
Einfachheit halber insbesondere Druckluft verwendet.
Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Speicherfluid aber auch um ein sogenanntes Nutzgas handeln, das in einem bestimmten Prozess reaktiv umgesetzt werden soll. Dazu muss das Nutzgas jedoch in der Speichereinrichtung
zwischengespeichert werden, um in der geforderten Weise der weiteren Verarbeitung zugeführt werden zu können. Das Nutzgas kann beispielsweise als Rohstoff in einen Reaktor eingeleitet werden. Bei dem Nutzgas kann es sich auch um sogenannte Brenngase wie beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff handeln, die in einer
Brennkammer verbrannt werden können, um auf diesem Wege Wärmeenergie zu generieren.
Bei der Speicherung von Speicherfluiden in Form von Flüssigkeiten bietet sich insbesondere die Verwendung als Energiespeicher an. Anstatt die Speicherflüssigkeit, bei der es sich der Einfachheit halber um Wasser handeln kann, beispielsweise in ein höher gelegenes Reservoir zu pumpen, um anschließend die potentielle Energie zurückzugewinnen, wie dies beispielsweise bei Pumpspeicherkraftwerken der Fall ist, kann das Speicherfluid auch unter erhöhtem Druck isobar in einen Speicherbehälter gepresst werden. Auch dann kann unter Entspannung des Speicherfluids die für das Speichern des Speicherfluids aufgebrachte Energie wenigstens teilweise zurückgewonnen werden. Als weitere Anwendung kommt beispielsweise die
Druckhaltung in Hydrauliksystemen oder von thermischen Energiespeichern in Frage.
Bei der Herstellung einer Speichereinrichtung wird der wenigstens eine
Speicherbehälter vorzugswiese nach dem Einbringen des wenigstens einen Kissens und/oder Kissenelements verschlossen und anschließend wenigstens teilweise mit wenigstens einem Speicherfluid gefüllt. So kann Speicherfluid auf einem bestimmten Druckniveau bereitgestellt werden. In diesem Zusammenhang ist es weiter bevorzugt, wenn wenigstens ein Teil des gespeicherten Speicherfluids aus dem wenigstens einen Speicherbehälter entnommen wird, wobei zu einem späteren Zeitpunkt wieder dasselbe Speicherfluid oder wenigstens auch ein anderes Speicherfluid in den
Speicherbehälter gefördert wird. Dieser entsprechende Zyklus wird bedarfsweise viele Male hintereinander durchlaufen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1A-C ein erfindungsgemäßes Kissen zur isobaren Speicherung eines
Speicherfluids in einem Speicherbehälter in unterschiedlichen
Zuständen in vertikalen schematischen Schnittansichten,
Fig. 2 eine erste erfindungsgemäße Speichereinrichtung zur isobaren
Speicherung eines Speicherfluids in einer schematischen vertikalen
Schnittansicht,
Fig. 3 eine zweite erfindungsgemäße Speichereinrichtung in einer
schematischen vertikalen Schnittansicht,
Fig. 4 eine dritte erfindungsgemäße Speichereinrichtung zur isobaren
Speicherung eines Speicherfluids in einer schematischen vertikalen
Schnittansicht, Fig. 5 ein Material zur Bildung einer Hülle eines erfindungsgemäßen Kissens zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids in einer schematischen
Draufsicht,
Fig. 6 ein erfindungsgemäßes Kissenelement in einer schematischen
Draufsicht und
Fig. 7 das Kissen des Kissenelements aus Fig. 6 in einer schematischen
Draufsicht.
