EP3538831A1 - Verfahren zur speicherung von wärmeenergie, wärmespeicher und dampfkraftwerk - Google Patents

Verfahren zur speicherung von wärmeenergie, wärmespeicher und dampfkraftwerk

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EP3538831A1
EP3538831A1 EP17800368.7A EP17800368A EP3538831A1 EP 3538831 A1 EP3538831 A1 EP 3538831A1 EP 17800368 A EP17800368 A EP 17800368A EP 3538831 A1 EP3538831 A1 EP 3538831A1
Authority
EP
European Patent Office
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heat
heat exchanger
microcapsules
bed
exchanger element
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Withdrawn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
EP17800368.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heimo WALTER
Markus Haider
Karl SCHWAIGER
Martin Hämmerle
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.)
Technische Universitaet Wien
Original Assignee
Technische Universitaet Wien
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Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Wien filed Critical Technische Universitaet Wien
Publication of EP3538831A1 publication Critical patent/EP3538831A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F22B31/0007—Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements of dispositions of combustion apparatus with combustion in a fluidized bed
    • F22B31/0069—Systems therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/08—Fluid driving means, e.g. pumps, fans
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a method for storing
  • the invention relates to a heat storage having
  • a second storage container for the bed wherein the second storage container is connected via the fluidized bed module with the first storage container;
  • Fluidized bed module is guided.
  • the invention relates to a steam power plant with a steam generator and with a heat storage.
  • the fluidized bed is a bed of solid particles
  • Fluidizing gas is placed in a fluidized state.
  • a nozzle bottom is provided, through which the fluidizing gas from an underlying
  • Windbox is introduced into the reactor room to go through there
  • Fluidized bed are immersed in the fluidized
  • Heat storage medium by heat exchange with the working fluid within the heat exchanger elements to heat or cool.
  • heat transfer In the prior art are as heat transfer and
  • Heat storage medium used fine solid particles. Sand is used especially frequently.
  • DE 10 2013 208 973 AI discloses a latent heat storage system with two containers, which are connected to each other via a pipe. Between the containers, a phase change material is conveyed via the pipeline (for example, directly with a screw conveyor or as a suspension in a transport fluid), wherein a heat transfer device thermal energy between the phase change material and a
  • Polymers only melting temperatures in the range up to about 150 ° C.
  • WO 2013/089678 A1 shows a different cooling device for a heat-generating component of a computer (for example a processor).
  • the object of the present invention is to improve a method and a heat accumulator of the kind set forth in such a way that the storage of heat with higher efficiency can be accomplished.
  • Claim 1 a heat accumulator with the features of claim 8 and a steam power plant with the features of claim 15 solved.
  • Preferred embodiments of the invention are specified in the dependent claims 2 to 7 and 9 to 14, respectively.
  • the bed has microcapsules with a
  • Phase Change Materials short PCM
  • Phase change material which absorbs high amounts of heat energy during melting, which are discharged again as solidification heat during discharge of the latent heat storage.
  • An example of such a latent heat storage is shown in DE 10 2010 060 717.
  • a heat transfer medium is supplied through a pipe, which is received within a heat spreader in the form of an extruded profile.
  • the extruded profile has a base body, on which ribs are fixed, which are in rib branches and rib branches
  • the heat spreader is arranged in a heat storage, inside which a phase change material is provided.
  • Spherical containers are arranged in a storage container in which a heat transfer fluid for flowing around the spherical container is introduced.
  • Support material is included.
  • the hollow spheres can be used in a fluidized bed heat exchanger. With the well-known
  • the hollow spheres must be substantially larger than the microparticles according to the invention
  • microencapsulated phase change materials cf. for example DE 10 2006 055 707 A1
  • phase change material cf. for example DE 10 2006 055 707 A1
  • slurry flow with phase change material in a liquid
  • cooling machine components EP 2 949 422 A1.
  • microcapsules ie particles with a
  • the fluidized bed module is between a first storage container and a second
  • Heat exchanger is not necessary.
  • the one heat exchanger for storing and the other heat exchanger for the storage of the heat energy is set up.
  • the microcapsules contain a phase change material, which during transport through the fluidized bed module in heat exchange with the first fluid flow of the heat exchange medium the
  • Microcapsules is stored or latent heat of the
  • Microcapsules is dispensed. Preferably that works
  • Fluidized bed module in the first storage tank a solidification of the phase change material of the microcapsules instead, whereby the previously stored heat is released in the form of solidification heat to the first fluid flow of the heat exchange medium.
  • This design brings significant benefits.
  • the heat transfer is particularly efficient.
  • the phase change material of the microcapsules instead, whereby the previously stored heat is released in the form of solidification heat to the first fluid flow of the heat exchange medium.
  • the transport between the first and second storage container via the fluidized bed is therefore particularly advantageous because a decoupling of heat output and
  • the fluidized bed also allows a very good heat transfer between the microcapsules and the heat exchange medium.
  • the microcapsules can be
  • a second fluid flow of a heat exchange medium in particular also a third
  • Fluidized bed module out to independently allow each heat exchange with the fluidized microcapsules.
  • the same fluidized bed of microcapsules can be used in the
  • Microcapsules heated by heat absorption of the first fluid flow in the solid state, wherein in the
  • Microcapsules by heat absorption from the second fluid flow from the solid state to the liquid state
  • Cooled fluid flow Furthermore, the heat of the second fluid flow during charging of the heat accumulator can be converted into heat of fusion of the phase change material of the microcapsules. Accordingly, the transition from the liquid to the solid state of aggregation of
  • Phase change material when unloading the heat accumulator can be used to provide the heat for the evaporator of the steam generator.
  • the material of the shell of the microcapsules remains solid
  • Microcapsules heated by heat absorption of the third fluid flow in the liquid state.
  • phase change material is cooled during discharge of the heat accumulator in the liquid state of aggregation with heat release the third fluid flow.
  • the first fluid flow between a steam generator, in particular a steam power plant, and the first
  • Fluidized bed of microcapsules are discharged, which is formed in the fluidized bed module between the first storage tank and the second storage container.
  • the energy stored in the microcapsules can be returned to the water-steam cycle of the steam power plant.
  • Heat exchanger element is conveyed, wherein in one
  • Microcapsules is heated by heat absorption from the first fluid flow in the solid state. At this
  • the heat of the first fluid flow from the preheater of the steam generator can be used to the sensible heat, ie the heat associated with a temperature change, of the phase change material in the solid state.
  • the sensible heat ie the heat associated with a temperature change
  • the second fluid flow is conveyed between an evaporator of a steam generator and the second heat exchanger element, wherein in a
  • Microcapsules by heat absorption from the second fluid flow from the solid state to the liquid state
  • Phase change material of the microcapsules are converted.
  • Discharging the heat accumulator can be used to provide the heat for the evaporator of the steam generator.
  • Microcapsules is heated by heat absorption of the third fluid flow in the liquid state. At this
  • Variant may be the heat of the superheater
  • the phase change material is cooled during discharge of the heat accumulator in the liquid state of aggregation with release of heat to the third fluid flow.
  • the sensitive area of the phase change material is in the liquid
  • both the sensitive area of the energy storage device and the energy storage device are charged
  • Phase change material used in the liquid state is provided, which with the preheater, evaporator or superheater of the
  • Fluid bed module take place so that forms a temperature profile along the fluidized bed.
  • the microcapsules each have a core of the phase change heat storage material and a shell enclosing the core on all sides.
  • the shell is made of a different material than the phase change thermal storage material of the core.
