EP4244470A1 - Thermischer energiespeicher zur speicherung elektrischer energie - Google Patents

Thermischer energiespeicher zur speicherung elektrischer energie

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EP4244470A1
EP4244470A1 EP21814718.9A EP21814718A EP4244470A1 EP 4244470 A1 EP4244470 A1 EP 4244470A1 EP 21814718 A EP21814718 A EP 21814718A EP 4244470 A1 EP4244470 A1 EP 4244470A1
Authority
EP
European Patent Office
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working medium
temperature
pressure
heat
energy
Prior art date
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Pending
Application number
EP21814718.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Aiko BERNEHED
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.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP4244470A1 publication Critical patent/EP4244470A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/12—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having two or more accumulators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/06—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/0034—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using liquid heat storage material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D2020/0065—Details, e.g. particular heat storage tanks, auxiliary members within tanks
    • F28D2020/0082—Multiple tanks arrangements, e.g. adjacent tanks, tank in tank
    • 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

  • Thermal energy storage for storing electrical energy
  • the present invention relates to a method for storing electrical energy using thermal energy storage devices and a device for carrying out the method.
  • PTES Pumped Thermal Energy Storage
  • a mechanically or electrically operated heat pump is used to extract heat from a cold reservoir and feed it into a hot reservoir. This cold and heat can be converted into corresponding thermal storage and used at a later point in time to generate mechanical/electrical energy again.
  • the special thing about PTES systems is that they can theoretically achieve electrical storage efficiencies of up to 100%, although both the charging and discharging cycle follow the thermal Carnot - Subject to limit.
  • the working principle of a PTES system works in the Brayton cycle as follows:
  • the first step is loading:
  • Gas (working medium) at ambient pressure and temperature is isentropically compressed in a compressor. It uses external (electrical) energy to push the gas to high pressure and temperature.
  • the thermal energy of the hot gas is stored in a hot storage tank, where the gas cools down isobaric.
  • the cold, pressurized gas is expanded isentropically via a turbine, whereby energy is extracted from the gas.
  • the kinetic energy gained is less than is required in the compressor (under 1.), so that net energy remains in the storage.
  • the gas is now pressureless (ambient pressure) at low temperatures. Theoretically, temperatures of -100°C and below are also possible.
  • the gas is heated isobaric in a cold storage tank so that thermal energy is extracted from it.
  • the memory cools down.
  • the "cold” is clearly stored.
  • the gas is now again at ambient pressure and temperature, so that you can start again at 1.
  • Unpressurized gas at ambient temperature is fed into the cold store and gives off heat to it isobaric, with the store warming up and the gas cooling down.
  • the cold gas is fed to a compressor and is thus pressurized isentropically, which also causes the temperature to rise.
  • (electrical) energy is supplied from the outside.
  • the (slightly) warm, pressurized gas is heated isobaric in the hot storage tank, thereby extracting heat from the hot storage tank. This cools down.
  • the hot, pressurized gas is isentropically expanded in a turbine, giving off energy in the form of work.
  • the total work gained is greater than the work expended in the compressor (2.), so that the stores are discharged net in order to make electrical/mechanical work available.
  • Laughlin uses an internal gas-gas heat exchanger in his system, which is characterized by a small temperature difference between the two sides characterized at the same time by a very high amount of heat transferred. This is technically very difficult to implement and therefore calls into question the economics of the process described.
  • CHEST Compressed Heat Energy Storage
  • a system called “Compressed Heat Energy Storage” (CHEST) (Steinmann et al: The CHEST (Compressed Heat Energy Storage) concept for facility scale thermo mechanical energy storage; Energy 69 (2014) 543-552; doi : 10.1016/j. energy.2014.03.049) that differs fundamentally from those previously described: a. For loading, energy is extracted from the environment to boil water. The resulting steam is then compressed several times in a multi-step process and thus brought to pressure and temperature. b. The hot accumulator is not a uniform system but consists of sensitive and latent heat accumulators, which are required to bring the temperatures during the cooling of the vapor to the same level. c. A conventional Rankine water-steam cycle is used for discharging. Heat is extracted from the storage tanks and the steam is then condensed using the ambient temperatures.
  • the most serious difference in the CHEST system lies in the use of a Rankine cycle instead of a Brayton cycle. What is particularly interesting is that the environment can be used as cold storage, so that there are no costs for additional tanks and storage media.
  • the CHEST system requires a six-stage compressor with five-fold intercooling, as well as an industrial-scale latent heat storage at 300-350 °C, according to the previously cited publication. Both components question the economy of the system.
  • the system requires an ammonia cycle to boil water at 100 °C using the ambient heat. This also poses extreme challenges for machines. There is therefore still a need for a system and method with which heat can be stored effectively. The process should be easy to carry out and contain as few irreversible processes as possible which would reduce the efficiency of the process.
  • the method according to the invention is a method for storing and releasing electrical energy and comprises the following steps:
  • Pressure PAI provided, b) then heat is transferred from at least one cold storage material to the working medium by means of at least one first heat exchanger, whereby the temperature of the working medium rises from TAI to a temperature TA2, whereby the working medium becomes gaseous and has the pressure pA2, c) by means mechanical work from electrical energy, the gaseous working medium is heated from the temperature TA2 to a temperature TAS and the pressure is increased from a pressure pA2 to a pressure pA3, d) the heat obtained from the mechanical work and stored in the working medium is then removed from the working medium by at least a heat exchanger on at least one Transfer hot storage material, causing the temperature of the working medium from TAS to TA4 drops, and e) the pressure of the working medium is then reduced from pA4 to PAI, so that one again obtains a liquid working medium with a temperature TAI and a pressure PAI, so that a Cycle process from steps b) to e) can be carried out; and
  • Pressure PEI provided, b) the working medium is compressed to a pressure pE4 and has the temperature TE4, c) heat from at least one hot storage material is transferred to the working medium by means of at least one heat exchanger, whereby the temperature of the working material increases from TE4 to TE3, d ) the then hot, pressurized working medium with the temperature
  • TE3 and the pressure pE3 is expanded to a temperature TE2 and a pressure pE2, whereby mechanical energy is released, and e) heat of the gaseous working medium with the temperature TE2 and the pressure pE2 is transferred to the at least one cold storage material by means of at least one heat exchanger, whereby the working medium condenses and then has a temperature TEI and a pressure PEI, so that a cyclic process from steps b) to e) can be carried out; wherein the working medium is a zeotropic mixture.
  • the object on which the present invention is based is achieved by a device (10) for carrying out the method according to the invention, comprising: a working medium circuit (11) with a working medium; the working medium circuit (11) comprises at least one cold accumulator (12a, 12b) with at least one first heat exchanger (13); at least one hot accumulator (14a, 14b) with at least one second heat exchanger (15); a first fluid energy machine, in particular a turbomachine (16); and a second fluid energy machine, in particular a turbomachine (17), wherein in a loading cycle of the device (10) from the at least one cold store (12a, 12b) via the at least one first heat exchanger (13) thermal energy from the at least one cold store (12a, 12b ) can be supplied to the working medium for converting the working medium from a liquid into a gaseous state of aggregation, with energy being supplied via the first fluid energy machine, in particular a turbomachine (16), preferably designed as a compressor (16a), the pressure and the temperature
  • the device (10) for carrying out the method according to the invention can further comprise at least one third heat exchanger, wherein the at least one third heat exchanger is used to transfer heat from the area between the hot accumulator (14a, 14b) and the second turbine (16) to the area between the Cold storage (12a, 12b) and the first turbine (M) is arranged.
  • the at least one third heat exchanger is used to transfer heat from the area between the hot accumulator (14a, 14b) and the second turbine (16) to the area between the Cold storage (12a, 12b) and the first turbine (M) is arranged.
  • the first fluid energy machine, in particular a turbomachine, (16) can preferably be connected to a motor (M) in the loading cycle, via which the fluid energy machine, in particular a turbomachine, (16), which can be designed as a compressor (16a), can be driven. Provision can also be made according to the invention to connect the first fluid energy machine, in particular a turbomachine, (16) to a generator (G) in the discharge cycle, in which case the first fluid energy machine, in particular a turbomachine, (16) can be designed as a turbine (16b) whose mechanical energy is the generator (G) can be converted into electrical energy.
  • Both the first and the second fluid energy machine can each preferably be designed as a turbomachine or as a reciprocating piston machine.
  • FIG. 1 schematically shows a device according to the invention for carrying out the loading cycle. A preferred embodiment is shown in FIG.
  • FIG. 2 schematically shows a device according to the invention for carrying out the discharge cycle.
  • a preferred embodiment is shown in FIG.
  • the black lines represent conduits, respectively, with the arrows representing the direction of flow inside the conduits.
  • the method according to the invention enables electrical energy to be stored in the charging cycle.
  • This energy is first transferred to the working medium in step (i) c). From there, the energy is stored in a hot store (step (i) d)).
  • the working medium is circulated. This can be done as long as hot storage material is available to store the electrical energy. The memory is then full.
  • step (ii) c) absorbs the heat stored in the hot accumulator (step (ii) c)) and can transport it to a desired location within a device in which the method according to the invention takes place, in which the heat is released and this release of heat is used to obtain of mechanical energy is used (step (ii) d)). This can be carried out until all the heat stored in the storage heater has been used. The loading cycle can then be carried out again.
  • the method according to the invention thus enables energy to be stored. This can be used, for example, to ensure that regenerative energies are effectively stored and energy supply can be ensured even at times when they are not available (e.g. at night with solar energy, with no wind with wind energy).
  • Zeotropic mixtures are binary mixtures, i.e. they consist of two different pure substances.
  • a mixture of chemical substances is called a zeotrope denoted when the composition of liquid and vapor is always different in vapor-liquid equilibrium. This means that the dew curve and the boiling curve do not touch at any point.
  • Mixtures whose dew and boiling curves touch at least one point and therefore have the same composition in vapor and liquid are called azeotropic mixtures.
  • zeotropic mixtures are particularly well suited as the working medium, since they have one in the once-through evaporation in a heat exchanger in the loading mode (steps (i) b) and c)) and the condensation in the discharge mode (steps (ii) d) and e)). exhibit temperature slip.
  • the saturated vapor phase (working medium at temperature and pressure TE3, PES or TA3, PA3) has a higher temperature than the boiling liquid (working medium at temperature and pressure TE2, PE2 or TA2, PA2), so that the evaporation and condensation temperatures in Loading and unloading cycle of the storage system can be better adapted to the temperature profile of the cold storage.
  • a zeotropic mixture is a combination of a primary substance and a secondary substance.
  • the primary and secondary substances can be selected from different substances, such as organic or inorganic solvents. In particular, they are selected as shown in Table 1 below:
  • the primary substance is preferably ammonia or CO2, in each case in combination with the aforementioned secondary substances.
  • Ammonia and CO2 have high decomposition temperatures, allowing the working fluid to be at high temperature, allowing for high storage temperatures. High storage temperatures are necessary for a large temperature rise and the associated low costs. Furthermore, these substances react little or not at all with other substances and the metals required for the device for carrying out the method.
  • Methanol, ethanol and water are preferred as secondary materials. These also have high decomposition temperatures with the associated advantages.
  • a particularly preferred working medium comprises a mixture of ammonia and water.
  • FIG. 7 shows an example of how a cyclic process for the method according to the invention could work using a mixture of a primary material and a secondary material, in particular an ammonia-water mixture, as the working medium.
  • the loading cycle here in solid lines (1-2-3-4-5-6-1), is run through to the left, the unloading cycle in dashed lines (AB-4-3-CDA) to the right.
  • AB-4-3-CDA dashed lines
  • the overall efficiency of the process is highest when the charging cycle and the discharging cycle are as close as possible to each other.
  • the total area within the curves must be maximized in order to minimize the influence of irreversible thermodynamic processes in machines and heat exchangers. This goal can be achieved with a number of measures.
  • thermodynamic mean temperatures of the two sides should diverge as far as possible. This speaks for the highest possible pressure difference, since the boiling and condensation temperatures of a given mixture of substances can only be regulated via the pressure.