In der Fig. 1 ist ein Kissen 1 zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids 2 in einem vertikalen Schnitt dargestellt. Das Kissen 1 umfasst eine Hülle 3, in der ein Kissengas 4 und ein Phasenwechselmaterial (PCM - Phase Change Material) 5 eingeschlossen sind. Das Kissengas 4 liegt teilweise in der Gasphase 6 und teilweise als Kondensat 7 in der flüssigen Phase vor. Im bzw. auf dem Kondensat 7 des Kissengases 4 schwimmt das Phasenwechselmaterial 5, das damit in direktem Kontakt mit dem Kissengas 4 bzw. mit dem Kondensat 7 des Kissengases 4 steht. Das Phasenwechselmaterial 5 liegt in Form einer Vielzahl von Partikeln 8 vor, die eine große Wärmeübertragungsfläche zum Kissengas 4 bereitstellen. Die Partikel 8 weisen beim dargestellten und insoweit bevorzugten Kissen 1 eine äußere Kapsel 9 auf, in der das eigentliche
Phasenwechselmaterial 5 eingeschlossen ist.
Der Einfachheit halber werden vorliegend die Partikel 8 als das
Phasenwechselmaterial 5 angesehen, auch wenn tatsächlich nur das in den Kapseln 9 enthaltene Material im Betrieb einen Phasenwechsel durchmacht. Sofern vorliegend die Unterscheidung zwischen dem die Phase wechselnden Material und dem die Kapseln 9 der Partikel 8 bildenden Material von Bedeutung ist, kann jedoch auch eine präzisere Unterscheidung in Kapselmaterial und Phasenwechselmaterial 5
vorgenommen werden. Die Kapseln 9 der Partikel 8 des Phasenwechselmaterials 5 bleiben trotz des wenigstens teilweisen Phasenwechsels intakt. Es tritt weder festes noch flüssiges Phasenwechselmaterial 5 aus den Kapseln 9 aus. Bei dem Kissen 1 gemäß Fig. 1A stehen der Druck innerhalb der Hülle 3 und die Temperatur des Kissengases 4 in einer direkten Beziehung. Der innere Druck der Hülle 3 entspricht nämlich dem Dampfdruck des Kissengases 4 bei der im inneren der Hülle 3 herrschenden Temperatur. Es ist gemäß Fig. 1A nur ein geringerer Teil des Kissengases 4 kondensiert. Daher nimmt das Kissen 1 einen Großteil seines maximalen Volumens ein. Das maximale Volumen des Kissens 1 und der Hülle 3 wird nur deshalb nicht erreicht, weil das Kissen 1 in einem nicht dargestellten
Speicherbehälter vorgesehen ist und dort dem Druck des im Speicherbehälter gespeicherten und das Kissen 1 umgebenden Speicherfluids 2 ausgesetzt ist. Es besteht dabei ein Druckgleichgewicht zwischen dem Kissengas 4 in der Hülle 3 und dem Speicherfluid 2 im Speicherbehälter. Der innere Druck der Hülle 3 und der äußere Druck sind identisch. Daher teilen sich das Kissen 1 und das Speicherfluid 2 das Volumen des Speicherbehälters. Je mehr Speicherfluid 2 in den Speicherbehälter gepresst wird, desto geringer ist das Volumen des Kissens 1. Das maximale Volumen des in der Fig. 1A dargestellten Kissens 1 wird erreicht, wenn der äußere Druck so weit gesunken ist oder der Speicherbehälter so weit entleert worden ist, dass das Kissen 1 bzw. dessen Hülle 3 die Form einer Kugel annimmt. Da das die Hülle 3 des in der Fig. 1 dargestellten Kissens 1 bildende Material 10 nicht oder nur in geringem Maße elastisch ist, kann sich die Hülle 3, nachdem sie eine kugelförmige Gestalt erreicht hat, nicht oder nur unwesentlich weiter aufblähen. Der Einfachheit halber wird die Hülle 3 des in der Fig. 1 dargestellten Kissens 1 aus einem einheitlichen Material 10 gebildet. Das Material 10 ist dabei ein durch ein Gewebe oder durch Fasern verstärkter Kunststoff. Es käme aber auch ein nicht verstärkter Kunststoff in Frage, wenn