  • phase change material of the microcapsules for example, a nitrate salt may be provided.
  • the shell preferably consists of a plastic, such as polyimide.
  • Fluidized bed is smaller, but the heat transfer coefficient is greater than in the case of the hollow spheres used in the prior art, which in addition, assuming the same weight and the same material, have a larger volume and therefore require larger storage tank required. Accordingly, the microcapsules allow a particularly economical operation of the heat storage.
  • Microcapsules each having a diameter of 50 to 500 microns, in particular from 50 to 100 microns.
  • similar microcapsules are provided, each in the
  • Heat exchanger element preferably also a third
  • Heat exchanger element led into the fluidized bed module.
  • the second heat exchanger element optionally also the third
  • Heat exchanger element leads to a heat exchange medium to
  • first, second, and optionally also the third, heat exchanger element are connected to a heat source or heat sink.
  • Each heat exchanger element is preferably a tube bundle
  • first heat exchanger element and the second heat exchanger element are
  • the first heat exchanger element is connected to a steam generator.
  • Steam generator is in particular part of a steam power plant.
  • the heat generated in a steam boiler can be at least partially stored in the heat storage when the demand for electrical energy to the respective
  • Time is lower than the heat provided by the boiler is. This can advantageously be a balance of
  • the first heat exchanger element with a first customer in particular a preheater of a
  • Fig. 1 shows schematically a heat storage for use in a steam power plant, wherein in the illustrated
  • Fig. 2 shows the heat storage of Fig. 1 in one
  • Fig. 3 shows schematically a microcapsule with a core
  • Phase change material and a shell.
  • Fig. 1, 2 show a heat storage 1, which in the embodiment shown from management part of a steam power plant 2 is.
  • the steam power plant 2 may have a conventional structure, wherein in the following only the essential for the invention
  • Steam power plant 2 connected. For the sake of simplicity, only one steam generator 3 of the water-steam cycle is shown.
  • the steam generator 3 has a preheater 4 for preheating
  • the steam generator 3 is connected to a steam turbine (not shown), which is connected to a generator (not shown).
  • Fluidized bed module 7 for generating a fluidized bed of a bed 8, which consists of heat storage particles.
  • the fluidized-bed module 7 is provided with a first storage container 9 for the bed 8 at one end region and with a second storage container 10 for the bed 8 at the other end region
  • shut-off device 11 between the first storage tank 9 and the fluidized bed module 7 and a second shut-off device 12 between the second storage tank 9 and the fluidized bed module 7 is provided.
  • the first shut-off device 11 and the second Shut-off device 12 can each be transferred between an open state and a closed state. In the open state of the first 11 and second shut-off device 12, the bed of the first 9 and second storage container 10 can flow under the action of gravity in the fluidized bed module 7. In the closed state of the first 11 and second
  • Shut-off device 12 is the passage of the first 9 or
  • first 11 and second shut-off device 12 are exemplified as a slider.
  • Fluidized-bed module 7 has a device 13 for introducing a fluidizing gas (see arrows 14) into the bottom side (with reference to the operating state shown)
  • Fluidized bed module 7 on. Due to the upward flow of the fluidizing gas, a fluidized bed with the
  • Heat storage particles of the bed 8 generates.
  • the heat storage particles of the bed 8 are placed in the fluidized bed module 7 in a fluidized state.
  • the device 13 may have a nozzle base known in the prior art.
  • Fluidized bed module 7 has at the top a ceiling 7a, in which at least one outlet opening 15 for the
  • the outlet opening 15 can be provided with a valve, in particular a control valve, for adaptation of the exiting fluidizing gas flow (compare arrow 16).
  • the bed 8 is formed of microcapsules 17, each consisting of a core
  • microcapsules 17 are substantially free of voids.
  • Phase materials or microcapsules 17 each have one
  • a first heat exchanger element 20 a first heat exchanger element 20
  • Heat exchanger element 22 is provided which each project in sections in the fluidized bed module 7.
  • Heat exchanger element 22 carries a third fluid flow of a
  • Heat exchange medium here water vapor.
  • Heat exchanger element 20 is connected to the preheater 4, the second
  • Heat exchanger element 21 is connected to the evaporator 5 and the third heat exchanger element 22 is connected to the superheater 6 of the
  • the first heat exchanger element 20, the second heat exchanger element 21 and the third heat exchanger element 22 are arranged in the transport direction 23 of the microcapsules 17 (in relation to the injection operating state) at successive longitudinal positions of the fluidized bed module 7.
  • Heat exchanger element 20 promoted. This is the
  • Phase change material of the microcapsules 17 is heated by heat absorption of the first fluid flow in the solid state.
  • Heat exchanger element 20 is cooled accordingly.
  • the second fluid flow is from the evaporator 5 via the second
  • Heat exchanger element 21 promoted. Due to the heat exchange between the microcapsules 17 and the second fluid flow, the phase change material of the microcapsules 17 from the solid
  • Microcapsules is heated by heat absorption of the third fluid flow in the liquid state.
  • Storage tank 10 enter the fluidized bed module 7. There, the microcapsules 17 flow in the fluidized state in the other horizontal direction 26 (opposite to the direction 23 in FIG Injection mode) along the fluidized bed module 7. In heat exchange with the first, second and third fluid flows, the microcapsules 17 release the previously stored heat.
  • the second heat exchanger element 21 effects a phase transition of the phase change material from the liquid to the solid state.
  • Phase change material cooled in the solid state The first, second and third fluid flows absorb the heat given off by the microcapsules.
  • the microcapsules 17 pass through a second outlet opening 27a of the fluidized-bed module 7 into a second intermediate bunker 27b, which has a second intermediate bunker 27b
  • Transport device 28 in the embodiment shown again a bucket elevator, with the first storage container 9 is connected.
  • the same transport device for transporting the microcapsules 17 from the first intermediate bunker 24b into the second storage container 19 and for transporting the microcapsules 17 from the second intermediate bunker 27b into the first storage container 9 may also be provided.
  • Other transport means for the horizontal transport of the microcapsules 17 along the fluidized-bed module 7 may also be provided.
  • Fig. 3 shows the microcapsules 17, which in the
  • a method for intermediate storage of heat, in particular in a steam power plant 2 can be carried out, which comprises at least the following steps: - Provide a bed 8 in a first storage container 9, wherein the bed 8 microcapsules 17 with a
  • Phase change material 18
  • Fluidized bed module 7

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Abstract

Verfahren und Wärmespeicher (1) zur Speicherung von Wärmeenergie mit den Schritten: - Anordnen einer Schüttung (8) in einem ersten Speicherbehälter (9); - Transportieren der Schüttung von dem ersten Speicherbehälter (10) in ein Wirbelschichtmodul (7); - Fluidisieren der Schüttung (8) in dem Wirbelschichtmodul (7); - Wärmeaustausch zwischen der Schüttung (8) im fluidisierten Zustand und einer ersten Fluidströmung innerhalb eines ersten Wärmetauscherelementes (20); - Transportieren der Schüttung (8) von dem Wirbelschichtmodul (7) in den zweiten Speicherbehälter (10), wobei - die Schüttung (8) Mikrokapseln (17) mit einem Phasenwechselmaterial (18) aufweist.