  • the specific amount of energy to be stored i.e. the enthalpy difference between points 2 and 5, should be as high as possible. Therefore, substances are required that have the highest possible enthalpy spread.
  • the thermodynamic mean temperature of the hot storage side should be as high as possible, which means , that the working media used must not decompose.This excludes most organic working media, as these have maximum application temperatures between 250 and 300 °C.
  • a mixture of ammonia and water in particular has the advantageous properties mentioned, which is why a mixture of ammonia and water is particularly suitable for the present invention. They have the respectively highest and second highest critical point of all industrially applicable pure substances and thus also have the highest achievable enthalpy difference. In addition, they are stable at high temperatures and can be mixed with one another very well. Attention must be paid to any secondary reactions that may occur, in which the nitrogen in the ammonia can attack the machine steel used and can therefore lead to nitriding of the same. In order to avoid this, the temperatures can preferably be raised to 400 to 420.degree be restricted.
  • a second high-temperature storage stage can preferably be introduced in order to be able to achieve the highest possible thermodynamic mean temperature.
  • a second compression of the working medium is carried out while the heat is being released to a hot accumulator (step (i) d)), with renewed heating and pressure increase taking place and further heat being able to be released, in particular to the same hot accumulator.
  • Ethanol can particularly preferably be added in an amount of 0 to 10% to the mixture of water and ammonia which is preferred according to the invention.
  • the mixture is influenced in such a way that the phase transitions are less "curvy".
  • the working medium comprises 35 to 45% by weight ammonia, 50 to 60% by weight water and 0 to 10% by weight ethanol.
  • the working medium is heated from a temperature TAI and a pressure PAI to a temperature TA2 and a pressure pA2 (step (i) b)). This is followed by further heating and compression of TA2, PA2 to form TAS, PAS (step (i) c)).
  • the compressed hot working fluid gives up energy to the hot storage material so that the working fluid changes temperature and pressure from TA3, PAS TO TA4, PA4 (step (i)d)).
  • the expansion takes place, so that the working medium changes from state TA4, PA4 back to the initial state TAI, PAI (step (i) e)). Accordingly, PAI and PA2 are roughly the same.
  • pA3 and pA4 also differ only slightly.
  • the pressure difference Ap between pA2 and pA3 is preferably in the range from 5 bar to 100 bar, preferably 10 bar to 90 bar, in particular 15 bar to 80 bar, particularly preferably 20 bar to 60 bar.
  • the exact pressure difference depends on the type of working medium.
  • the zeotropic mixture Under the conditions TAI, PAI AT the start of the loading cycle, the zeotropic mixture is in the form of a liquid. Under the conditions TA2, PA2, the working medium is a boiling liquid, which is present as a vapor under TAS, PAS. After the heat has been released to the at least one hot accumulator, the working medium at TA4, PA4 is in the form of a compressed liquid.
  • the working medium is thus increased from TAI to a temperature TA2.
  • the cold storage comprises at least one cold storage material.
  • This at least one cold storage material gives off heat to the working medium. This can be done, for example, by means of at least one heat exchanger.
  • the cold storage material can be a sensible heat storage, a latent heat storage or another storage material.
  • the storage material is preferably present as a fluid, so that it can easily transfer the heat to the working medium or absorb heat from the working medium. In addition, it can preferably be pumped from a first cold storage container into a second cold storage container.
  • water or air for example ambient air
  • air i.e. the environment
  • no separate cold storage container is required. instead, heat is released and absorbed with the ambient air, i.e. in an open system.
  • a closed system with a cold accumulator that is present in a closed system ie at least two cold accumulator containers, is preferred.
  • a fluid can be used as a cold storage material.
  • Water is preferably used as the cold storage material.
  • the storage temperature is not limited to a temperature range of 0 °C to 100 °C, even for water. Due to the use of zeotropic mixtures and the associated use of very low and high temperatures, it is better to use a closed system. For example, individual mixtures can be cooled down to temperatures as low as -80°C and reach upper evaporation temperatures of up to 150°C.
  • the freezing point can be lowered using antifreeze (salt (such as NaCl or CaCh), glycol, methanol, ethanol, or a combination of these substances), and/or an increase in the boiling point through use pressurized tanks (max. 10 bar) can be used.
  • antifreeze salt (such as NaCl or CaCh), glycol, methanol, ethanol, or a combination of these substances)
  • pressurized tanks maximum. 10 bar
  • This entropy is in the form of a warming of the hot, i.e. the discharged, side of the cold storage system (in the second cold storage container).
  • This entropy can be dissipated with the aid of external cooling.
  • an additional cold pump for example with ammonia as a refrigerant, can be used. This is activated in loading mode to pre-cool the cold storage material before it absorbs cold from the working cycle. Electrical energy is then supplied to the system in the form of mechanical work.
  • regenerative energies refer to energy sources that are available in practically inexhaustible terms for a sustainable energy supply in the human time horizon or that renew themselves relatively quickly. This distinguishes them from fossil energy sources, which are finite or only regenerate over a period of millions of years.
  • regenerative energies include bioenergy (biomass potential), geothermal energy, hydropower, ocean energy, solar energy (solar energy) and wind energy.
  • the method according to the invention now makes it possible to store electrical energy, which is obtained from regenerative energies, and to receive and use it again at any point in time.
  • the method according to the invention thus enables the effective use of regenerative energies and in particular such energies that are not constantly available, such as wind energy and solar energy.
  • the electrical energy therefore preferably comes from wind energy and/or solar energy.
  • the electrical energy is particularly preferably obtained from solar energy, such as concentrated solar radiation or from photovoltaic cells.
  • the compression and heating step (step (i) c)) is carried out in one working step, whereas in the prior art (CHEST method) intermediate cooling is still necessary.
  • the heated, compressed working medium then gives off heat to a hot accumulator (step (i) d) of the method according to the invention).
  • the working medium cools down from temperature TAS to temperature TA4.
  • the pressure pA3 remains essentially unchanged.
  • the pressure can drop by a few mbar due to friction losses.
  • the extent of the friction and thus the pressure loss, i.e. Ap between pA3 and pA4 depends on the precise technical implementation.
  • the heat of the working medium is transferred, for example, by means of at least one heat exchanger to a hot storage material, as a result of which its temperature rises from temperature THI to temperature TH2.
  • a second compression step can take place while the heat is being released from the working medium to a hot accumulator.
  • a hot accumulator Such is particularly advantageous for the use of a mixture of ammonia and water as the working medium, as described above.
  • the system works with two compressor stages in loading mode. First, after the first compressor stage, heat is given off to a hot accumulator and then the temperature and pressure are increased again in a second compressor stage and more heat is given off to the same or another hot accumulator. In order to be able to achieve even higher pressures during loading, in a further preferred embodiment almost 10% cold, liquid working medium can be extracted from the main cycle and injected behind the first hot storage stage and before the second compressor stage.
  • the pressure in the subsequent compressor stage can be increased further than without this intermediate cooling, while at the same time maintaining the previously specified temperature limit.
  • the previously mentioned thermodynamic mean temperature of the hot storage side can also rise above that of the process without a second compression step, so that storage efficiency is surprisingly increased.
  • the use of zeotropic mixtures as the working material allows the process to be carried out entirely in the subcritical state. It is currently assumed that when the working medium cools down from TAS to TA4, the working medium first undergoes cooling down to the boiling point. It then condenses to form a liquid and is then finally cooled to TA4. The phase change of the zeotropic mixture is associated with a temperature glide. Therefore, according to the invention, a sensible heat accumulator can be used as the heat accumulator material.
  • a latent heat storage device such as that required in the CHEST system, is not necessary in this case.
  • Sensitive heat accumulators work according to the principle of changing the temperature of the storage medium. When selecting the material for the heat accumulator, care must be taken to ensure that it has a sufficiently high specific heat capacity and a sufficiently high storage density. In addition, it must cover a temperature range in which the working medium is used. Accordingly, the sensible heat accumulator can be selected differently for different work materials. Salt systems, which are also used in concentrated solar systems, have proven to be suitable heat storage materials. The following are examples, whereby the melting temperature must be less than Tm:
  • ternary salt systems of nitrate salts for example in DE 102014212051 A
  • halogen salts for example in WO 2017/093030 A
  • the salt composition is selected in such a way that the hot storage material is continuously liquid, i.e. only changes its temperature but not its state of aggregation.
  • the liquid salt or the liquid salt mixture can easily exchange heat with the working medium via a heat exchanger.
  • the hot storage material is particularly preferably selected from nitrate and/or nitrite salts of alkali and/or alkaline earth metals and mixtures of these.
  • thermal oil such as Therminol VP1, waxes, unpressurized or pressurized water, ceramics or fills of sand, gravel or rock can also be used.
  • Azeotropic mixtures have a variable heat capacity. If you only use a hot storage, this step cannot be used effectively.
  • variable heat capacity shows up as a curved line, while thermal storage materials show up as a straight line.
  • the working medium and the heat storage material should have similar enthalpy to enable effective heat transfer.
  • This problem can be solved by using several heat accumulators, i.e. transferring the heat from the working medium to the heat storage material via several heat exchangers.
  • the heat storage material can be located in several different heat storage tanks, with buffer tanks being located between the two heat storage tanks. So several storage systems are connected in series.
  • the first hot storage can be provided with a first hot storage material, whereas a second hot storage material is used in the second hot storage.
  • the first hot storage material and the second hot storage material may be the same or different.
  • the first hot storage material and the second hot storage material are different from each other. This enables an effective temperature transfer from the working medium to the storage material, with the hot storage material being able to be adapted to the properties of the working medium under the prevailing temperature conditions.
  • the first thermal storage material may use a salt system as previously described.
  • the second thermal storage material may also contain a salt system.
  • a thermal oil, wax, unpressurized or pressurized water, ceramics or fills of sand, gravel or rock can also be used as the second heat storage material.
  • the second thermal storage material is a thermal oil, wax, or unpressurized or pressurized water, more preferably pressurized water.
  • the first hot accumulator preferably uses a salt system as the hot accumulator material.
  • the second and subsequent hot storage tanks are operated using either a salt system or pressurized water as the hot storage material.
  • the working medium is brought from the temperature TA4 and the pressure pA3 to the temperature TAI and the pressure PAI.
  • the pressure PAI is well below the pressure PAS, SO that this process of Relaxation of the working medium can be done by means of a throttle or a liquid turbine.
  • the state of aggregation of the working medium also changes isentropically. It condenses and becomes liquid.
  • the temperature drops from TA4 to TAI due to the flash evaporation of the working medium.
  • the working medium now has the temperature TAI and the pressure PAI again, so that the loading cycle can be run through again.
  • the duration of the loading time depends only on the volume of the storage for the hot storage material or the cold storage material.
  • TA4 > TAI The temperature difference between TA4 and TAI is preferably 0.5K or more and 25K or less. The temperature is reduced as a result of the isentropic expansion (step (i)e) of the process according to the invention.
  • the temperature difference AT between TA4 and TAI is in the range from 0.6 K to 20 K, in particular from 1 K to 15 K.
  • the pressure PAI is about atmospheric pressure. It is preferably in the range from 0.2 bar to 3 bar, in particular from 0.5 bar to 2 bar.
  • TAI is chosen so that the zeotropic mixture is liquid at the pressure PAI.
  • TAI is in the range from -45°C to 60°C, in particular from -40°C to 40°C, preferably from -35°C to 25°C, particularly preferably from -30°C to 10° C, most preferably from -25°C to 0°C.
  • the temperature TA2 is greater than TAI because in step (i) b) heat is transferred from the cold storage material to the working medium.
  • TA2 can be in the range from 20 °C to 200 °C, in particular from 30 °C to 150 °C, preferably from 35°C to 100°C.
  • step (i) b) such an amount of heat is usually absorbed that ⁇ T between TAI and TA2 is from 20 K to 120 K, preferably from 25 K to 100 K, in particular from 30 K to 80 K.
  • the pressure pA2 essentially corresponds to the values specified for PAI.
  • the pressures PAI and pA2 are approximately equal.
  • step (i) c) of the method according to the invention energy is transferred into the working medium.