die Gefahr eines Berstens der Hülle 3 infolge eines inneren Überdrucks in Kauf genommen werden kann. In der Fig. 1B liegt die Hülle 3 bzw. das Kissen 1 in einer gegenüber der Darstellung gemäß Fig. 1A etwas mehr zusammengefallenen Form vor. Es ist ein größerer Anteil des kondensierbaren Kissengases 4 kondensiert, so dass die Hülle 3 insgesamt weniger Volumen einnimmt. Allerdings sind die Temperatur und der Druck des Kissengases 4 im Vergleich zur Darstellung nach Fig. 1A unverändert. Die bei der zusätzlichen Kondensation von Kissengas 4 frei werdende Kondensationswärme ist in dem Phasenwechselmaterial 5 gespeichert. Die Kondensationswärme des Kissengases 4 bewirkt ein teilweises Schmelzen des Phasenwechselmaterials 5, wobei die
Kondensationswärme des Kissengases 4 als Schmelzwärme des
Phasenwechselmaterials 5 gespeichert ist. Letztlich wird also die
Phasenwechselenthalpie des Kissengases 4 als Phasenwechselenthalpie des
Phasenwechselmaterials 5 gespeichert. Dieser Prozess ist unter Berücksichtigung einer praktisch unvermeidlichen Dissipation beim Wärmetransport reversibel, so dass die Schmelzwärme vom erstarrenden Phasenwechselmaterial 5 als
Erstarrungswärme freigegeben und vom verdunstenden Kissengas 4 als
Verdunstungswärme aufgenommen wird, um das Volumen des Kissens 1 wieder zu vergrößern.
In der Fig. IC ist das Kissen 1 in einem Zustand dargestellt, in dem nur noch ein kleiner Teil des Kissengases 4 in der Gasphase 6 vorliegt. Das wenigstens eine Kissen 1 sollte dabei so an den Prozess der Speicherung von Speicherfluid 2 angepasst sein, dass bei maximaler Befüllung des wenigstens einen Speicherbehälters einer
Speichereinrichtung das wenigstens eine Kissen 1 gerade so weit zusammengedrückt wird, dass darin noch gasförmiges Kissengas 4 verbleibt, das mit dem Kondensat 7 des Kissengases 4 im Gleichgewicht steht. Auf diese Weise wird die im Wesentlichen isobare Speicherung des Speicherfluids 2 aufrechterhalten. Über die Differenz zwischen dem maximalen Volumen des Kissens 1 und dem minimalen Volumen des wenigstens einen Kissens 1 im wenigstens einen Speicherbehälter ergibt sich das isobar im Speicherbehälter zu speichernde Volumen und damit die Menge des zu speichernden Speicherfluids 2. In der Fig. 2 ist eine Speichereinrichtung 11 mit einem Speicherbehälter 12 in einem vertikalen Schnitt dargestellt. Der Speicherbehälter 12 weist kopfseitig ein Ventil 13 in einer Verbindungsleitung 14 auf, über die Speicherfluid 2 in den Speicherbehälter 12 gedrückt und wieder aus dem Speicherbehälter 12 abgelassen werden kann. Ist das Ventil 13 geschlossen, verbleibt beim dargestellten und insoweit bevorzugten
Speicherbehälter 12 das Speicherfluid 2 im Speicherbehälter 12. Vorliegend handelt es sich bei dem Speicherfluid 2 um ein Gas, insbesondere Druckluft, auf einem
Druckniveau von 6,85 bar und bei einer Temperatur von 26°C. Im Speicherbehälter 12 befindet sich in dieser Ausgestaltung der Speichereinrichtung 11 lediglich ein Kissen 1. Das Kissen 1 ist mit einem Kissengas 4 in Form von 1,1,1,2-Tetrafuorethan (R134a) gefüllt, das teilweise gasförmig in der Gasphase 6 und teilweise als Kondensat 7 vorliegt. Ferner enthält das Kissen 1 noch Phasenwechselmaterial 5 in Form eines Paraffins, das in einer Vielzahl gekapselter Partikel 8 aufgenommen ist. Das Paraffin weist eine Schmelztemperatur von 26°C auf. Die Hülle 3 des Kissens 1 ist aus einem Nitrilkautschuk (NBR) gebildet.