Description

Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie, Wärmespeicher und
Dampfkraftwerk
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung von
Wärmeenergie mit den Schritten:
- Anordnen einer Schüttung in einem ersten Speicherbehälter;
- Transportieren der Schüttung von dem ersten Speicherbehälter in ein Wirbelschichtmodul;
- Fluidisieren der Schüttung in dem Wirbelschichtmodul;
- Wärmeaustausch zwischen der Schüttung im fluidisierten
Zustand und einer ersten Fluidströmung innerhalb eines ersten Wärmetauscherelementes ;
- Transportieren der Schüttung von dem Wirbelschichtmodul in den zweiten Speicherbehälter.
Weiters betrifft die Erfindung einen Wärmespeicher aufweisend
- eine Schüttung;
- ein Wirbelschichtmodul;
- eine Einrichtung zum Einleiten eines Fluidisierungsgases in das Wirbelschichtmodul, um die Schüttung in einen
fluidisierten Zustand zu versetzen;
- einen ersten Speicherbehälter für die Schüttung;
- einen zweiten Speicherbehälter für die Schüttung, wobei der zweite Speicherbehälter über das Wirbelschichtmodul mit dem ersten Speicherbehälter verbunden ist;
- ein erstes Wärmetauscherelement, welches in das
Wirbelschichtmodul geführt ist.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Dampfkraftwerk mit einem Dampferzeuger und mit einem Wärmespeicher.
Im Stand der Technik werden Wirbelschichten seit langem für die Behandlung und Handhabung von Feststoffschüttungen verwendet. Als Wirbelschicht wird eine Schüttung von Feststoffpartikeln
bezeichnet, welche durch eine aufwärtsgerichtete Strömung eines Fluidisierungsgases in einen fluidisierten Zustand versetzt wird. Bei solchen Wirbelschichtreaktoren ist ein Düsenboden vorgesehen, durch den das Fluidisierungsgas aus einer darunterliegenden
Windbox in den Reaktorraum eingeleitet wird, um dort durch
Aufwirbelung der Feststoffschüttung die Wirbelschicht zu erzeugen (vgl. die AT 515 810 AI) .
Mit dieser Technologie können Wirbelschichtwärmetauscher
realisiert werden, bei denen Wärmetauscherelemente in die
Wirbelschicht eingetaucht werden, um das fluidisierte
Wärmespeichermedium durch Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmedium innerhalb der Wärmetauscherelemente aufzuheizen oder abzukühlen. Beim Stand der Technik werden als Wärmeträger- und
Wärmespeichermedium feine Feststoffpartikel verwendet. Besonders häufig wird Sand eingesetzt.
Die DE 10 2013 208 973 AI offenbart ein Latentwärmespeichersystem mit zwei Behältern, welche über eine Rohrleitung miteinander verbunden sind. Zwischen den Behältern wird über die Rohrleitung ein Phasenwechselmaterial gefördert (beispielsweise direkt mit einer Förderschnecke oder als Suspension in einem Transportfluid) , wobei über eine Wärmeübertragungsvorrichtung thermische Energie zwischen dem Phasenwechselmaterial und einem
Wärmetransportmaterial übertragen wird. Bei solchen formstabilen PCM erfolgt jedoch keine Verkapselung des Phasenwechselmaterials wie bei der gegenständlichen Erfindung. Zudem weisen solche
Polymere lediglich Schmelztemperaturen im Bereich bis zu ca. 150°C auf .
WO 2013/089678 AI zeigt eine andersartige Kühlvorrichtung für eine Wärme erzeugende Komponente eines Computers (beispielsweise ein Prozessor) .
Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren und einen Wärmespeicher der eingangs angeführten Art dahingehend zu verbessern, dass die Speicherung von Wärme mit höherer Effizienz bewerkstelligt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von
Anspruch 1, einen Wärmespeicher mit den Merkmalen von Anspruch 8 und ein Dampfkraftwerk mit den Merkmalen von Anspruch 15 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 bzw. 9 bis 14 angegeben.
Erfindungsgemäß weist die Schüttung Mikrokapseln mit einem
Phasenwechselmaterial auf.
Im Stand der Technik wurden bereits verschiedenste Ausführungen von Latentwärmespeichern vorgeschlagen, bei welchen die im
Vergleich zu sensiblen Wärmespeichermedien höhere
Wärmeaufnahmekapazität von Phasenwechselmaterialien (engl. „Phase Change Materials", kurz PCM) genutzt werden. Solche
Latentwärmespeicher nutzen die Enthalpieänderung des
Phasenwechselmaterials , welches beim Aufschmelzen hohe Mengen von Wärmeenergie aufnimmt, die beim Entladen des Latentwärmespeichers als Erstarrungswärme wieder abgegeben werden. Ein Beispiel für einen solchen Latentwärmespeicher ist in der DE 10 2010 060 717 gezeigt. Bei dieser Ausführung des Latentwärmespeichers wird ein Wärmeträgermedium durch ein Rohr zugeführt, welches innerhalb eines Wärmeverteilers in Form eines Strangpressprofils aufgenommen ist. Das Strangpressprofil weist einen Grundkörper auf, an welchem Rippen befestigt sind, die in Rippenäste und Rippenzweige
aufgespalten sind. Der Wärmeverteiler wird in einem Wärmespeicher angeordnet, in dessen Inneren ein Phasenwechselmaterial vorgesehen ist .
Weiters wurde von Amin et al . in „Effective thermal conductivity for melting in PCM encapsulated in a sphere", Applied Energy 122:280-287, June 2014, vorgeschlagen, kugelförmige Behälter mit Einschlüssen des Phasenwechselmaterials vorzusehen. Diese
kugelförmigen Behälter werden in einem Speicherbehälter angeordn in welchen ein Wärmeträgerfluid zum Umströmen der kugelförmigen Behälter eingeleitet wird.
Die vorstehend erläuterten Ausführungen des Latentwärmespeichers haben jedoch den Nachteil gemeinsam, dass die Wärmeleistung von der Speicherkapazität nicht getrennt werden kann.
Ein Ansatz für die Trennung der Wärmeleistung von der
Speicherkapazität wurde von Zipf et al . in „High temperature
latent heat storage with a screw heat exchanger: Design of
prototype", Applied energy 109 (2013) 462-469, verfolgt. Dabei wird das Phasenwechselmaterial mittels eines
Schneckenwärmetauschers transportiert. Diese Ausführung ist jedoch konstruktiv aufwendig und wenig effizient.
In der DE 3038723 wurde eine andersartige Wärmespeichermasse in Form einer Hohlkugel offenbart, bei welcher ein
Phasenwechselmaterial in Poren einer Außenhülle aus einem
Trägermaterial eingeschlossen ist. Die Hohlkugeln können in einem Wirbelschichtwärmetauscher verwendet werden. Mit den bekannten
Hohlkugeln kann jedoch das vorhandene Speichervolumen nur
ungenügend ausgenützt werden. Dies würde bei gleicher Leistung zu einer wesentlich größeren Bauweise der Speicherbehälter sowie des Wirbelschichtmoduls führen. Grundsätzlich müssen die Hohlkugeln wesentlich größer als die erfindungsgemäßen Mikropartikel
ausgeführt werden. Nachteilig ist zudem, dass wesentliche höhere Hilfsenergien für den Transport der Hohlkugeln notwendig wären.
Schließlich bewirken die Hohlkugeln aufgrund des größeren Volumens einen schlechteren Wärmeübergang.
Darüber hinaus sind mikroverkapselte Phasenwechselmaterialien (vgl. zum Beispiel DE 10 2006 055 707 AI) im Stand der Technik an sich bekannt. Solche Mikrokapseln sind jedoch bisher lediglich für abliegende Einsatzzwecke verwendet worden. Beispielsweise wurde eine sogenannte Slurry-Strömung (mit Phasenwechselmaterial in einer Flüssigkeit) zur Kühlung von Maschinenbauteilen genutzt (EP 2 949 422 AI) .