  • the temperature TA2 rises to the temperature TAS.
  • the temperature TAS is below the decomposition temperature of the working medium, which is usually 500°C.
  • TA3 is preferably 500°C or less.
  • a temperature of 200 °C should be exceeded to enable effective heat transfer into the heat storage material.
  • TA3 is thus preferably 400° C. or less, in particular 300° C. or less.
  • the working medium is also compressed in step (i) c) of the method according to the invention, so that the pressure of the working medium increases from pA2 to pA3.
  • the pressure pA3 is preferably in the range from 10 bar to 100 bar, in particular in the range from 15 bar to 90 bar, preferably from 20 bar to 80 bar, particularly preferably from 30 bar to 70 bar, particularly preferably from 40 bar to 60 bar.
  • the working medium then transfers the heat to the hot storage material in step (i) d), causing the temperature to drop from TA3 to TA4.
  • the pressure remains essentially unchanged, so that pA4 has the same values as PA3.
  • the temperature TA4 is in the order of magnitude of TAI where, as previously stated, TA4 > TAI .
  • TA4 is preferably in the range of -40°C to 65°C, in particular from -35°C to 50°C, preferably from -30°C to 30°C, particularly preferably from -25°C to 20°C, particularly preferably from -20°C to 10°C.
  • the energy stored by the charging cycle can be released again in the discharging cycle.
  • the loading cycle is run through in reverse order, so to speak, with the working medium again going through a change in the state of aggregation.
  • the working medium is first provided at a temperature TEI and a pressure PEI.
  • the working medium is liquid.
  • the temperature TEI essentially corresponds to the temperature TAI, with temperature differences of up to 100 K or less, in particular 80 K or less, preferably 60 K or less, being able to occur.
  • the temperature differences depend on the design of the device for carrying out the method according to the invention and should be as small as possible. Temperature differences of 50 K or less, in particular 20 K or less, preferably 15 K or less, preferably 10 K or less are therefore particularly preferred.
  • the pressure PEI is greater than PAI. This is necessary so that the heat transfer to the cold storage material can take place, the pressure difference Ap between PAI and PEI is in particular in the range from 0.05 to 1 bar, preferably in the range from 0.1 to 0.9 bar, preferably in the range of 0 .15 to 0.5 bar.
  • the cold working medium (TEI, PEI) is now compressed so that the pressure on PE4 increases (step (ii) b) of the method according to the invention).
  • the temperature TE4 which the working medium has after compression, is usually above the temperature TEI.
  • TE4 > TEI .
  • the temperature of the working medium is not actively changed, but the change takes place solely as a side effect of the work step.
  • the cold working medium can be fed through a low-temperature recuperator in order to preheat the cold material flow in the liquid state a little.
  • step (ii) c) of the method according to the invention The pressurized cold working medium is now heated, the heat originating from hot storage material (step (ii) c) of the method according to the invention).
  • This lowers the temperature of the hot storage material from TH2 to Tm and raises the temperature of the working material from TE4 to TES.
  • the energy stored in the hot storage material is thus transferred back to the working medium and a hot, pressurized working medium with the temperature TES and a pressure pE3 is obtained.
  • the pressure can drop by a few mbar due to friction losses.
  • the energy stored in the hot, pressurized working medium can be released (step (ii) d) of the method according to the invention).
  • mechanical work is given off in an expansion machine, which can be used to operate a generator, for example.
  • the working medium has a temperature TE2 and a pressure PEI.
  • the temperature TE2 is higher than the temperature TEI.
  • This excess temperature is finally transferred to the cold storage material (step (ii) e) of the method according to the invention).
  • the working medium becomes liquid and the temperature drops to TEI.
  • the pressure remains more or less constant with PEI.
  • the temperature of the cold storage material increases from TKI to TK2.
  • the energy stored in the working medium can be released in two stages.
  • the working medium after passing through a first expansion machine and the delivery of mechanical work, the working medium can once again store heat with one or more hot accumulators exchange, whereby the working medium is heated again.
  • the working medium can then be passed through a second expansion machine, with mechanical work being released again.
  • the discharge cycle can run again until all energy has been transferred from the hot storage material to the working medium and from there to the generator or a comparable device.
  • the phase change from liquid to gas is also used in the method according to the invention in order to store the energy on the cold side.
  • the cold accumulator is a stand-alone accumulator with a cold accumulator material.
  • the excess energy that is supplied to the cold storage material in the discharge cycle (step (ii) e) of the method according to the invention) is used to evaporate the working medium in the loading cycle and thus cool the cold storage material.
  • TAI and TEI are of the same order of magnitude.
  • TA2 and TE2 as well as to TAS and TE3 and to TA4 and TE4.
  • the object on which the present invention is based is achieved by a device (10) for carrying out the method according to the invention, comprising: a working medium circuit (11) with a working medium; the working medium circuit (11) comprises at least one cold accumulator (12a, 12b) with at least one first heat exchanger (13); at least one hot accumulator (14a, 14b) with at least one second heat exchanger (15); a first Fluid energy machine, in particular turbomachine, (16); and a second fluid energy machine, in particular a turbomachine (17), wherein in a loading cycle of the device (10) from the at least one cold store (12a, 12b) via the at least one first heat exchanger (13) thermal energy from the at least one cold store (12a, 12b ) can be supplied to the working medium to convert the working medium from a liquid to a gaseous state of aggregation, with energy being supplied via the first fluid energy machine, in particular a turbomachine, (16) the pressure and the temperature of the working medium can be increased, with the at
  • the device (10) for carrying out the method according to the invention can preferably also include at least one third heat exchanger, the at least one third heat exchanger for heat transfer from the area between the hot accumulator (14a, 14b) and the second fluid energy machine, in particular turbomachine, (17). the area between the cold accumulator (12a, 12b) and the first fluid energy machine, in particular a turbomachine (16).
  • the first and/or second fluid energy machine can each be designed as a turbomachine or a reciprocating piston machine.
  • a turbomachine or a reciprocating piston machine can be used as the compressor 16a.
  • an expander 16b can be designed as a turbomachine or a reciprocating piston machine.
  • a single reciprocating piston machine can also be used as compressor 16a and expander 16b.
  • Flow machines can basically be used as fluid energy machines within the meaning of the present invention.
  • Turbo machines with isentropic efficiency of over 90% and over a wide power range between 20 MW and 1000 MW have been used successfully for decades in industrial and power plant technology. In full-load operation, turbomachines are therefore outstandingly suitable for being used in the present invention.
  • turbomachines have the disadvantage that they are often used in sliding pressure operation at part load.
  • turbomachines have the disadvantage that they are often used in sliding pressure operation at part load.
  • the compressor 16a may no longer be able to bring the working medium exactly to the desired pressure and therefore no longer to the desired temperature.
  • the temperature of the working medium at the compressor outlet can therefore be too low to store the thermal energy in the hot accumulator. This can result in insufficient storage. This applies not only to the hottest storage tank, but cascades through to the following storage tanks, since the working medium at their heat exchangers is also at too low a pressure and therefore at a too low condensation temperature.
  • the sliding pressure operation in the partial load range of the Rankine cycle according to the invention leads to a reduction in the boiling temperature, which in turn can lead to insufficient storage and to a low inlet temperature of the working medium in the turboexpander. It follows that the turbine work is greatly reduced in the discharge mode and a large part of the thermal energy transferred has to be dissipated to the environment.
  • the different method steps can then be designed as follows.
  • the loading mode the reciprocating piston machine can be operated at a lower frequency for partial load operation.
  • the valves open as soon as the desired outlet temperature is reached.
  • the discharge throttle can be throttled to maintain the appropriate pressure level in the system.
  • the unloading mode the reciprocating piston machine is loaded more slowly by the feed pump than in full-load operation, i.e. with the same pressure but with a lower mass flow. This results in a lower rotational speed, which can be converted back to the mains frequency using a frequency converter.
  • reciprocating machines are not quite as high as in full-load mode, but in principle show a lower drop than turbomachines.
  • the same reciprocating engine can be used as a compressor for the loading mode and as an expander for the unloading mode. This is not readily possible with turbomachines.
  • reciprocating machines are generally smaller than turbomachines.
  • the system shown allows the location-independent and economical storage of electrical energy from different energies. It is designed for a storage capacity of 1-200 MW and a storage duration of 5-50 hours. It is therefore suitable for large-scale electricity storage for small businesses, industrial areas and entire cities and allows the integration of wind and solar power into global energy systems.
  • the investment and operating costs are estimated to be significantly lower than is the case with lithium-ion batteries or comparable battery systems, so that this technology also offers many economic advantages. Since no special geological or geographical conditions, energy sources or sinks, or other site-specific features are required for the operation of the system, the technology can be used worldwide.
  • a zeotropic mixture of 80% by weight ammonia and 20% by weight water was used as the working medium.
  • a water-salt (25% by weight CaCl2) mixture represented the cold storage material.
  • Three hot storage tanks with three different hot storage materials were used.
  • a salt mixture (8% NaNOs-48% KNO3- 2% UNO3- 42% CaNCh) was used as the first heat storage material.
  • the second hot storage material was pressurized water and the third hot storage material was non-pressurized water.
  • the loading cycle is shown schematically in FIG. 4 shows the associated T-s diagram of the working medium during passage through a device preferred according to the invention.
  • the loading cycle included the following steps: 1.
  • the working medium (TAI: -21 °C, PAI: 1.38 bar) (position 6 in Fig. 3 and 4) was heated by means of a first heat transfer using the cold storage material (TAZ: 69 °C, PAZ: 1, 35 bar) (position 1 in Fig. 3 and 4).
  • the temperature of the cold storage material fell from 70.5 °C (TK2) to - 19.5 °C (TKI).
  • the hot working medium (TAS: 500 °C, PAS. 57 bar) is then cooled by means of a first hot storage material, as a result of which part of the heat is transferred from the working medium to the first hot storage material, causing the working medium to have the temperature T : 190 °C and the pressure p: 55.4 bar (position 3 in Fig. 3 and 4).
  • the working medium is first brought to a temperature T: 110° C. and a pressure p: 54.3 bar (position 4 in FIGS. 3 and 4) and finally to
  • T -14 °C
  • p 53.2 bar (TA4, PA position 5 in Fig. 3 and 4).
  • the now cold but pressurized working medium (TA4, PA4) was expanded using a nozzle, as a result of which the temperature and pressure of the working medium returned to the initial values TAI, PAI.
  • FIG. 6 shows the associated Ts diagram.
  • the working medium was at the beginning (position 1 in FIGS. 5 and 6) at TEI: -18° C., PEI: 1.6 bar.
  • the pressure pE2 was 52.6 bar (TEZ: -17° C.; position 2 in FIGS. 5 and 6).
  • Heat was successively transferred from several heat accumulators to the working medium, resulting in the following temperature rise and pressure development: Position 3 in Fig. 5/6: T: 107 °C, p: 51.6 bar Position 4 in Fig. 5/6 T : 182 °C, p: 49.5 bar position 5 in Fig. 5/6 TES : 496.5 °C, PES : 49.5 bar
  • the energy stored in the working medium was transferred to a generator G, so that the working medium had the temperature TE2: 152° C. and the pressure PE2: 1.6 bar (position 6 in FIGS. 5 and 6).
  • the last step was the dissipation of the remaining residual heat to the cold storage material, whereby the working medium again exhibited the initial temperature TEI and initial pressure PEI.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung elektrischer Energie mittels thermischer Energiespeicher sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Thermischer Enerqiespeicher zur Speicherung elektrischer Energie
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung elektrischer Energie mittels thermischer Energiespeicher sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Im Rahmen des Klimaschutzes rückt die Energieversorgung zunehmend in den Fokus der Forschung. Regenerative Energien, wie Windenergie oder Solarenergie, stehen nicht konstant zur Verfügung, was jedoch essenziell ist, um eine konstante Versorgung mit Energie sicher zu stellen. Anlagen zur Energiespeicherung stellen somit eine wesentliche Entwicklung dar, um Energie aus erneuerbaren Quellen als Standard-Energiequelle zu nutzen.