In der Fig. 3 ist eine alternative Ausgestaltung einer Speichereinrichtung 11 dargestellt, die sich von der Speichereinrichtung 11 gemäß Fig. 2 im Wesentlichen lediglich darin unterscheidet, dass eine Vielzahl von Kissen 1 in dem einen
Speicherbehälter 12 vorgesehen ist. Bei dem entsprechenden Speicherbehälter 12 handelt es sich insbesondere um einen zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids 2 nachgerüsteten Speicherbehälter 12. Die Nachrüstung ist dabei derart erfolgt, dass die Kissen 1 lose in den Speicherbehälter 12 eingebracht worden sind. Dies kann beispielsweise über ein nicht dargestelltes Mannloch oder aber über einen anderen Flanschanschluss, etwa zum Anschluss des Ventils 13 oder der Verbindungsleitung 14 erfolgt sein.
In der Fig. 4 ist eine Speichereinrichtung 15 dargestellt, die eine Abwandlung der Speichereinrichtung 11 gemäß Fig. 3 ist. Im Unterschied zur Speichereinrichtung 11 gemäß Fig. 3 weist der Speicherbehälter 16 eine äußere thermische Isolierung 17 aus einem an sich bekannten thermischen Isolationsmaterial auf. Die Isolierung 17 dient dazu, die Temperatur im Speicherbehälter 16 auf einem bestimmten Temperaturniveau zu halten und/oder den Wärmetausch mit der Umgebung zu begrenzen.
In der Fig. 5 ist ein Material 10 zur Bildung einer Hülle 3 eines Kissens 1 der genannten Art schematisch dargestellt. Es handelt sich bei dem Material 10 um ein Verbundmaterial aus einem Kunststoff und mit dem Kunststoff verschweißten oder in den Kunststoff eingebetteten Gewebebahnen 20. Die Gewebebahnen 20 dienen dabei der Verstärkung des Materials 10. Vorliegend werden die Gewebebahnen 20 gitterartig bzw. überkreuz übereinander gelegt, obwohl auch andere Ausgestaltungen zweckdienlich sein können. Das Kissen 1 lässt dementsprechend einen größeren inneren Überdruck zu, ohne dass es zu nachhaltigen Beschädigungen der Hülle 3 kommt. Alternativ könnte aber auch ein faserverstärkter Kunststoff als Material 10 der Hülle 3 verwendet oder ganz auf eine Verstärkung verzichtet werden. Der
Kunststoff des in der Fig. 5 dargestellten Materials 10 ist ein Nitrilkautschuk (NBR). Es sind jedoch auch andere Kunststoffe denkbar.
In der Fig. 6 ist ein Kissenelement 21 umfassend ein Kissen 1 der genannten Art und ein das Kissen 1 umschließendes äußeres Skelett 22 dargestellt. Das Skelett 22 ist gasdurchlässig und durch Drähte 23 gebildet, die in Form einer Gitter struktur miteinander verbunden sind. Andere Skelette können jedoch verwendet werden. Das Skelett 22 umschließt dabei ein Volumen, das höchstens dem maximalen Volumen des Kissens 1 entspricht, vorzugsweise etwas kleiner ist als das maximale Volumen des Kissens 1. Das Kissen 1 kann sich also bei entsprechend geringem äußeren Druck, beispielsweise einem äußeren Druck von 1 bar, von innen an das Skelett 22 anlegen, so dass das Skelett 22 das Kissen 1 und die Hülle 3 stützt, um eine Beschädigung der Hülle 3 infolge des inneren Überdrucks zu vermeiden. Bedarfsweise kann im Falle eines entsprechenden Skeletts 22 auf eine Verstärkung der Hülle 3 des Kissens 1, wie diese im Zusammenhang mit der Fig. 5 beschrieben worden ist, verzichtet werden. In der Fig. 7 ist ein Kissen 1 dargestellt. Es kann sich dabei um ein Kissen 1 eines
Kissenelements 21 handeln. Das Kissen 1 kann bedarfsweise ohne äußeres Skelett 22 eingesetzt werden. Das Kissen 1 weist ein Ventil 24 zum Befüllen des Kissens 1 mit Kissengas 4 auf. Das Phasenwechselmaterial 5 kann bedarfsweise vor dem Schließen der Hülle 3 eingebracht werden. Besonders einfach und zweckmäßig ist es, die Hülle 3 im Wege des Extrudierens herzustellen und währenddessen das
Phasenwechselmaterial 5 in die Hülle 3 einzubringen. Durch das Ventil 24 der nach dem Extrudieren geschlossenen Hülle 3 kann dann im Nachgang ein Kissengas 4, wahlweise gasförmig und/oder flüssig, in die Hülle 3 eingefüllt werden. Wenn dies gewünscht ist, kann zuvor das im Kissen 1 vorhandene Gas ganz oder teilweise entfernt werden. Dann kann das Kissen 1 besonders effektiv genutzt werden.