Erfindungsgemäß werden Mikrokapseln, also Partikel mit einem
Außendurchmesser im Mikrometer-Bereich, im fluidisierten Zustand, vorzugsweise im Wesentlichen in horizontaler Ebene, entlang des Wirbelschichtmoduls transportiert. Das Wirbelschichtmodul ist zwischen einem ersten Speicherbehälter und einem zweiten
Speicherbehälter angeordnet. Bei einem Transport der Mikrokapseln in die eine horizontale Richtung, vom ersten Speicherbehälter über das Wirbelschichtmodul in den zweiten Speicherbehälter, nehmen die Mikrokapseln Wärme von der ersten Fluidströmung des
Wärmeaustauschmediums auf, so dass die Mikrokapseln in einem
Zustand höherer Wärmeenergie in den zweiten Speicherbehälter gelangen, in welchem die Mikrokapseln im Zustand höherer
Wärmeenergie gesammelt werden können. Dieser Vorgang entspricht dem Einspeicherbetriebszustand. Umgekehrt können die Mikrokapseln bei einem Transport in die andere horizontale Richtung, von dem zweiten Speicherbehälter über das Wirbelschichtmodul in den ersten Speicherbehälter, Wärme an die erste Fluidströmung des
Wärmeaustauschmediums abgeben, so dass die Mikrokapseln in dem ersten Speicherbehälter in einem Zustand niedrigerer Wärmeenergie in den ersten Speicherbehälter gelangen. Je nach Ausführung kann ein einzelnes Wirbelschichtmodul für den Einspeicher- und den Ausspeichervorgang vorgesehen sein. Es können jedoch auch zwei Wärmeübertrager in Form von Wirbelschichtmodulen vorgesehen sein, so dass eine Richtungsumkehr der Strömung im jeweiligen
Wärmeübertrager nicht notwendig ist. Bei dieser Aus führungs form ist der eine Wärmeübertrager für das Einspeichern und der andere Wärmeübertrager für das Ausspeichern der Wärmenergie eingerichtet. Die Mikrokapseln enthalten ein Phasenwechselmaterial, welches beim Transport durch das Wirbelschichtmodul im Wärmeaustausch mit der ersten Fluidströmung des Wärmeaustauschmediums den
Aggregatszustand ändern kann, so dass Latentwärme in den
Mikrokapseln gespeichert wird bzw. Latentwärme von den
Mikrokapseln abgegeben wird. Vorzugsweise geht das
Phasenwechselmaterial der Mikrokapseln beim Transport vom ersten Speicherbehälter in den zweiten Speicherbehälter innerhalb des Wirbelschichtmoduls von der festen Phase in die flüssige Phase über, wodurch hohe Mengen an Schmelzenergie aufgenommen werden können. Entsprechend findet beim Transport der Mikrokapseln in die andere Richtung, vom zweiten Speicherbehälter über das
Wirbelschichtmodul in den ersten Speicherbehälter, ein Erstarren des Phasenwechselmaterials der Mikrokapseln statt, wodurch die zuvor gespeicherte Wärme in Form von Erstarrungswärme an die erste Fluidströmung des Wärmeaustauschmediums abgegeben wird. Diese Ausführung bringt wesentliche Vorteile mit sich. Zum einen ist der Wärmeübergang besonders effizient. Insbesondere erfolgt der
Phasenwechsel bei im Wesentlichen konstanter Temperatur der
Mikrokapseln. Weiters können besonders hohe Wärmemengen
gespeichert werden. Der Transport zwischen dem ersten und zweiten Speicherbehälter über die Wirbelschicht ist deshalb besonders vorteilhaft, weil eine Entkopplung von Wärmeleistung und
Speicherkapazität stattfinden kann. Die Wirbelschicht ermöglicht zudem einen sehr guten Wärmeübergang zwischen den Mikrokapseln und dem Wärmeaustauschmedium. Die Mikrokapseln können
vorteilhafterweise mit geringem Energieaufwand in den
fluidisierten Zustand gebracht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Speicherung von Wärme werden bevorzugt die weiteren Schritte:
- Wärmeaustausch zwischen der Schüttung im fluidisierten
Zustand und einer zweiten Fluidströmung innerhalb eines zweiten Wärmetauscherelementes, vorzugsweise zudem - Wärmeaustausch zwischen der Schüttung im fluidisierten Zustand und einer dritten Fluidströmung innerhalb eines dritten Wärmetauscherelementes
durchgeführt .
Bei dieser Aus führungs form wird daher eine zweite Fluidströmung eines Wärmeaustauschmediums, insbesondere zudem eine dritte
Fluidströmung eines Wärmeaustauschmediums, in das
Wirbelschichtmodul geführt, um unabhängig voneinander jeweils einen Wärmeaustausch mit den fluidisierten Mikrokapseln zu ermöglichen. Vorteilhafterweise kann daher dieselbe Wirbelschicht aus Mikrokapseln dazu genutzt werden, im
Einspeicherbetriebszustand Wärme von der ersten und der zweiten Fluidströmung aufzunehmen und im Ausspeicherbetriebszustand die gespeicherte Wärme an die erste und die zweite Fluidströmung abzugeben .
Gemäß einer bevorzugten Aus führungs form wird in einem
Einspeicherbetriebszustand das Phasenwechselmaterial der
Mikrokapseln durch Wärmeaufnahme von der ersten Fluidströmung im festen Aggregatszustand erhitzt, wobei in dem
Einspeicherbetriebszustand das Phasenwechselmaterial der
Mikrokapseln durch Wärmeaufnahme von der zweiten Fluidströmung vom festen Aggregatszustand in den flüssigen Aggregatszustand
überführt wird.
Bei dieser Ausführungsvariante kann die Wärme der ersten
Fluidströmung dazu genutzt werden, die sensible Wärme, d.
mit einer Temperaturänderung einhergehender Wärme, des
Phasenwechselmaterials im festen Zustand zu erhöhen. Im
Ausspeicherbetriebszustand wird das Phasenwechselmaterial
festen Aggregatszustand unter Wärmeabgabe an die erste
Fluidströmung abgekühlt. Weiters kann die Wärme der zweiten Fluidströmung beim Aufladen des Wärmespeichers in Schmelzwärme des Phasenwechselmaterials der Mikrokapseln umgewandelt werden. Entsprechend kann der Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatszustand des
Phasenwechselmaterials beim Entladen des Wärmespeichers dazu genutzt werden, die Wärme für den Verdampfer des Dampferzeugers bereitzustellen.
Das Material der Hülle der Mikrokapseln bleibt im festen
Aggregatszustand, wenn das Phasenwechselmaterial der Mikrokapseln durch Wärmeaufnahme von der zweiten Fluidströmung vom festen
Aggregatszustand in den flüssigen Aggregatszustand überführt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Aus führungs form wird im
Einspeicherbetriebszustand das Phasenwechselmaterial der
Mikrokapseln durch Wärmeaufnahme von der dritten Fluidströmung im flüssigen Aggregatszustand erhitzt.
Bei dieser Ausführungsvariante kann die Wärme der dritten
Fluidströmung zur Erhöhung der sensiblen Wärme des
Phasenwechselmaterials im flüssigen Zustand herangezogen werden Entsprechend wird das Phasenwechselmaterial beim Entladen des Wärmespeichers im flüssigen Aggregatszustand unter Wärmeabgabe die dritte Fluidströmung abgekühlt.