Ein Ansatz, an dem derzeit geforscht wird, sind sogenannte „Pumped Thermal Energy Storage" (PTES) Systeme. Dabei wird mithilfe einer mechanisch oder elektrisch betriebenen Wärmepumpe einem kalten Reservoir Wärme entzogen und einem heißen Reservoir zugeführt. Diese Kälte und Hitze können in entsprechenden thermischen Speichern gespeichert werden und zu einem späteren Zeitpunkt verwendet werden, um wieder mechanische/elektrische Energie zu erzeugen. Das besondere an PTES Systemen ist, dass sie theoretisch elektrische Speicherwirkungsgrade von bis zu 100% erreichen können, obwohl sowohl der Belade- und Entladezyklus dem thermischen Carnot-Limit unterliegen.
Das Arbeitsprinzip eines PTES-Systems funktioniert im Brayton-Zyklus wie folgt: Zunächst erfolgt der Schritt des Beladens:
1. Gas (Arbeitsmittel) bei Umgebungsdruck und -temperatur wird isen- trop in einem Kompressor verdichtet. Dabei wird externe (elektrische) Energie verwendet, um das Gas zu hohem Druck und hoher Temperatur zu führen.
2. Die thermische Energie des heißen Gases wird in einem Heißspeicher gespeichert, dabei kühlt sich das Gas isobar ab.
3. Das kalte, druckbehaftete Gas wird über eine Turbine isentrop entspannt, wobei dem Gas Energie entzogen wird. Die gewonnene kinetische Energie ist weniger als im Kompressor (unter 1.) benötigt wird, sodass Netto Energie in den Speichern verbleibt. Das Gas liegt nun drucklos (Umgebungsdruck) bei niedrigen Temperaturen vor. Dabei sind theoretisch auch Temperaturen von -100°C und weniger möglich.
4. Das Gas wird in einem Kaltspeicher isobar aufgewärmt, sodass diesem thermische Energie entzogen wird. Dabei kühlt sich der Speicher ab. Anschaulich wird die „Kälte" gespeichert. Das Gas liegt nun wieder bei Umgebungsdruck und -temperatur vor, sodass wieder bei 1. begonnen werden kann.
Nun stehen also eine beladener heißer und ein beladener kalter Speicher zur Verfügung, wobei zur Deckung der Temperaturen zwischen den Schritten 2 und 3 bzw. 4 und 1 ein Wärmeübertrager genutzt werden kann. Zum Entladen wird der Zyklus anders herum durchlaufen:
1. Druckloses Gas bei Umgebungstemperatur wird dem Kaltspeicher zugeführt und gibt an diesen isobar Wärme ab, wobei sich der Speicher aufwärmt und das Gas abkühlt.
2. Das kalte Gas wird einem Kompressor zugeführt und somit isentrop druckbeaufschlagt, wodurch auch die Temperatur steigt. Dazu wird (elektrische) Energie von außen zugeführt. 3. Das (ein wenig) warme, druckbeaufschlagte Gas wird im Heißspeicher isobar aufgeheizt, wodurch dem Heißspeicher Wärme entzogen wird. Dieser kühlt sich ab.
4. Das heiße, druckbeaufschlagte Gas wird isentrop in einer Turbine entspannt und gibt damit Energie in Form von Arbeit ab. Die insgesamt gewonnene Arbeit ist größer als die im Kompressor (2.) aufgewendete Arbeit, sodass Netto die Speicher entladen werden, um elektrische/me- chanische Arbeit zur Verfügung zu stellen.
Bei genauer Deckung aller Wärmeübertrager und perfekten Strömungsmaschinen (Turbinen, Kompressoren) können bis zu 100 % Wirkungsgrad (Strom-zu- Strom) erreicht werden können. In der Realität finden irreversible Vorgänge statt, sodass zusätzlich Abwärme abgeführt werden muss und weitere Wärmeübertrager verwendet werden müssen, um die Temperaturen im Kreislauf zur Deckung zu bringen. Das Prinzip der PTES Systeme wird beispielsweise von T. Desrues et al. (A thermal energy storage process for large scale electric applications, Applied Thermal Engineering 30 (2010) 425-423) und A. White et al. {Thermodynamic analysis of pumped thermal electricity storage, Applied Thermal Engineering 53 (2013) 291-298) beschrieben.
Robert B. Laughlin Pumped thermal grid storage with heat exchange, Journal of Renewable and Sustainable Energy 9, 044103 (2017))) hat ein PTES- Energiespeichersystem entwickelt, das Argon, Stickstoff oder Luft als Arbeitsmedium verwendet. Dabei wird geschmolzenes Salz (Solarsalz: 60% NaNCh - 40% KNO3) und flüssiges Hexan als Heiß- bzw. Kaltspeicher verwendet. Die Energieübertragung auf die Speicher findet mithilfe von Wärmeübertragern statt. Das System hat insgesamt vier Speicher, einen kalten und einen heißen Salzspeicher, sowie einen warmen und einen kalten Hexanspeicher. Der Vorgang entspricht dem bereits beschriebenen Brayton-Zyklus. Des Weiteren verwendet Laughlin in seinem System einen internen Gas-Gas Wärmeübertrager, der sich durch eine geringe Temperaturdifferenz der beiden Seiten bei gleichzeitig sehr hoher übertragener Wärmemenge auszeichnet. Dies ist technisch sehr schwierig umzusetzen und stellt daher die Wirtschaftlichkeit des beschriebenen Verfahrens in Frage.
Vom DLR. wurde ein System namens "Compressed Heat Energy Storage" (CHEST) (Steinmann et al: The CHEST (Compressed Heat Energy Storage) concept for facility scale thermo mechanical energy storage; Energy 69 (2014) 543-552; doi : 10.1016/j. energy.2014.03.049) entwickelt, das sich grundlegend von den zuvor beschriebenen unterscheidet: a. Zum Beladen wird der Umgebung Energie entzogen, um Wasser zu kochen. Der entstehende Dampf wird anschließend in einem Mehrschrittverfahren mehrfach komprimiert und so auf Druck und Temperatur gebracht. b. Der Heißspeicher ist nicht ein einheitliches System sondern besteht aus Sensibel- und Latentwärmespeichern, die benötigt werden, um die Temperaturen beim Abkühlen des Dampfes zur Deckung zu bringen. c. Zum Entladen wird ein herkömmlicher Rankine-Wasser-Dampf-Zyklus verwendet. Dabei wird den Speichern Hitze entzogen und der Dampf anschließend mithilfe der Umgebungstemperaturen kondensiert.
Der gravierendste Unterschied des CHEST-Systems liegt in der Nutzung eines Rankine- anstatt eines Brayton-Zyklus. Interessant ist vor allem, dass die Umgebung als Kaltspeicher verwendet werden kann, sodass keine Kosten für weitere Tanks und Speichermedien entstehen. Das CHEST System benötigt nach der zuvor angegebenen Veröffentlichung einen sechsstufigen Verdichter mit fünffacher Zwischenkühlung, sowie einen latenten Wärmespeicher im Industriemaßstab bei 300-350 °C. Beide Komponenten stellen die Wirtschaftlichkeit des Systems in Frage. Zudem benötigt das System einen Ammoniak-Zyklus um mithilfe der Umgebungswärme Wasser bei 100 °C zu kochen. Auch dies stellt an Maschinen extreme Herausforderungen. Es besteht daher nach wie vor Bedarf an einem System und Verfahren, mit welchem effektiv Wärme gespeichert werden kann. Das Verfahren sollte einfach durchzuführen sein und möglichst wenig irreversible Vorgänge beinhalten, welche den Wirkungsgrad des Verfahrens verringern würden.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass es die Anwendung eines Clausius- Rankine-Zyklus ermöglicht, elektrische Energie zu speichern. In einer ersten Ausführungsform wird die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe daher gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 8. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Speicherung und Freisetzung von elektrischer Energie und umfasst die folgenden Schritte:
(i) in einem Beladezyklus a) wird ein flüssiges Arbeitsmedium bei einer Temperatur TAI und einem
Druck PAI bereitgestellt, b) anschließend wird Wärme von mindestens einem Kaltspeichermaterial auf das Arbeitsmedium mittels mindestens einem ersten Wärmeübertrager übertragen, wodurch die Temperatur des Arbeitsmediums von TAI auf eine Temperatur TA2 ansteigt, wodurch das Arbeitsmedium gasförmig wird und den Druck pA2 aufweist, c) mittels mechanischer Arbeit aus elektrischer Energie wird das gasförmige Arbeitsmedium von der Temperatur TA2 auf eine Temperatur TAS erwärmt und der Druck von einem Druck pA2 auf einen Druck pA3 erhöht, d) anschließend wird die aus der mechanischen Arbeit gewonnene und im Arbeitsmedium gespeicherte Wärme vom Arbeitsmedium über mindestens einen Wärmeübertrager auf mindestens ein Heißspeichermaterial übertragen, wodurch die Temperatur des Arbeitsmediums von TAS auf TA4 sinkt, und e) der Druck des Arbeitsmediums wird im Anschluss von pA4 auf PAI reduziert, so dass man erneut ein flüssiges Arbeitsmedium mit einer Temperatur TAI und einem Druck PAI erhält, so dass ein Kreisprozess aus den Schritten b) bis e) durchgeführt werden kann; und
(ii) in einem Entladezyklus a) wird das flüssiges Arbeitsmedium bei einer Temperatur TEI und einem
Druck PEI bereitgestellt, b) das Arbeitsmedium wird auf einen Druck pE4 komprimiert und weist die Temperatur TE4 auf, c) Wärme vom mindestens einen Heißspeichermaterial wird mittels mindestens eines Wärmeübertragers auf das Arbeitsmedium übertragen, wodurch die Temperatur des Arbeitsmaterials von TE4 auf TE3 steigt, d) das dann heiße, druckbehaftete Arbeitsmedium mit der Temperatur
TE3 und dem Druck pE3 wird entspannt auf eine Temperatur TE2 und einen Druck pE2, wodurch mechanische Energie freigesetzt wird, und e) Wärme des gasförmigen Arbeitsmedium mit der Temperatur TE2 und dem Druck pE2 wird mittels mindestens eines Wärmeübertragers auf des mindestens eine Kaltspeichermaterial übertragen, wodurch das Arbeitsmedium kondensiert und anschließend eine Temperatur TEI und einen Druck PEI aufweist, so dass ein Kreisprozess aus den Schritten b) bis e) durchgeführt werden kann; wobei das Arbeitsmedium ein zeotropes Gemisch ist. In einer weiteren Ausführungsform wird die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung (10) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend: einen Arbeitsmediumkreislauf (11) mit einem Arbeitsmedium; der Arbeitsmediumkreislauf (11) umfasst mindestens einen Kaltspeicher (12a, 12b) mit mindestens einer ersten Wärmeübertrager (13); mindestens einen Heißspeicher (14a, 14b) mit mindestens einer zweiten Wärmeübertrager (15); eine erste Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (16); sowie eine zweite Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (17), wobei in einem Beladezyklus der Vorrichtung (10) aus dem mindestens einem Kaltspeicher (12a, 12b) über den mindestens einen ersten Wärmeübertrager (13) Wärmeenergie aus dem mindestens einem Kaltspeicher (12a, 12b) dem Arbeitsmedium zuführbar ist zur Umwandlung des Arbeitsmediums von einem flüssigen in einen gasförmigen Aggregatzustand, wobei unter Energiezufuhr über die erste Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (16), bevorzugt ausgebildet als Kompressor (16a), der Druck und die Temperatur des Arbeitsmediums erhöhbar ist, wobei über den mindestens einen zweiten Wärmeübertrager (15) dem Arbeitsmedium Wärme entziehbar und dem mindestens einem Heißspeicher (14a, 14b) zuführbar ist und wobei eine zweite Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (17), bevorzugt ausgebildet als Drossel (17a), zur Reduktion des Druckes des Arbeitsmediums ausgebildet ist und/oder wobei in einem Entladezyklus der Vorrichtung (10) das Arbeitsmedium über die zweite Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (17), bevorzugt ausgebildet als Pumpe (17b), unter Energiezufuhr komprimierbar ist, wobei die Temperatur des Arbeitsmediums durch Abgabe von Wärme den mindestens einen Heißspeichers (14a, 14b) über den mindestens einen zweiten Wärmeübertrager (15) erhöhbar ist, wobei der Druck des Arbeitsmediums über die erste Fluidenergiemaschine , insbesondere Strömungsmaschine (16), bevorzugt ausgebildet als Turbine (16b) unter Freisetzung mechanischer Energie entspannbar ist und wobei Wärmeenergie vom dem Arbeitsmedium über den mindestens einen ersten Wärmeübertrager (13) an den mindestens einen Kaltspeicher (12a, 12b) abführbar ist zur Umwandlung des gasförmigen Aggregatzustands des Arbeitsmediums in den flüssigen Aggregatzustand.