Allerdings ist es für die grundsätzliche Funktion des Kissens 1 prinzipiell unschädlich, wenn sich in dem Kissen 1 neben dem Phasenwechselmaterial 5 und dem Kissengas 4 noch ein anderes Gas, beispielsweise Luft, befindet. Es kann auch bedarfsweise noch eine Flüssigkeit vorgesehen sein, die das Phasenwechselmaterial 5 stabilisieren kann. Die Flüssigkeit und das partikelförmige Phasenwechselmaterial können dann zusammen in Form einer Suspension oder Slurry vorliegen.

Claims

Patentansprüche
Kissen (1) zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids (2) in einem
Speicherbehälter (12,16), mit einer geschlossenen und wenigstens teilweise flexibel ausgebildeten Hülle (3), wobei in der Hülle (3) wenigstens ein zwischen - 200°C und 200°C sowie zwischen 0 bar und 300 bar kondensierendes Kissengas
(4) vorgesehen ist und wobei in der Hülle (3) wenigstens ein wenigstens teilweise in fester Phase vorliegendes, zwischen -200°C und 200°C sowie zwischen 0 bar und 300 bar schmelzendes Phasenwechselmaterial (PCM - Phase Change Material)
(5) vorgesehen ist.
Kissen nach 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
in der Hülle (3) wenigstens ein oberhalb von -40°C, vorzugsweise oberhalb von 0°C, insbesondere oberhalb von 10°C, und/oder unterhalb von 120°C,
vorzugsweise unterhalb von 50°C kondensierendes Kissengas (4) und/oder schmelzendes Phasenwechselmaterial (PCM - Phase Change Material) (5) vorgesehen ist und/oder dass in der Hülle (3) wenigstens ein oberhalb von 1 bar, vorzugsweise oberhalb von 2 bar, und/oder unterhalb von 80 bar, vorzugsweise unterhalb von 40 bar, insbesondere unterhalb von 20 bar, kondensierendes Kissengas (4) und/oder schmelzendes Phasenwechselmaterial (PCM - Phase Change Material) (5) vorgesehen ist. Kissen nach Anspruch 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
das Phasenwechselmaterial (PCM) (5) wenigstens teilweise in Form einer Vielzahl von Partikeln (8), vorzugsweise verkapselt, insbesondere mit Partikelgrößen zwischen 0,1 μιη und 50 mm, weiter insbesondere mit Partikelgrößen zwischen 1 μιη und 20 μιη oder zwischen 1 mm und 10 mm, vorliegt.
Kissen nach Anspruch 3,
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 wenigstens eine Phasenwechselmaterial (5) in durch wenigstens einen
Kunststoff, wenigstens ein Polymer, wenigstens ein Metall, wenigstens ein
Melaminharz, wenigstens ein Polymethylmethacrylat und/oder wenigstens eine siliziumorganische Verbindung gebildeten Kapseln (9) vorliegt.
Kissen nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
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 wenigstens eine Phasenwechselmaterial (PCM) (5) ein Paraffin, ein Salzhydrat, eine Salzmischung, ein Zuckeralkohol, ein Fettalkohol, eine Fettsäure oder ein Polyethylenglykol ist.