Bevorzugt wird daher beim Aufladen des Energiespeichers sowohl der sensible Bereich des Phasenwechselmaterials der Mikrokapseln im festen Zustand, die Latentwärme des Phasenwechselmaterials beim Übergang vom festen Zustand in den flüssigen Zustand und die sensible Wärme des Phasenwechselmaterials im flüssigen Zustand genutzt .
Bei einer bevorzugten Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die erste Fluidströmung zwischen einem Dampferzeuger, insbesondere eines Dampfkraftwerkes, und dem ersten
Wärmetauscherelement gefördert. Bei dieser Aus führungs form kann die Wärme der ersten Fluidströmung des Dampferzeugers an die
Wirbelschicht aus Mikrokapseln abgegeben werden, welche in dem Wirbelschichtmodul zwischen dem ersten Speicherbehälter und dem zweiten Speicherbehälter ausgebildet wird.
Aufgrund des stetigen Ausbaus erneuerbarer Energien können im Zeitverlauf sowohl Überkapazitäten als auch Unterkapazitäten der elektrischen Leistung auftreten. Die Schwankungen werden mit Hilfe konventioneller Kraftwerke ausgeglichen. Hierfür werden vielfach fossilbefeuerte Kraftwerke, insbesondere Kohlekraftwerke, mit Dampferzeuger herangezogen, welche jedoch den Nachteil mit sich bringen, dass die an das Stromnetz abzugebende Leistung nicht in beliebigem Ausmaß und ausreichend schnell geändert werden kann.
Durch den Wärmeaustausch zwischen der ersten Fluidströmung des Dampferzeugers und den Mikrokapseln in dem Wirbelschichtmodul wird eine Zwischenspeicherung von Energie des Dampfkraftwerkes
ermöglicht, wenn der Bedarf an elektrischer Energie momentan geringer als die vom Dampfkraftwerk zur Verfügung gestellte
Energie ist. Steigt der Bedarf an elektrischer Energie, kann die in den Mikrokapseln gespeicherte Energie in den Wasser-Dampf- Kreislauf des Dampfkraftwerkes rückgeführt werden.
Besonders bevorzugt ist hierbei, wenn die erste Fluidströmung zwischen einem Vorwärmer des Dampferzeugers und dem ersten
Wärmetauscherelement gefördert wird, wobei in einem
Einspeicherbetriebszustand das Phasenwechselmaterial der
Mikrokapseln durch Wärmeaufnahme von der ersten Fluidströmung im festen Aggregatszustand erhitzt wird. Bei dieser
Ausführungsvariante kann die Wärme der ersten Fluidströmung aus dem Vorwärmer des Dampferzeugers dazu genutzt werden, die sensible Wärme, d.h. die mit einer Temperaturänderung einhergehender Wärme, des Phasenwechselmaterials im festen Zustand zu erhöhen. Im Ausspeicherbetriebszustand wird das Phasenwechselmaterial im festen Aggregatszustand unter Wärmeabgabe an die erste
Fluidströmung abgekühlt. Vorteilhafterweise ist der sensible Bereich des Phasenwechselmaterials im festen Aggregatszustand auf die Temperaturen des Wärmeaustauschmediums im Vorwärmer des
Dampferzeugers abgestimmt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung wird die zweite Fluidströmung zwischen einem Verdampfer eines Dampferzeugers und dem zweiten Wärmetauscherelement gefördert, wobei in einem
Einspeicherbetriebszustand das Phasenwechselmaterial der
Mikrokapseln durch Wärmeaufnahme von der zweiten Fluidströmung vom festen Aggregatszustand in den flüssigen Aggregatszustand
überführt wird. Demnach kann die Wärme der zweiten Fluidströmung beim Aufladen des Wärmespeichers in Schmelzwärme des
Phasenwechselmaterials der Mikrokapseln umgewandelt werden.
Vorteilhafterweise ist der Phasenwechsel der Mikrokapseln
effizient auf die Eigenschaften der zweiten Fluidströmung
abgestimmt, welche von dem Verdampfer des Dampferzeugers
hergeleitet wird. Entsprechend kann der Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatszustand des Phasenwechselmaterials beim
Entladen des Wärmespeichers dazu genutzt werden, die Wärme für den Verdampfer des Dampferzeugers bereitzustellen.
Schließlich ist bevorzugt vorgesehen, dass die dritte
Fluidströmung zwischen einem Überhitzer eines Dampferzeugers und dem dritten Wärmetauscherelement gefördert wird, wobei im
Einspeicherbetriebszustand das Phasenwechselmaterial der
Mikrokapseln durch Wärmeaufnahme von der dritten Fluidströmung im flüssigen Aggregatszustand erhitzt wird. Bei dieser
Ausführungsvariante kann die Wärme der vom Überhitzer
hergeleiteten dritten Fluidströmung zur Erhöhung der sensiblen Wärme des Phasenwechselmaterials im flüssigen Zustand herangezogen werden. Entsprechend wird das Phasenwechselmaterial beim Entladen des Wärmespeichers im flüssigen Aggregatszustand unter Wärmeabgabe an die dritte Fluidströmung abgekühlt. Vorteilhafterweise ist der sensible Bereich des Phasenwechselmaterials im flüssigen
Aggregatszustand auf die Temperaturen des Wärmeaustauschmediums im Überhitzer des Dampferzeugers abgestimmt.
In einer besonders bevorzugten Aus führungs form wird beim Aufladen des Energiespeichers sowohl der sensible Bereich des
Phasenwechselmaterials der Mikrokapseln im festen Zustand, die
Latentwärme des Phasenwechselmaterials beim Übergang vom festen Zustand in den flüssigen Zustand und die sensible Wärme des
Phasenwechselmaterials im flüssigen Zustand genutzt. Hierfür sind das erste, zweite und dritte Wärmetauscherelement vorgesehen, welche mit dem Vorwärmer, Verdampfer bzw. Überhitzer des
Dampferzeugers verbunden sind. Vorteilhafterweise kann der
Wärmeaustausch zwischen den Mikrokapseln und der ersten, zweiten bzw. dritten Fluidströmung in einzelnen Längsabschnitten des
Wirbelschichtmoduls stattfinden, damit sich ein Temperaturprofil entlang der Wirbelschicht ausbildet.
In einer bevorzugten Ausführung weisen die Mikrokapseln jeweils einen Kern aus dem Phasenwechsel-Wärmespeichermaterial und eine den Kern allseitig umschließende Hülle auf. Die Hülle besteht aus einem anderen Material als das Phasenwechsel-Wärmespeichermaterial des Kerns.
Als Phasenwechselmaterial der Mikrokapseln kann beispielsweise ein Nitratsalz vorgesehen sein. Die Hülle besteht hingegen bevorzugt aus einem Kunststoff, beispielsweise Polyimid. Die Mikrokapseln haben den Vorteil, dass die benötigte Hilfsenergie für die
Wirbelschicht kleiner, der Wärmeübergangskoeffizient aber größer als bei den im Stand der Technik verwendeten Hohlkugeln ist, welche zudem, gleiches Gewicht und gleiches Material vorausgesetzt, ein größeres Volumen haben und deshalb größere Speicherbehälter erforderlich machen. Demnach ermöglichen die Mikrokapseln einen besonders wirtschaftlichen Betrieb des Wärmespeichers.