Bevorzugt kann die Vorrichtung (10) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiterhin mindestens einen dritte Wärmeübertrager umfassen, wobei der mindestens eine dritte Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung aus dem Bereich zwischen dem Heißspeicher (14a, 14b) und der zweiten Turbine (16) auf den Bereich zwischen dem Kaltspeicher (12a, 12b) und der ersten Turbine (M) angeordnet ist.
Bevorzugt kann die erste Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (16) im Beladezyklus an einen Motor (M) angeschlossen werden, worüber die Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (16), welche als Kompressor (16a) ausgebildet werden kann antreibbar ist. Ebenfalls kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein im Entladezyklus die erste Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (16) an einem Generator (G) anzuschließen, wobei die erste Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (16) als Turbine (16b) ausgebildet werden kann, deren mechanische Energie über den Generator (G) in elektrische Energie umwandelbar ist.
Sowohl die erste als auch die zweite Fluidenergiemaschine können jeweils vorzugsweise als Strömungsmaschine oder als Hubkolbenmaschine ausgestaltet sein.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Beladezyklus. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in Fig. 3 abgebildet.
Fig. 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Entladezyklus. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in Fig. 5 abgebildet. Die schwarzen Linien stellen jeweils Leitungen dar, wobei die Pfeile die Fließrichtung im Inneren der Leitungen darstellen.
Im Folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht im Beladezyklus, dass elektrische Energie gespeichert wird. Diese Energie wird zunächst in Schritt (i) c) auf das Arbeitsmedium übertragen. Von dort wird die Energie in einem Heißspeicher gespeichert (Schritt (i) d)). Im Beladezyklus wird das Arbeitsmedium im Kreis geführt. Dies kann so lange durchgeführt werden, wie Heißspeichermaterial zur Speicherung der elektrischen Energie zur Verfügung steht. Der Speicher ist dann voll.
Ist der Speicher voll, kann der Zyklus umgedreht werden. Das Arbeitsmedium nimmt nun die im Heißspeicher gespeicherte Wärme auf (Schritt (ii) c)) und kann diese zu einer gewünschten Stelle innerhalb einer Vorrichtung, in der das erfindungsgemäße Verfahren abläuft, transportieren, in welchem die Wärme freigesetzt und diese Freisetzung der Wärme zum Erhalt von mechanischer Energie genutzt wird (Schritt (ii) d)). Dies kann so lange durchgeführt werden, bis alle im Heißspeicher gespeicherte Wärme genutzt wurde. Anschließend kann wieder der Beladezyklus durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Speicherung von Energie. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, dass regenerative Energien effektiv gespeichert werden und so auch zu Zeiten, in denen diese nicht zur Verfügung stehen (z.B. Nacht bei Solarenergie, Windstille bei Windenergie), eine Energieversorgung sichergestellt werden kann.
Zeotrope Gemische sind binäre Gemische, bestehen also aus zwei verschiedenen Reinstoffen. Ein Gemisch von chemischen Stoffen wird als zeotrop bezeichnet, wenn die Zusammensetzung von Flüssigkeit und Dampf im Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht immer unterschiedlich ist. Damit berühren sich Taukurve und Siedekurve in keinem Punkt. Gemische, deren Tau- und Siedekurven sich in mindestens einem Punkt berühren und somit die Zusammensetzung in Dampf und Flüssigkeit gleich ist, heißen azeotrope Gemische.
Im erfindungsgemäßen Verfahren sind zeotrope Gemische besonders gut geeignet als Arbeitsmedium, da sie bei der Zwangsdurchlaufverdampfung in einem Wärmetauscher im Belademodus (Schritte (i) b) und c)) und der Kondensation im Entlademodus (Schritte (ii) d) und e)) einen Temperaturglitt aufweisen. Die gesättigte Dampfphase (Arbeitsmedium bei Temperatur und Druck TE3, PES bzw. TA3,PA3) hat also eine höhere Temperatur als die siedende Flüssigkeit (Arbeitsmedium bei Temperatur und Druck TE2, PE2 bzw. TA2, PA2), sodass die Verdampfungs- und Kondensationstemperaturen im Be- und Entladezyklus des Speichersystems besser an den Temperaturverlauf des Kaltspeichers angepasst werden können.
Vergleicht man die Siedelinien (Entropie vs. Temperatur) von Reinstoffen im Vergleich zu zeotropen Gemischen, so zeigt sich, dass mit einem zeotropen Gemisch eine geringe Temperaturdifferenz zwischen dem Be- und Entladezyklus und eine hohe Temperaturspreizung des Kaltspeichersystems erreicht werden kann. Dadurch werden gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad des Systems und eine geringere Baugröße des Kaltspeichers erzielt.
Ein zeotropes Gemisch ist eine Kombination aus einem Primärstoff und einem Sekundärstoff. Erfindungsgemäß können Primär- und Sekundärstoff aus unterschiedlichen Soffen ausgewählt sein, wie beispielsweise organische oder anorganische Lösungsmittel. Insbesondere sind sie ausgewählt, wie in der nachfolgenden Tabelle 1 dargestellt:
Tabelle 1 :
Bevorzugt ist der Primärstoff Ammoniak oder CO2, jeweils in Kombination mit den zuvor genannten Sekundärstoffen. Ammoniak und CO2 haben hohe Zerfallstemperaturen und ermöglichen so, dass das Arbeitsmedium eine hohe Temperatur aufweisen kann, wodurch hohe Speichertemperaturen ermöglicht werden. Hohe Speichertemperaturen sind für einen großen Temperaturhub, und damit einhergehend niedrigen Kosten, notwendig. Des Weiteren reagieren diese Stoffe nicht oder wenig mit anderen Stoffen und den für die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Metallen.
Methanol, Ethanol und Wasser sind als Sekundärstoffe bevorzugt. Auch diese weisen hohe Zerfallstemperaturen mit den damit verbundenen Vorteilen auf.
Ein besonders bevorzugtes Arbeitsmedium umfasst ein Gemisch aus Ammoniak und Wasser.
Figur 7 zeigt beispielhaft, wie ein Kreisprozess für das erfindungsgemäße Verfahren unter Einsatz eines Gemischs aus einem Primärstoff und einem Sekundärstoff, insbesondere eines Ammoniak-Wasser-Gemischs, als Arbeitsmedium arbeiten könnte. Der Beladezyklus, hier in durchgezogenen Linien (1-2-3-4-5- 6-1), wird linksherum durchlaufen, der Entladezyklus in gestrichelten Linien (A-B-4-3-C-D-A) rechtsherum. Anschaulich gilt, dass die Gesamteffizienz des Prozesses (Strom-zu-Strom) am höchsten ist, wenn der Beladezyklus und der Entladezyklus möglichst nah aneinander liegen. Darüber hinaus gilt es die Gesamtfläche innerhalb der Kurven zu maximieren, um den Einfluss von irreversiblen thermodynamischen Vorgängen in Maschinen und Wärmetauschern zu minimieren. Dieses Ziel kann mit einer Reihe von Maßnahmen erreicht werden.
Die „Spreizung" der Heiß- und Kaltseite des Systems, also die thermodynamischen Mitteltemperaturen der beiden Seiten sollten möglichst weit voneinander divergieren. Dies spricht für eine möglichst hohe Druckdifferenz, da die Siede- und Kondensationstemperaturen eines gegebenen Stoffgemisches ausschließlich über den Druck geregelt werden können. Die zu speichernde spezifische Energiemenge, also die Enthalpiedifferenz zwischen den Punkten 2 und 5 sollte möglichst hoch sein. Deshalb werden Stoffe benötigt, die eine möglichst hohe Enthalpiespreizung aufweisen. Wie schon angegeben, sollte die thermodynamische Mitteltemperatur der Heißspeicherseite so hoch wie möglich sein, was bedeutet, dass die verwendeten Arbeitsmedien nicht zerfallen dürfen. Dies schließt die meisten organischen Arbeitsmedien aus, da diese maximale Anwendungstemperaturen zwischen 250 bis 300 °C haben.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass insbesondere ein Gemisch aus Ammoniak und Wasser die genannten vorteilhaften Eigenschaften aufweist, weswegen ein Gemisch aus Ammoniak und Wasser für die vorliegende Erfindung besonders geeignet ist. Sie haben den, respektive, höchsten und zweithöchsten kritischen Punkt aller industriell anwendbarer Reinstoffe und weisen damit auch die höchste erreichbare Enthalpiedifferenz auf. Darüber hinaus sind sie hochtemperaturstabil und hervorragend miteinander mischbar. Zu beachten sind gegebenenfalls auftretende Nebenreaktionen, in welchen der Stickstoff des Ammoniaks den verwendeten Maschinenstahl angreifen kann und damit gegebenenfalls zur Nitridierung desselben führen kann. Um dies zu vermeiden, können die Temperaturen vorzugsweise auf 400 bis 420 °C beschränkt werden. Weiterhin kann vorzugsweise eine zweite Hochtemperaturspeicherstufe eingeführt werden, um eine möglichst hohe thermodynamische Mitteltemperatur erreichen zu können. In diesem Fall wird während der Abgabe der Wärme an einen Heißspeicher (Schritt (i) d)) eine zweite Kompression des Arbeitsmediums durchgeführt, wobei eine erneute Erwärmung und Druckerhöhung erfolgt und weitere Wärme, insbesondere an denselben Heißspeicher, abgegeben werden kann.
Dem erfindungsgemäß bevorzugten Gemisch aus Wasser und Ammoniak kann besonders bevorzugt Ethanol in einer Menge von 0 bis 10% zugegeben werden. Durch die Zumischung geringer Mengen Ethanols wird das Gemisch derart beeinflusst, dass die Phasenübergänge weniger "kurvig" sind.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Arbeitsmedium 35 bis 45 Gew.-% Ammoniak, 50 bis 60 Gew.-% Wasser und 0 bis 10 Gew.-% Ethanol.
Im Folgenden werden der Beladezyklus und der Entladezyklus weiter beschrieben.
Im Beladezyklus wird das Arbeitsmedium von einer Temperatur TAI und einem Druck PAI erwärmt auf eine Temperatur TA2 und einen Druck pA2 (Schritt (i) b)). Anschließend erfolgt eine weiter Erwärmung und Kompression von TA2, PA2 zu TAS, PAS (Schritt (i) c)). Das komprimierte heiße Arbeitsmedium gibt Energie an das Heißspeichermaterial ab, so dass das Arbeitsmedium Temperatur und Druck von TA3, PAS ZU TA4, PA4 ändert (Schritt (i) d)). Abschließend erfolgt die Expansion, so dass das Arbeitsmedium vom Zustand TA4, PA4 wieder in den Ausgangszustand TAI, PAI übergeht (Schritt (i) e)). Entsprechend sind PAI und PA2 in etwa gleich. Auch pA3 und pA4 unterscheiden sich nur unwesentlich. Der Druckunterschied Ap zwischen pA2 und pA3 liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bar bis 100 bar, bevorzugt 10 bar bis 90 bar, insbesondere 15 bar bis 80 bar, besonders bevorzugt 20 bar bis 60 bar. Die genaue Druckdifferenz ist dabei von der Art des Arbeitsmediums abhängig.