Kissen nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
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 Hülle (3) wenigstens teilweise aus einem, vorzugsweise einem durch wenigstens ein Gewebe (20) und/oder Fasern verstärkten, Kunststoff gebildet wird. Kissen nach Anspruch 6„
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 Kunststoff zur Bildung der Hülle (3) wenigstens teilweise aus Nitrilkautschuk (NBR), hydriertem Acrylnitrilbutadien-Kautschuk (HNBR), Ethylen-Propylen-Dien- Kautschuk (EPDM), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC) und/oder
Butylkautschuk gebildet ist.
Kissen nach einem der Ansprüche 1 bis 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
das maximale Volumen des Kissens (1) zwischen 0,1 dm3 und 5000 dm3, vorzugsweise zwischen 0,1 dm3 und 1000 dm3, insbesondere zwischen 0,1 dm3 und 100 dm3, weiter insbesondere zwischen 0,1 dm3 und 1 dm3, beträgt.
Kissen nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
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
als Kissengas (4) wenigstens ein Kohlenwasserstoff, insbesondere Propan,
Isobutan oder Cyclopropan, wenigstens ein halogenierter Kohlenwasserstoff, insbesondere Tetrafluorethan, Pentafluorethan, Heptafluorpropan oder
Hexafluorpropen, Dimethylether, Ammoniak, Kohlendioxid und/oder
Distickstoffmonoxid vorgesehen ist.
Kissen nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
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 Kissen (1) separat handhabbar und/oder sphärisch, linsenförmig oder länglich ausgebildet ist.
11. Kissenelement (21) zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids (2) in einem Speicherbehälter (12,16), mit einem Kissen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Kissen (1) umgeben ist von einem formstabilen und gasdurchlässigen äußeren Skelett (22) und wobei das Kissen (1) dazu ausgebildet ist, sich bei wenigstens einer bestimmten Kombination von Temperatur und Druck von innen an das Skelett (22) anzulegen.
12. Kissenelement nach Anspruch 11,
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 Skelett (22) aus Metall und/oder Kunststoff gebildet und/oder dass das Skelett
(22) durch Drähte (23), in Form eines Gitters und/oder in Form einer
Wabenstruktur gebildet ist.
13. Kissenelement nach Anspruch 1 oder 12,
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 Kissenelement (21) separat handhabbar und/oder sphärisch, linsenförmig oder länglich ausgebildet ist.
14. Speichereinrichtung (11,15) mit wenigstens einem Speicherbehälter (12,16) zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids (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
wenigstens ein Kissen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder dass wenigstens ein Kissenelement (21) nach einem der Ansprüche 11 bis 13 in dem Speicherbehälter (12,16) vorgesehen ist.
15. Speichereinrichtung nach Anspruch 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
der Speicherbehälter (12,16) thermisch isoliert ist.
16. Speichereinrichtung nach Anspruch 14 oder 15,
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 Speicherfluid (2) ein Gas, insbesondere Druckluft, ist und, vorzugsweise, die Speichereinrichtung (11,145) Teil eines Druckluftnetzes oder eines
Energiespeichers ist, oder dass das Speicherfluid (2) ein reaktiv umzusetzendes Nutzgas, insbesondere in Form von Erdgas und/oder Wasserstoff, ist und, vorzugsweise, die Speichereinrichtung (11,15) Teil eines Energiespeichers ist, und dass das Speicherfluid (2) eine Flüssigkeit ist und, vorzugsweise, die
Speichereinrichtung (11,15) Teil eines Energiespeichers ist.
17. Verfahren zur Herstellung einer Speichereinrichtung (11,15), vorzugsweise nach einem der Ansprüche 14 bis 16, zur isobaren Speicherung eines Speicherfluids (2), bei dem wenigstens ein Kissen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder wenigstens eine Kissenelement (21) nach einem der Ansprüche 10 bis 12 in wenigstens einen Speicherbehälter (12,16) eingebracht wird.
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