Um einerseits eine hohe Wärmeleistung zu ermöglichen und
andererseits die Fluidisierung der Mikrokapseln in der
Wirbelschicht zu erleichtern, ist es günstig, wenn die
Mikrokapseln jeweils einen Durchmesser von 50 bis 500 Mikrometer, insbesondere von 50 bis 100 Mikrometer, aufweisen. Bevorzugt sind gleichartige Mikrokapseln vorgesehen, welche jeweils im
Wesentlichen denselben Durchmesser aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführung ist ein zweites
Wärmetauscherelement, vorzugsweise zudem ein drittes
Wärmetauscherelement, in das Wirbelschichtmodul geführt. Das zweite Wärmetauscherelement, gegebenenfalls auch das dritte
Wärmetauscherelement, führt ein Wärmeaustauschmedium zum
Wärmeaustausch mit den Mikrokapseln in dem Wirbelschichtmodul. Zu diesem Zweck sind das erste, zweite, gegebenenfalls auch das dritte, Wärmetauscherelement mit einer Wärmequelle bzw. Wärmesenke verbunden. Als erstes und/oder zweites und/oder drittes
Wärmetauscherelement ist jeweils bevorzugt ein Rohrbündel
vorgesehen .
In einer besonders bevorzugten Aus führungs form sind das erste Wärmetauscherelement und das zweite Wärmetauscherelement,
vorzugsweise zudem das dritte Wärmetauscherelement, in
Längsrichtung des Wirbelschichtmoduls gesehen voneinander
beabstandet sind. Bei dieser Ausführung sind das erste, zweite und gegebenenfalls das dritte Wärmetauscherelement, in
Strömungsrichtung der Mikropartikel (bezogen auf den
Einspeicherbetriebszustand) gesehen, in aufeinanderfolgenden
Längsabschnitten des Wirbelschichtmoduls angeordnet. Dadurch können an den einzelnen Längsabschnitten des Wirbelschichtmoduls unterschiedliche Wärmezustände der Mikrokapseln ausgebildet werden,
Bei einer bevorzugten Anwendung des Energiespeichers ist das erste Wärmetauscherelement mit einem Dampferzeuger verbunden. Der
Dampferzeuger ist insbesondere Bestandteil eines Dampfkraftwerkes. Bei dieser Ausführung kann die in einem Dampfkessel entstehende Wärme zumindest teilweise in den Wärmespeicher ausgespeichert werden, wenn der Bedarf an elektrischer Energie zum jeweiligen
Zeitpunkt geringer als die vom Dampfkessel zur Verfügung gestellte Wärme ist. Damit kann vorteilhafterweise ein Ausgleich von
Schwankungen im Strombedarf geschaffen werden, wodurch ein
besonders effizienter Betrieb des Dampfkraftwerkes ermöglicht wird.
Insbesondere ist es günstig, wenn das erste Wärmetauscherelement mit einem ersten Abnehmer, insbesondere einem Vorwärmer eines
Dampferzeugers, und/oder das zweite Wärmetauscherelement mit einem zweiten Abnehmer, insbesondere einem Verdampfer des Dampferzeugers, und/oder das dritte Wärmetauscherelement mit einem dritten
Abnehmer, insbesondere einem Überhitzer des Dampferzeugers,
verbunden ist bzw. sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels, auf das sie jedoch nicht beschränkt sein soll, weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Wärmespeicher zur Verwendung in einem Dampfkraftwerk, wobei im dargestellten
Einspeicherbetriebszustand Mikrokapseln mit Phasenwechselmaterial- Kern im fluidisierten Zustand in horizontaler Richtung
transportiert werden, um die Wärme von Fluidströmungen aus einem Dampferzeuger aufzunehmen;
Fig. 2 den Wärmespeicher von Fig. 1 in einem
Ausspeicherbetriebszustand, wobei die Mikrokapseln der Wirbelschicht in entgegengesetzte Richtung transportiert werden, um die zuvor gespeicherte Wärme an die Fluidströmungen des
Dampferzeugers abzugeben; und
Fig. 3 schematisch eine Mikrokapsel mit einem Kern aus
Phasenwechselmaterial und einer Hülle.
Fig. 1, 2 zeigen einen Wärmespeicher 1, welcher in der gezeigten Aus führungs form Bestandteil eines Dampfkraftwerkes 2 ist. Das Dampfkraftwerk 2 kann einen herkömmlichen Aufbau aufweisen, wobei im Folgenden lediglich die für die Erfindung wesentlichen
Komponenten erläutert werden. In der gezeigten Ausführung ist der Wärmespeicher 1 mit einem Wasser-Dampf-Kreislauf des
Dampfkraftwerkes 2 verbunden. Der Einfachheit halber ist lediglich ein Dampferzeuger 3 des Wasser-Dampf-Kreislaufes dargestellt. Der Dampferzeuger 3 weist einen Vorwärmer 4 zum Vorwärmen von
Speisewasser, einen Verdampfer 5 zur Erzeugung von Wasserdampf aus dem Speisewasser und einen Überhitzer 6 zur Erhitzung des
Wasserdampfes auf. Der Dampferzeuger 3 ist mit einer (nicht dargestellten) Dampfturbine verbunden, welche an einen Generator (nicht dargestellt) angeschlossen ist.
Wie aus Fig. 1, 2 ersichtlich, weist der Wärme- bzw.
Energiespeicher 1 ein Wirbelschichtwärmetauschermodul (nachstehend kurz: Wirbelschichtmodul) 7 zur Erzeugung einer Wirbelschicht aus einer Schüttung 8 auf, welche aus Wärmespeicherpartikeln besteht. Das Wirbelschichtmodul 7 ist am einen Endbereich mit einem ersten Speicherbehälter 9 für die Schüttung 8 und am anderen Endbereich mit einem zweiten Speicherbehälter 10 für die Schüttung 8
verbunden. In der gezeigten Ausführung ist eine erste
Absperrvorrichtung 11 zwischen dem ersten Speicherbehälter 9 und dem Wirbelschichtmodul 7 und eine zweite Absperrvorrichtung 12 zwischen dem zweiten Speicherbehälter 9 und dem Wirbelschichtmodul 7 vorgesehen. Die erste Absperrvorrichtung 11 und die zweite Absperrvorrichtung 12 sind jeweils zwischen einem geöffneten Zustand und einem geschlossenen Zustand überführbar. Im offenen Zustand der ersten 11 bzw. zweiten Absperrvorrichtung 12 kann die Schüttung von dem ersten 9 bzw. zweiten Speicherbehälter 10 unter der Wirkung der Schwerkraft in das Wirbelschichtmodul 7 strömen. Im geschlossenen Zustand der ersten 11 bzw. zweiten
Absperrvorrichtung 12 ist der Durchtritt von dem ersten 9 bzw.
zweiten Speicherbehälter 10 in das Wirbelschichtmodul 7 abgesperrt. In der Zeichnung sind die erste 11 und zweite Absperrvorrichtung 12 beispielhaft als Schieber veranschaulicht. Das
Wirbelschichtmodul 7 weist an der Unterseite (bezogen auf den dargestellten Betriebszustand) eine Einrichtung 13 zum Einleiten eines Fluidisierungsgases (vgl. Pfeile 14) in das
Wirbelschichtmodul 7 auf. Durch die aufwärtsgerichtete Strömung des Fluidisierungsgases wird eine Wirbelschicht mit den
Wärmespeicherpartikeln der Schüttung 8 erzeugt. Somit werden die Wärmespeicherpartikel der Schüttung 8 in dem Wirbelschichtmodul 7 in einen fluidisierten Zustand versetzt. Die Einrichtung 13 kann einen im Stand der Technik bekannten Düsenboden aufweisen. Das
Wirbelschichtmodul 7 weist an der Oberseite eine Decke 7a auf, in welcher zumindest eine Austrittsöffnung 15 für das
Fluidisierungsgas ausgebildet ist. Die Austrittsöffnung 15 kann mit einem Ventil, insbesondere einem Regelventil, zur Anpassung des austretenden Fluidisierungsgasstromes (vgl. Pfeil 16) versehen sein .