Gleiches gilt für die Temperatur. Die genauen Temperaturen sind von der Art des zeotropen Gemisches abhängig. Bei den Bedingungen TAI, PAI ZU Beginn des Beladezyklus liegt das zeotrope Gemisch als Flüssigkeit vor. Bei den Bedingungen TA2, PA2 ist das Arbeitsmedium eine siedende Flüssigkeit, welche bei TAS, PAS als Dampf vorliegt. Nach Abgabe der Wärme an den mindestens einen Heißspeicher liegt das Arbeitsmedium bei TA4, PA4 als komprimierte Flüssigkeit vor.
In einem ersten Schritt ((i) b)) wird somit das Arbeitsmedium von TAI auf eine Temperatur TA2 erhöht. Dies erfolgt mittels mindestens eines sogenannten Kaltspeichers. Der Kaltspeicher umfasst mindestens ein Kaltspeichermaterial. Dieses mindestens eine Kaltspeichermaterial gibt Wärme an das Arbeitsmedium ab. Dies kann beispielsweise mittels mindestens eines Wärmeübertragers erfolgen.
Als Kaltspeichermaterial können dabei beliebige Materialien eingesetzt werden, die in der Lage sind, Wärme zu speichern. Die benötigte Wärmekapazität ist dabei als gering anzusehen. Das Kaltspeichermaterial kann ein sensibler Wärmespeicher, ein Latentwärmespeicher oder ein anderes Speichermaterial sein. Das Speichermaterial liegt vorzugsweise als Fluid vor, so dass es gut die Wärme auf das Arbeitsmedium übertragen bzw. Wärme vom Arbeitsmedium aufnehmen kann. Zudem ist es vorzugsweise von einem ersten Kaltspeicherbehälter in einen zweiten Kaltspeicherbehälter pumpbar.
Beispielsweise kann Wasser oder Luft, beispielsweise Umgebungsluft, als Kaltspeichermaterial eingesetzt werden. Wird Luft, also die Umgebung, als Kaltspeicher genutzt, ist kein gesonderter Kaltspeicherbehälter notwendig, sondern Wärmeabgabe und -aufnahme finden mit der Umgebungsluft, also in einem offenen System statt.
Bevorzugt ist jedoch ein geschlossenes System mit einem Kaltspeicher, der in einem geschlossenen System, also mindestens zwei Kaltspeicherbehältern, vorhanden ist. In einem solchen System kann ein Fluid als Kaltspeichermaterial genutzt werden. Vorzugsweise wird Wasser als Kaltspeichermaterial eingesetzt. Dabei ist die Speichertemperatur auch bei Wasser nicht auf einen Temperaturbereich von 0 °C bis 100 °C beschränkt. Aufgrund der Nutzung zeotro- per Gemische und der damit verbundenen Nutzung sehr tiefer und hoher Temperaturen, ist die Verwendung eines geschlossenen Systems besser. So können einzelne Gemische beispielsweise auf Temperaturen bis -80°C abgekühlt werden und obere Verdampfungstemperaturen bis 150°C erreichen. Um diese Temperaturen mit einem Zweitanksystem mit Wasser als Speichermedium abdecken zu können, kann eine Gefrierpunkterniedrigung mithilfe von Frostschutzmitteln (Salz (wie beispielsweise NaCI oder CaCh), Glycol, Methanol, Ethanol, oder eine Kombination dieser Substanzen), und/oder eine Siedepunktsteigerung durch Nutzung von druckbehafteten Tanks (max. 10 bar) verwendet werden.
Vor der Beladung des Speichersystems ist es bevorzugt zuvor im Entladebetrieb entstandene Entropie aus dem System abzuführen. Diese Entropie liegt in Form einer Erwärmung der heißen, also der entladenen, Seite des Kaltspeichersystems (im zweiten Kaltspeicherbehälter) vor. Mithilfe einer externen Kühlung kann diese Entropie abgeführt werden. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann es nötig sein die heiße Seite des Kaltspeichersystems vor der Beladung durch eine zusätzliche Kühlung unter die Umgebungstemperatur abzukühlen. Hierzu kann, neben der Umgebungskühlung, eine zusätzliche Kältepumpe, beispielsweise mit Ammoniak als Kältemittel, verwendet werden. Diese wird im Belademodus aktiviert, um das Kaltspeichermaterial vorzukühlen, bevor es Kälte aus dem Arbeitskreislauf aufnimmt. Anschließend wird dem System elektrische Energie in Form von mechanischer Arbeit zugeführt. Dies erfolgt beispielswiese mit einem Motor oder Kompressor. Hierdurch wird das Arbeitsmedium auf die Temperatur TAS erwärmt. Der Druck steigt auf einen Wert PAS. Die elektrische Energie, die dem System zugeführt wird, kann von jeder beliebigen Energiequelle stammen. So kann das erfindungsgemäße Verfahren als Puffer in einem konventionellen Kraftwerk genutzt werden. Besonders eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren jedoch dafür, regenerative Energien zu speichern. Als regenerative Energien werden erfindungsgemäß Energiequellen bezeichnet, die im menschlichen Zeithorizont für nachhaltige Energieversorgung praktisch unerschöpflich zur Verfügung stehen oder sich verhältnismäßig schnell erneuern. Damit grenzen sie sich von fossilen Energiequellen ab, die endlich sind oder sich erst über den Zeitraum von Millionen Jahren regenerieren. Zu den regenerativen Energien zählen erfindungsgemäß Bioenergie (Biomassepotenzial), Geothermie, Wasserkraft, Meeresenergie, Sonnenenergie (Solarenergie) und Windenergie. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht nun, elektrische Energie, die aus regenerativen Energien gewonnen wird, zu speichern und zu einem beliebigen Zeitpunkt wieder zu erhalten und zu nutzen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die effektive Nutzung regenerativer Energien und insbesondere solcher Energien, die nicht konstant zur Verfügung stehen, wie Windenergie und Solarenergie. Bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung stammt daher die elektrische Energie aus Windenergie und/oder Solarenergie. Besonders bevorzugt wird die elektrische Energie aus Solarenergie, wie beispielswiese konzentrierter Solarstrahlung oder aus Photovoltaikzellen, erhalten.
Der Kompressions- und Erhitzungsschritt (Schritt (i) c)) wird erfindungsgemäß in einem Arbeitsschritt durchgeführt, wohingegen im Stand der Technik (CHEST Verfahren) noch eine Zwischenkühlung notwendig ist. Das erhitzte, komprimierte Arbeitsmedium gibt anschließend Wärme an einen Heißspeicher ab (Schritt (i) d) des erfindungsgemäßen Verfahrens). Hierdurch kühlt sich das Arbeitsmedium von der Temperatur TAS auf die Temperatur TA4 ab. Der Druck pA3 bleibt dabei im Wesentlichen unverändert. Durch Reibungsverluste kann der Druck um wenige mbar absinken. Der Umfang der Reibung und damit des Druckverlustes, also von Ap zwischen pA3 und pA4, ist von der genauen technischen Realisierung abhängig. Die Wärme des Arbeitsmediums wird beispielswiese mittels mindestens eines Wärmeübertragers auf ein Heißspeichermaterial übertragen, wodurch dessen Temperatur von der Temperatur THI auf die Temperatur TH2 steigt.
Während der Abgabe der Wärme vom Arbeitsmedium auf einen Heißspeicher kann insbesondere ein zweiter Kompressionsschritt erfolgen. Ein solcher ist insbesondere vorteilhaft für den Einsatz eines Gemischs aus Ammoniak und Wasser als Arbeitsmedium, wie oben beschrieben. In diesem Fall arbeitet das System mit zwei Kompressorstufen im Belademodus. Zunächst wird nach der ersten Kompressorstufe Wärme an einen Heißspeicher abgegeben und danach in einer zweiten Kompressorstufe erneut Temperatur und Druck erhöht und weitere Wärme an denselben oder einen anderen Heißspeicher abgegeben. Um beim Beladen noch höhere Drücke erreichen zu können, können in einer weiteren bevorzugten Ausführungform knapp 10 % kaltes, flüssiges Arbeitsmedium aus dem Hauptzyklus extrahiert und hinter die erste Heißspeicherstufe und vor die zweite Kompressorstufe gespritzt werden. Dadurch kann der Druck in der anschließenden Kompressorstufe weiter erhöht werden als ohne diese Zwischenkühlung, bei gleichzeitiger Einhaltung des zuvor gegebenen Temperaturlimits. Insbesondere kann damit auch die zuvor erwähnte thermodynamische Mitteltemperatur der Heißspeicherseite über die des Prozesses ohne zweiten Kompressionsschritt steigen, sodass überraschenderweise die Speichereffizienz erhöht ist. Die Verwendung zeotroper Gemische als Arbeitsmaterial erlaubt im Vergleich zum Stand der Technik, dass das Verfahren vollständig im unterkritischen Zustand durchgeführt wird. Es wird derzeit vermutet, dass bei der Abkühlung des Arbeitsmediums von TAS nach TA4 das Arbeitsmedium zunächst eine Kühlung bis zur Siedekurve durchläuft. Anschließend kondensiert es zur Flüssigkeit und wird dann abschließend auf TA4 abgekühlt. Der Phasenwechsel des zeotropen Gemisches ist mit einem Temperaturglitt verbunden. Daher kann erfindungsgemäß ein sensibler Wärmespeicher als Heißspeichermaterial verwendet werden. Ein Latentwärmespeicher, wie er beispielsweise im CHEST System benötigt wird, ist vorliegend nicht notwendig.
Sensible Wärmespeicher arbeiten nach dem Prinzip der Temperaturveränderung des Speichermediums. Dabei ist bei der Auswahl des Materials für den Wärmespeicher darauf zu achten, dass er eine ausreichend hohe spezifische Wärmekapazität und eine ausreichen hohe Speicherdichte aufweist. Zudem muss er einen Temperaturbereich abdecken, in dem das Arbeitsmedium genutzt wird. Entsprechend kann der sensible Wärmespeicher bei unterschiedlichen Arbeitsmaterialien unterschiedlich gewählt werden. Als geeignete Heißspeichermaterialien haben sich Salzsysteme herausgestellt, die auch in konzentrierten Solaranlagen eingesetzt werden. Beispielhaft sind die folgenden zu nennen, wobei die Schmelztemperatur kleiner Tm sein muss:
Darüber hinaus sind auch ternäre Salzsysteme von Nitratsalzen (beispielsweise in DE 102014212051 A) oder Halogensalze (beispielsweise in WO 2017/093030 A) bekannt.
Die Salzzusammensetzung wird dabei so gewählt, dass das Heißspeichermaterial durchgehend flüssig ist, also nur seine Temperatur, nicht jedoch den Aggregatzustand ändert. Das flüssige Salz oder die flüssige Salzmischung kann die Wärme über einen Wärmeübertrager gut mit Arbeitsmedium austauschen. Besonders bevorzugt ist das Heißspeichermaterial ausgewählt aus Nitrat- und/oder Nitrit-Salzen von Alkali- und/oder Erdalkalimetallen sowie Mischungen aus diesen. Neben Salzzusammensetzungen können auch thermisches Öl, wie z.B. Therminol VP1, Wachse, druckloses oder druckbehaftetes Wasser, Keramiken oder Schüttungen aus Sand, Kies oder Gestein verwendet werden.