In der gezeigten Ausführung ist die Schüttung 8 aus Mikrokapseln 17 gebildet, welche jeweils aus einem Kern aus
Phasenwechselmaterial 18 und einer den Kern allseitig
umschließenden Hülle 19 bestehen. Somit sind die Mikrokapseln 17 im Wesentlichen frei von Hohlräumen. Die mikroverkapselten
Phasenmaterialien bzw. Mikrokapseln 17 weisen jeweils einen
Durchmesser von 50 bis 500 Mikrometer auf. Zum Einspeichern von Wärme in den Wärmespeicher 1 bzw. zum
Ausspeichern von Wärme aus dem Wärmespeicher 1 sind in der
gezeigten Ausführung ein erstes Wärmetauscherelement 20, ein
zweites Wärmetauscherelement 21 und ein drittes
Wärmetauscherelement 22 vorgesehen, welche jeweils abschnittsweise in das Wirbelschichtmodul 7 ragen. Das erste Wärmetauscherelement
20 führt eine erste Fluidströmung, das zweite Wärmetauscherelement
21 führt eine zweite Fluidströmung und das dritte
Wärmetauscherelement 22 führt eine dritte Fluidströmung eines
Wärmeaustauschmediums, hier Wasser-Dampf. Das erste
Wärmetauscherelement 20 ist mit dem Vorwärmer 4, das zweite
Wärmetauscherelement 21 ist mit dem Verdampfer 5 und das dritte Wärmetauscherelement 22 ist mit dem Überhitzer 6 des
Dampferzeugers 3 verbunden.
In Fig. 1 ist der Einspeicherbetriebszustand des Wärmespeichers 1 dargestellt, wobei die Mikrokapseln 17 der Wirbelschicht im
fluidisierten Zustand aufgrund des Höhenunterschiedes zwischen dem ersten Speicherbehälter 9 und dem Wirbelschichtmodul 7 in die eine horizontale Richtung 23 entlang des Wirbelschichtmoduls 7 strömen. Wie nachstehend noch im Detail erläutert wird, werden die
Mikrokapseln 17 durch den Kontakt mit dem ersten 20, zweiten 21 und dritten Wärmetauscherelement 22 in einen Zustand höherer
Wärmeenergie gebracht. In der gezeigten Ausführung werden die
Mikrokapseln 17 nach dem Passieren des Wirbelschichtmoduls 7 über eine verschließbare erste Austrittsöffnung 24a in einen ersten
Zwischenbunker 24b geführt. Danach werden die Mikrokapseln 17 mit Hilfe einer ersten Transportvorrichtung 25, welche in der
gezeigten Ausführung in Form eines Becherwerks vorliegt, in den zweiten Speicherbehälter 10 transportiert. Im
Einspeicherbetriebszustand, d.h. beim Beladen des Wärmespeichers 1, befindet sich die erste Absperrvorrichtung 11 im geöffneten
Zustand, wohingegen sich die zweite Absperrvorrichtung 12 im
geschlossenen Zustand befindet. Zur Ausbildung einzelner Wärmeaustauschzonen sind das erste Wärmetauscherelement 20, das zweite Wärmetauscherelement 21 und das dritte Wärmetauscherelement 22 in Transportrichtung 23 der Mikrokapseln 17 (bezogen auf den Einspeicherbetriebszustand) an aufeinanderfolgenden Längspositionen des Wirbelschichtmoduls 7 angeordnet .
Beim Beladen des Wärmespeichers 1 wird die erste Fluidströmung vom Vorwärmer 4 des Dampferzeugers 3 über das erste
Wärmetauscherelement 20 gefördert. Dabei wird das
Phasenwechselmaterial der Mikrokapseln 17 durch Wärmeaufnahme von der ersten Fluidströmung im festen Aggregatszustand erhitzt. Die erste Fluidströmung des Wärmeaustauschmediums in dem
Wärmetauscherelement 20 wird entsprechend abgekühlt. Die zweite Fluidströmung wird vom Verdampfer 5 über das zweite
Wärmetauscherelement 21 gefördert. Aufgrund des Wärmeaustauschs zwischen den Mikrokapseln 17 und der zweiten Fluidströmung wird das Phasenwechselmaterial der Mikrokapseln 17 vom festen
Aggregatszustand in den flüssigen Aggregatszustand überführt.
Schließlich wird die dritte Fluidströmung vom Überhitzer 6 über das dritte Wärmetauscherelement 22 gefördert, wobei im
Einspeicherbetriebszustand das Phasenwechselmaterial der
Mikrokapseln durch Wärmeaufnahme von der dritten Fluidströmung im flüssigen Aggregatszustand erhitzt wird.
Fig. 2 zeigt den Ausspeicherbetriebszustand des Wärmespeichers 1. Zum Entladen des Wärmespeichers 1 wird die zweite
Absperrvorrichtung 12 geöffnet, wohingegen die erste
Absperrvorrichtung 11 geschlossen wird. Dadurch können die
Mikrokapseln 17 mit der gespeicherten Wärme von dem zweiten
Speicherbehälter 10 in das Wirbelschichtmodul 7 gelangen. Dort strömen die Mikrokapseln 17 im fluidisierten Zustand in die andere horizontale Richtung 26 (entgegengesetzt der Richtung 23 im Einspeicherbetriebszustand) entlang des Wirbelschichtmoduls 7. Im Wärmeaustausch mit der ersten, zweiten und dritten Fluidströmung geben die Mikrokapseln 17 die zuvor gespeicherte Wärme ab.
Aufgrund des dritten Wärmetauscherelementes 22 erfolgt eine
Abkühlung des Phasenwechselmaterials im flüssigen Zustand. Das zweite Wärmetauscherelement 21 bewirkt einen Phasenübergang des Phasenwechselmaterials vom flüssigen in den festen Zustand. Durch den Kontakt mit dem ersten Wärmetauscherelement 20 wird das
Phasenwechselmaterial im festen Zustand abgekühlt. Die erste, zweite und dritte Fluidströmung nehmen die von den Mikrokapseln abgegebene Wärme auf. Schließlich gelangen die Mikrokapseln 17 über eine zweite Austrittsöffnung 27a des Wirbelschichtmoduls 7 in einen zweiten Zwischenbunker 27b, welcher über eine zweite
Transportvorrichtung 28, in der gezeigten Ausführung wiederum ein Becherwerk, mit dem ersten Speicherbehälter 9 verbunden ist. Je nach Ausführung kann auch dieselbe Transportvorrichtung für den Transport der Mikrokapseln 17 vom ersten Zwischenbunker 24b in den zweiten Speicherbehälter 19 und zum Transport der Mikrokapseln 17 vom zweiten Zwischenbunker 27b in den ersten Speicherbehälter 9 vorgesehen sein. Selbstverständlich ist es für die Erfindung nicht erforderlich, den horizontalen Transport der Mikrokapseln 17 durch eine erhöhte Anordnung des ersten 9 bzw. zweiten Speicherbehälters 10 gegenüber dem Wirbelschichtmodul 7 sicherzustellen. Es können auch andere Transportmittel für den horizontalen Transport der Mikrokapseln 17 entlang des Wirbelschichtmoduls 7 vorgesehen sein.