Azeotrope Gemische weisen eine variable Wärmekapazität auf. Verwendet man nun lediglich einen Heißspeicher, so kann dieser Schritt nicht effektiv genutzt werden. In einem Temperatur-Enthalpie (T-H-)Diagramm zeigt sich die variable Wärmekapazität durch eine gekrümmte Linie, wohingegen Wärmespeichermaterialien eine gerade Linie aufweisen. Bei hoher Temperatur sollten das Arbeitsmedium und das Wärmespeichermaterial jedoch eine ähnliche Enthalpie aufweisen, um einen effektiven Wärmeübertrag zu ermöglichen. Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass man mehrere Wärmespeicher verwendet, also über mehrere Wärmetauscher die Wärme vom Arbeitsmedium auf das Wärmespeichermaterial überträgt. Das Wärmespeichermaterial kann sich dabei in mehreren verschiedenen Wärmespeicherbehältern befinden, wobei sich zwischen den beiden Wärmespeicherbehältern Pufferbehälter befinden. Es werden also mehrere Speichersysteme in Reihe geschaltet. Erfindungsgemäß ist es vorzugsweise vorgesehen nicht nur einen Heißspeicher, sondern zwei oder mehr voneinander verschiedene Heißspeicher zu verwenden. In diesem Fall kann der erste Heißspeicher mit einem ersten Heißspeichermaterial versehen sein, wohingegen im zweiten Heißspeicher ein zweites Heißspeichermaterial genutzt wird. Das erste Heißspeichermaterial und das zweite Heißspeichermaterial können gleich oder verschieden sein. Vorzugsweise sind das erste Heißspeichermaterial und das zweite Heißspeichermaterial voneinander verschieden. Dies ermöglicht einen effektiven Temperaturübertrag vom Arbeitsmedium auf das Speichermaterial, wobei das Heißspeichermaterial an die Eigenschaften des Arbeitsmediums bei den jeweils herrschenden Temperaturbedingungen angepasst werden kann. Das erste Heißspeichermaterial kann beispielsweise ein Salzsystem, wie zuvor beschrieben, verwendet werden. Auch das zweite Heißspeichermaterial kann ein Salzsystem enthalten. Es kann jedoch auch ein thermisches Öl, Wachs, druckloses oder druckbehaftetes Wasser, Keramiken oder Schüttungen aus Sand, Kies oder Gestein als zweites Heißspeichermaterial genutzt werden. Vorzugsweise ist das zweite Heißspeichermaterial ein thermisches Öl, Wachs oder druckloses oder druckbehaftetes Wasser, insbesondere ist es druckbehaftetes Waser.
Weist das erfindungsgemäße Verfahren mehr als zwei voneinander getrennte Heißspeicher auf, so nutzt der erste Heißspeicher vorzugsweise ein Salzsystem als Heißspeichermaterial. Der zweite und jede weitere Heißspeicher werden unter Verwendung entweder eines Salzsystems oder von druckbehaftetem Wasser als Heißspeichermaterial betrieben.
Nach dem Übertrag der Wärme vom Arbeitsmedium auf das Heißspeichermaterial ist die Energie in diesem Material gespeichert. Das Arbeitsmedium wird nun wieder in den Ausgangszustand versetzt, um für weitere Beladzyklen zur Verfügung zu stehen. Hierfür wird das Arbeitsmedium von der Temperatur TA4 und dem Druck pA3 auf die Temperatur TAI und den Druck PAI gebracht. Der Druck PAI liegt deutlich unterhalb des Druckes PAS, SO dass dieser Vorgang der Entspannung des Arbeitsmediums mittels einer Drossel oder einer Flüssigkeitsturbine erfolgen kann. Hierdurch ändert sich isentrop auch der Aggregatzustand des Arbeitsmediums. Es kondensiert und wird flüssig. Gleichzeitig sinkt die Temperatur von TA4 auf TAI durch die Entspannungsverdampfung des Arbeitsmediums.
Das Arbeitsmedium weist nun wieder die Temperatur TAI und den Druck PAI auf, so dass der Beladezyklus erneut durchlaufen werden kann. Die Dauer der Beladezeit ist lediglich von dem Volumen der Speicher für das Heißspeichermaterial bzw. das Kaltspeichermaterial abhängig.
Um ein effektives Verfahren zu ermöglichen, ist TA4 > TAI . Der Temperaturunterschied zwischen TA4 und TAI liegt vorzugsweise bei 0,5 K oder mehr und 25 K oder weniger. Durch die isentrope Entspannung (Schritt (i)e) des erfindungsgemäßen Verfahrens) erfolgt eine Temperaturabsenkung. Abhängig vom Arbeitsmedium und der Druckdifferenz zwischen pA4 und PAI liegt die Temperaturdifferenz AT zwischen TA4 und TAI im Bereich von 0,6 K bis 20 K, insbesondere von 1 K bis 15 K.
Der Druck PAI beträgt etwa Atmosphärendruck. Er liegt vorzugsweise im Bereich von 0,2 bar bis 3 bar, insbesondere von 0,5 bar bis 2 bar.
Die Temperatur TAI ist dabei so gewählt, dass das zeotrope Gemisch beim Druck PAI flüssig ist. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt TAI im Bereich von -45 °C bis 60 °C, insbesondere von -40 °C bis 40 °C, vorzugsweise von -35 °C bis 25 °C, besonders bevorzugt von -30 °C bis 10 °C, insbesondere bevorzugt von -25 °C bis 0 °C.
Die Temperatur TA2 ist größer als TAI, da in Schritt (i) b) Wärme vom Kaltspeichermaterial auf das Arbeitsmedium übertragen wird. So kann TA2 beispielsweise im Bereich von 20 °C bis 200 °C, insbesondere von 30 °C bis 150 °C, bevorzugt von 35°C bis 100 °C liegen. In Schritt (i) b) wird üblicherweise ein solche Wärmemenge aufgenommen, so dass AT zwischen TAI und TA2 von 20 K bis 120 K, vorzugsweise von 25 K bis 100 K, insbesondere von 30 K bis 80 K beträgt.
Der Druck pA2 entspricht im Wesentlichen den für PAI genannten Werten. Die Drücke PAI und pA2 sind ungefähr gleich.
In Schritt (i) c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Energie in das Arbeitsmedium übertragen. Hierdurch steigt die Temperatur TA2 auf die Temperatur TAS. Die Temperatur TAS liegt unterhalb der Zersetzungstemperatur des Arbeitsmediums, welche üblicherweise 500°C beträgt. Somit ist TA3 bevorzugt 500 °C oder weniger. Eine Temperatur von 200 °C sollte jedoch überschritten werden, damit ein effektiver Wärmetransfer in das Heißspeichermaterial ermöglicht wird. Bevorzugt ist TA3 somit 400 °C oder weniger, insbesondere 300 °C oder weniger.
Neben der Zufuhr von Wärme wird das Arbeitsmedium in Schritt (i) c) des erfindungsgemäßen Verfahrens auch komprimiert, so dass der Druck des Arbeitsmediums von pA2 auf pA3 ansteigt. Der Druck pA3 liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bar bis 100 bar, insbesondere im Bereich von 15 bar bis 90 bar, bevorzugt von 20 bar bis 80 bar, besonders bevorzugt von 30 bar bis 70 bar, insbesondere bevorzugt von 40 bar bis 60 bar.
Das Arbeitsmedium überträgt dann in Schritt (i) d) die Wärme auf das Heißspeichermaterial, wodurch die Temperatur von TA3 auf TA4 absinkt. Der Druck bleibt dabei im Wesentlichen unverändert, so dass pA4 dieselben Werte aufweist wie PA3.
Die Temperatur TA4 liegt im Größenbereich von TAI, wobei, wie bereits gesagt, TA4 > TAI . TA4 liegt vorzugsweise im Bereich von -40 °C bis 65 °C, insbesondere von -35 °C bis 50 °C, vorzugsweise von -30 °C bis 30 °C, besonders bevorzugt von -25 °C bis 20 °C, insbesondere bevorzugt von -20 °C bis 10 °C.
Die durch den Beladezyklus gespeicherte Energie kann im Entladezyklus wieder freigesetzt werden. Hierbei wird der Beladezyklus quasi in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen, wobei das Arbeitsmedium wieder einen Wechsel des Aggregatzustandes durchläuft.
Im Einzelnen wird zunächst das Arbeitsmedium bei einer Temperatur TEI und einem Druck PEI bereitgestellt. Das Arbeitsmedium ist flüssig. Die Temperatur TEI entspricht im Wesentlichen der Temperatur TAI, wobei Temperaturunterschiede von bis zu 100 K oder weniger, insbesondere von 80 K oder weniger, vorzugsweise von 60 K oder weniger auftreten können. Die Temperaturunterschiede sind vom Design der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens abhängig und sollten möglichst gering sein. Temperaturunterschiede von 50 K oder weniger, insbesondere von 20 K oder weniger, vorzugsweise 15 K oder weniger, bevorzugt 10 K oder weniger sind daher besonders bevorzugt.
Der Druck PEI ist größer als PAI . Dies ist notwendig, damit der Wärmetransfer auf das Kaltspeichermaterial erfolgen kann, die Druckdifferenz Ap zwischen PAI und PEI liegt insbesondere im Bereich von 0,05 bis 1 bar, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 0,9 bar, vorzugsweise im Bereich von 0,15 bis 0,5 bar.
Das kalte Arbeitsmedium (TEI, PEI) wird nun komprimiert, so dass der Druck auf PE4 steigt (Schritt (ii) b) des erfindungsgemäßen Verfahrens). Die Temperatur TE4, die das Arbeitsmedium nach der Kompression aufweist, liegt üblicherweise oberhalb der Temperatur TEI . Somit ist TE4 > TEI . Aufgrund des isentropen Wärmeeintrags in Form von mechanischer Arbeit kann eine Erhöhung der Temperatur um wenige K im Bereich von 0,5 K bis 15 K, insbesondere 0,6 K bis 10 K, erfolgen. Üblicherweise liegt der Wärmeunterschied bei weniger als 10 K. Die Temperatur des Arbeitsmediums wird nicht aktiv geändert, sondern die Änderung erfolgt alleine als Nebeneffekt des Arbeitsschrittes. Nach der Kompression kann das kalte Arbeitsmedium durch einen Niedertemperaturrekuperator geführt werden, um den kalten Stoffstrom im flüssigen Zustand ein wenig vorzuheizen.
Das druckbehaftete kalte Arbeitsmedium wird nun erhitzt, wobei die Wärme von Heißspeichermaterial stammt (Schritt (ii) c) des erfindungsgemäßen Verfahrens). Hierdurch wird die Temperatur des Heißspeichermaterials von TH2 auf Tm abgesenkt, und die die Temperatur des Arbeitsmaterials von TE4 auf TES erhöht. Die im Heißspeichermaterial gespeicherte Energie wird somit wieder auf das Arbeitsmedium übertragen und man erhält ein heißes, druckbehaftetes Arbeitsmedium mit der Temperatur TES und einem Druck pE3. Auch in diesem Schritt kann der Druck auf Grund von Reibungsverlusten um wenige mbar absinken.
Die in dem heißen, druckbehafteten Arbeitsmedium gespeicherte Energie kann freigesetzt werden (Schritt (ii) d) des erfindungsgemäßen Verfahrens). In diesem Arbeitsschritt wird in einer Expansionsmaschine mechanische Arbeit abgegeben, welche für den Betrieb beispielsweise eines Generators verwendet werden kann. Nachdem die Energie freigesetzt wurde, weist das Arbeitsmedium eine Temperatur TE2 und einen Druck PEI auf. Die Temperatur TE2 liegt über der Temperatur TEI . Diese überschüssige Temperatur wird abschließend auf das Kaltspeichermaterial übertragen (Schritt (ii) e) des erfindungsgemäßen Verfahrens). Hierdurch wird das Arbeitsmedium flüssig und die Temperatur sinkt auf TEI ab. Der Druck bleibt bei PEI quasi konstant. Die Temperatur des Kaltspeichermaterials steigt von TKI auf TK2.
Die Abgabe der in dem Arbeitsmedium gespeicherten Energie kann in einer bevorzugten Ausführungsform zweistufig erfolgen. Hierbei kann das Arbeitsmedium nach dem Durchlaufen einer ersten Expansionsmaschine und der Abgabe mechanischer Arbeit erneut mit einem oder mehreren Heißspeichern Wärme austauschen, wobei das Arbeitsmedium erneut erhitzt wird. Anschließend kann das Arbeitsmedium durch eine zweite Expansionsmaschine geführt werden, wobei erneut mechanische Arbeit abgeben wird.
Der Entladezyklus kann erneut ablaufen und zwar so lange bis alle Energie aus dem Heißspeichermaterial auf das Arbeitsmedium und von diesem auf den Generator oder eine vergleichbare Vorrichtung übertragen wurde.
In Analogie zum CHEST-System wird auch im erfindungsgemäßen Verfahren der Phasenwechsel flüssig-gasförmig verwendet, um die kaltseitige Energie zu speichern. Erfindungsgemäß ist der Kaltspeicher ein alleinstehender Speicher mit einem Kaltspeichermaterial.