Fig. 3 zeigen die Mikrokapseln 17, welche in dem
Wirbelschichtmodul bzw. Wirbelschichtbehälter 7 in den
fluidisierten Zustand versetzt werden.
Zusammenfassend kann mit dem dargestellten Wärmespeicher 1 ein Verfahren zur Zwischenspeicherung von Wärme, insbesondere in einem Dampfkraftwerk 2, durchgeführt werden, welches zumindest die folgenden Schritte umfasst: - Vorsehen einer Schüttung 8 in einem ersten Speicherbehälter 9, wobei die Schüttung 8 Mikrokapseln 17 mit einem
Phasenwechselmaterial 18 aufweist;
- Transportieren der Schüttung von dem ersten Speicherbehälter 10 in ein Wirbelschichtmodul 7 ;
- Fluidisieren der Schüttung 8 in dem Wirbelschichtmodul 7 ;
- Transportieren der Schüttung 8 im fluidisierten Zustand in im Wesentlichen horizontaler Richtung entlang des
Wirbelschichtmoduls 7;
- Wärmeaustausch zwischen der Schüttung 8 im fluidisierten
Zustand und einer ersten Fluidströmung innerhalb eines ersten Wärmetauscherelementes 20, wobei die erste Fluidströmung bevorzugt zwischen dem Wärmetauscherelement 20 und einem
Dampferzeuger 3 gefördert wird;
- Transportieren der Schüttung 8 von dem Wirbelschichtmodul 7 in den zweiten Speicherbehälter 10.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie mit den Schritten:
- Anordnen einer Schüttung (8) in einem ersten Speicherbehälter
(9) ;
- Transportieren der Schüttung von dem ersten Speicherbehälter
(10) in ein Wirbelschichtmodul (7);
- Fluidisieren der Schüttung (8) in dem Wirbelschichtmodul (7);
- Wärmeaustausch zwischen der Schüttung (8) im fluidisierten Zustand und einer ersten Fluidströmung innerhalb eines ersten Wärmetauscherelementes (20);
- Transportieren der Schüttung (8) von dem Wirbelschichtmodul (7) in den zweiten Speicherbehälter (10),
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Schüttung (8) Mikrokapseln (17) mit einem
Phasenwechselmaterial (18) aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt:
- Wärmeaustausch zwischen der Schüttung (8) im fluidisierten Zustand und einer zweiten Fluidströmung innerhalb eines zweiten Wärmetauscherelementes (21), wobei in einem
Einspeicherbetriebszustand das Phasenwechselmaterial (18) der Mikrokapseln (17) durch Wärmeaufnahme von der ersten
Fluidströmung im festen Aggregatszustand erhitzt wird und wobei in dem Einspeicherbetriebszustand das
Phasenwechselmaterial (18) der Mikrokapseln (17) durch
Wärmeaufnahme von der zweiten Fluidströmung vom festen
Aggregatszustand in den flüssigen Aggregatszustand überführt wird .
3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt:
- Wärmeaustausch zwischen der Schüttung im fluidisierten Zustand und einer dritten Fluidströmung innerhalb eines dritten Wärmetauscherelementes (22), wobei im
Einspeicherbetriebszustand das Phasenwechselmaterial (18) der Mikrokapseln (17) durch Wärmeaufnahme von der dritten
Fluidströmung im flüssigen Aggregatszustand erhitzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die erste Fluidströmung zwischen einem
Dampferzeuger (3), insbesondere eines Dampfkraftwerkes (2), und dem ersten Wärmetauscherelement (20) gefördert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fluidströmung zwischen einem Vorwärmer (4) des
Dampferzeugers (3) und dem ersten Wärmetauscherelement (20) gefördert wird, wobei in einem Einspeicherbetriebszustand das Phasenwechselmaterial (18) der Mikrokapseln (17) durch
Wärmeaufnahme von der ersten Fluidströmung im festen
Aggregatszustand erhitzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fluidströmung zwischen einem Verdampfer (5) eines
Dampferzeugers (3) und dem zweiten Wärmetauscherelement (21) gefördert wird, wobei in einem Einspeicherbetriebszustand das Phasenwechselmaterial (18) der Mikrokapseln (17) durch
Wärmeaufnahme von der zweiten Fluidströmung vom festen
Aggregatszustand in den flüssigen Aggregatszustand überführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die dritte Fluidströmung zwischen einem
Überhitzer (6) eines Dampferzeugers (3) und dem dritten
Wärmetauscherelement (22) gefördert wird, wobei im
Einspeicherbetriebszustand das Phasenwechselmaterial (18) der Mikrokapseln (17) durch Wärmeaufnahme von der dritten
Fluidströmung im flüssigen Aggregatszustand erhitzt wird.
8. Wärmespeicher (1) aufweisend
- eine Schüttung (8);
- ein Wirbelschichtmodul (7);
- eine Einrichtung (13) zum Einleiten eines Fluidisierungsgases in das Wirbelschichtmodul (7), um die Schüttung (8) in einen fluidisierten Zustand zu versetzen;
- einen ersten Speicherbehälter (9) für die Schüttung (8);
- einen zweiten Speicherbehälter (10) für die Schüttung, wobei der zweite Speicherbehälter über das Wirbelschichtmodul (7) mit dem ersten Speicherbehälter (9) verbunden ist;
- ein erstes Wärmetauscherelement (9), welches in das
Wirbelschichtmodul (7) geführt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Schüttung (8) Mikrokapseln (17) mit einem
Phasenwechselmaterial (18) aufweist.
9. Wärmespeicher (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokapseln (17) jeweils einen Kern aus dem Phasenwechsel- Wärmespeichermaterial (18) und eine den Kern allseitig
umschließende Hülle (19) aufweisen.
10. Wärmespeicher (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Mikrokapseln (17) jeweils einen
Durchmesser von 50 bis 500 Mikrometer, insbesondere von 50 bis 100 Mikrometer, aufweisen.
11. Wärmespeicher (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Wärmetauscherelement (21), vorzugsweise zudem ein drittes Wärmetauscherelement (22), in das Wirbelschichtmodul (7) geführt ist bzw. sind.
12. Wärmespeicher (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmetauscherelement (20) und das zweite Wärmetauscherelement (21), vorzugsweise zudem das dritte
Wärmetauscherelement (22), in Längsrichtung des
Wirbelschichtmoduls (7) gesehen voneinander beabstandet sind.
13. Wärmespeicher (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmetauscherelement (20) mit einem
Dampferzeuger (3 ) verbunden ist.
14. Wärmespeicher (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmetauscherelement (20) mit einem ersten Abnehmer, insbesondere einem Vorwärmer (4) eines
Dampferzeugers ( 3), und/oder das zweite Wärmetauscherelement (21) mit einem zweiten Abnehmer, insbesondere einem Verdampfer (5) des
Dampferzeugers ( 3), und/oder das dritte Wärmetauscherelement (22) mit einem dritten Abnehmer, insbesondere einem Überhitzer (6) des
Dampferzeugers ( 3), verbunden ist bzw. sind.
15. Dampfkraftwerk (2) mit einem Dampferzeuger (3) und mit einem Wärmespeicher (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildet ist.
EP17800368.7A 2016-11-09 2017-11-09 Verfahren zur speicherung von wärmeenergie, wärmespeicher und dampfkraftwerk Withdrawn EP3538831A1 (de)

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