Erfindungsgemäß wird die überschüssige Energie, die dem Kaltspeichermaterial im Entladezyklus zugeführt wird (Schritt (ii) e) des erfindungsgemäßen Verfahrens), verwendet, um das Arbeitsmedium im Beladezyklus zu verdampfen und so das Kaltspeichermaterial abzukühlen.
Im Entladezyklus läuft der Beladezyklus quasi in umgekehrter Reihenfolge ab. Entsprechend sind TAI und TEI in derselben Größenordnung. Gleiches gilt für TA2 und TE2 sowie für TAS und TE3 sowie für TA4 und TE4. Für die Drücke gilt entsprechendes. Es hat sich gezeigt, dass vorzugsweise pE4 90% bis 120%, insbesondere 95% bis 110% von pA4 beträgt.
In einer weiteren Ausführungsform wird die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung (10) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend: einen Arbeitsmediumkreislauf (11) mit einem Arbeitsmedium; der Arbeitsmediumkreislauf (11) umfasst mindestens einen Kaltspeicher (12a, 12b) mit mindestens einer ersten Wärmeübertrager (13); mindestens einen Heißspeicher (14a, 14b) mit mindestens einer zweiten Wärmeübertrager (15); eine erste Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (16); sowie eine zweite Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (17), wobei in einem Beladezyklus der Vorrichtung (10) aus dem mindestens einem Kaltspeicher (12a, 12b) über den mindestens einen ersten Wärmeübertrager (13) Wärmeenergie aus dem mindestens einem Kaltspeicher (12a, 12b) dem Arbeitsmedium zuführbar ist zur Umwandlung des Arbeitsmediums von einem flüssigen in einen gasförmigen Aggregatzustand, wobei unter Energiezufuhr über die erste Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (16) der Druck und die Temperatur des Arbeitsmediums erhöhbar ist, wobei über den mindestens einen zweiten Wärmeübertrager (15) dem Arbeitsmedium Wärme entziehbar und dem mindestens einem Heißspeicher (14a, 14b) zuführbar ist und wobei eine zweite Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (17) zur Reduktion des Druckes des Arbeitsmediums ausgebildet ist und/oder wobei in einem Entladezyklus der Vorrichtung (10) das Arbeitsmedium über die zweite Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (17) unter Energiezufuhr komprimierbar ist, wobei die Temperatur des Arbeitsmediums durch Abgabe von Wärme an den mindestens einen Heißspeicher (14a, 14b) über den mindestens einen zweiten Wärmeübertrager (15) erhöhbar ist, wobei der Druck des Arbeitsmediums über die erste Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (16) unter Freisetzung mechanischer Energie entspannbar ist und wobei Wärmeenergie vom dem Arbeitsmedium über den mindestens einen ersten Wärmeübertrager (13) an den mindestens einen Kaltspeicher (12a, 12b) abführbar ist zur Umwandlung des gasförmigen Aggregatzustands des Arbeitsmediums in den flüssigen Aggregatzustand.
Bevorzugt kann die Vorrichtung (10) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiterhin mindestens einen dritte Wärmeübertrager umfassen, wobei der mindestens eine dritte Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung aus dem Bereich zwischen dem Heißspeicher (14a, 14b) und der zweiten Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (17) auf den Bereich zwischen dem Kaltspeicher (12a, 12b) und der ersten Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (16) angeordnet ist.
Erfindungsgemäß wird somit nur ein Kompressor 16a und ein Entspanner 16b (Kolben- oder Strömungsmaschine, als erste Fluidenergiemaschine 16) auf der Gasseite benötigt. Auf der Flüssigkeitsseite reichen Flüssigkeitspumpen 17b und -düsen 17a oder Flüssigkeitsturbinen (als zweite Fluidenergiemaschine 17a) aus. Komplexe Vorrichtungen, wir Sie im Stand der Technik teilweise benötigt werden, werden vorliegend nicht benötigt.
Die erste und/oder zweite Fluidenergiemaschine können jeweils als Strömungsmaschine oder Hubkolbenmaschine ausgestaltet sein. Insbesondere kann als Kompresser 16a eine Strömungsmaschine oder eine Hubkolbenmaschine eingesetzt werden. Insbesondere kann ein Entspanner 16b als Strömungsmaschine oder Hubkolbenmaschine ausgestaltet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann auch ein einzige Hubkolbenmaschine als Kompresser 16a und Entspanner 16b eingesetzt werden.
Strömungsmaschinen können grundsätzlich als Fluidenergiemaschinen im Sinne der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. In der Industrie- und Kraftwerkstechnik werden seit Jahrzehnten Strömungsmaschinen mit isentro- per Effizienz über 90 % und über einen weiten Leistungsbereich zwischen 20 MW und 1000 MW erfolgreich verwendet. Im Volllastbetrieb sind Strömungsmaschinen somit hervorragend geeignet in der vorliegenden Erfindung eingesetzt zu werden.
Strömungsmaschinen weisen jedoch unter Umständen den Nachteil auf, dass sie bei Teillast häufig im Gleitdruckbetrieb verwendet werden. Dementsprechend geht mit einer Verminderung der Ein- und Ausspeiseleitung eine erwartete Verringerung des Massenstroms und eine unerwünschte Verringerung des oberen Druckniveaus einher. Das System kann damit unter Umständen aus der Balance geraten.
Im Belademodus kann der Kompressor 16a das Arbeitsmedium gegebenenfalls nicht mehr genau auf den gewünschten Druck und damit nicht mehr auf die gewünschte Temperatur bringen. Die Temperatur des Arbeitsmediums am Kompressoraustritt kann damit zu niedrig zur Einspeicherung der thermischen Energie in den Heißspeicher sein. Dies kann eine unzureichende Einspeicherung zur Folge haben. Dies gilt nicht nur für den heißesten Speicher, sondern kaskadiert zu den folgenden Speichern durch, da an deren Wärmetauschern das Arbeitsmedium auch mit einem zu geringen Druck und damit zu niedriger Kondensationstemperatur anliegt.
Im Entlademodus führt der Gleitdruckbetrieb im Teillastbereich des erfindungsgemäßen Rankinezyklus zu einer Absenkung der Siedetemperatur, was wiederrum zu einer unzureichenden Ausspeicherung und einer zu niedrigen Eingangstemperatur des Arbeitsmediums in den Turboexpander führen kann. Daraus folgt, dass die Turbinenarbeit im Entlademodus stark reduziert ist und ein Großteil der übertragenen thermischen Energie an die Umwelt abgeführt werden muss.
In beiden Fällen kann der Wirkungsgrad der Vorrichtung reduziert sein. Eine Alternative ist die Nutzung des Festdruckbetriebs, bei dem die entsprechenden Druckniveaus konstant gehalten werden. Im Belademodus ist dieser Betrieb jedoch nur eingeschränkt nutzbar, da ein Turbokompressor bei gleicher Umdrehungszahl aber verringertem Massenstrom schnell an seine Pumpgrenze gerät, was zur Zerstörung des Aggregats führen kann. Damit ist auch die Teillastbeladung unter Umständen eingeschränkt. Im Entlademodus funktioniert der Teillastbetrieb besser, führt aber auch möglichen Verlusten, da die Turbine bei Teilbeaufschlagung starke Ventilationsverluste aufweist. Diese Nachteile können gegebenenfalls vermieden werden, wenn der Kompressor 16a und/oder der Entspanner 16b als Hubkolbenmaschinen ausgestaltet werden. Hubkolbenmaschinen arbeiten im Zweitaktbetrieb mithilfe elektronisch gesteuerter Ventile und können so das geforderte Druck- oder Temperaturniveau jederzeit halten. Die Teillastregelung findet über die Drehzahl der Maschine, beispielsweise mittels eines Frequenzumrichters, statt. Insbesondere kann für den Kompressor 16a und Entspannder 16b eine einzige Hubkolbenmaschine verwendet werden.
Die unterschiedlichen Verfahrensschritte können dann wie folgt ausgestaltet sein. Im Belademodus kann die Hubkolbenmaschine für den Teillastbetrieb mit einer niedrigeren Frequenz gefahren werden. Die Ventile öffnen sobald die gewünschte Auslasstemperatur erreicht ist. Die Entladedrossel kann angedrosselt gefahren werden, um das entsprechende Druckniveau im System aufrecht zu erhalten. Im Entlademodus wird die Hubkolbenmaschine durch die Speisepumpe langsamer beladen, als im Volllastbetrieb, also bei gleichem Druck aber bei geringerem Massenstrom. Dadurch stellt sich eine geringere Umlaufgeschwindigkeit ein, die mithilfe eines Frequenzumrichters wieder auf die Netzfrequenz umgewandelt werden kann.
Die Teillastwirkungsgrade von Hubkolbenmaschinen sind nicht ganz so hoch wie im Volllastmodus, zeigen aber prinzipiell einen geringeren Abfall als Strömungsmaschinen. Darüber hinaus sind lässt sich insbesondere die gleiche Hubkolbenmaschine als Kompressor für den Belade- und als Expander für den Entlademodus verwenden. Dies ist mit Strömungsmaschinen nicht ohne weiteres möglich. Allerdings sind Hubkolbenmaschinen, aufgrund der bewegten Massen, allgemein kleiner als Strömungsmaschinen.
Das dargestellte System erlaubt die standortunabhängige und wirtschaftliche Speicherung von elektrischer Energie aus unterschiedlichen Energien. Es ist ausgelegt auf eine Größenordnung von 1-200 MW Speicherleistung und eine Speicherdauer von 5-50 Stunden. Damit eignet es sich für die großtechnische Stromspeicherung für kleine Betriebe, Industrieareale und ganze Städte und erlaubt die Einbindung von Strom aus Wind und Sonne in weltweite Energiesysteme. Die Investitions- und Betriebskosten werden als deutlich geringer eingeschätzt als dies bei Lithium-Ionen Akkus oder vergleichbaren Batteriesystemen der Fall ist, sodass diese Technologie auch wirtschaftlich viele Vorteile bietet. Da keine besonderen geologischen oder geografischen Gegebenheiten, Energiequellen oder -senken, oder andere standortabhängige Besonderheiten für den Betrieb des Systems benötigt werden, kann die Technologie weltweit eingesetzt werden.
Ausführunosbeispiel :
Eine beispielhafte Darstellung der dargelegten Erfindung ist hier im Folgenden dargestellt.
Ein zeotropes Gemisch aus 80 Gew.-% Ammoniak und 20 Gew.-% Wasser wurde als Arbeitsmedium genutzt. Ein Wasser-Salz (25 Gew.-% CaCl2)-Ge- misch stellte das Kaltspeichermaterial dar. Es wurden drei Heißspeicher mit drei verschiedenen Heißspeichermaterialien verwendet. Als erstes Heißspeichermaterial wurde eine Salzmischung (8% NaNOs-48% KNO3- 2% UNO3- 42% CaNCh) genutzt. Das zweite Heißspeichermaterial war druckbehaftetes Wasser, das dritte Heißspeichermaterial druckloses Wasser.
Der Beladezyklus ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Fig. 4 zeigt das zugehörige T-s-Diagramm des Arbeitsmediums während des Durchlaufs durch eine erfindungsgemäß bevorzugt Vorrichtung.
Der Beladezyklus umfasste die folgenden Schritte: 1. Das Arbeitsmedium (TAI : -21 °C, PAI : 1,38 bar) (Position 6 in Fig. 3 und 4) wurde mittels eines ersten Wärmeübertrages mithilfe des Kaltspeichermaterial auf erwärmt (TAZ: 69 °C, PAZ: 1,35 bar) (Position 1 in Fig. 3 und 4). Dabei sank die Temperatur des Kaltspeichermaterials von 70,5 °C (TK2) auf - 19,5 °C (TKI) ab.
2. Das Arbeitsmedium mit einer Temperatur von 69 °C und einem Druck von 1,35 bar (TA2, PA2, entsprechend Position 1 in Fig. 3 und 4 ) wurde mit einem Kompressor (M) mithilfe von elektrischer Energie auf hohen Druck von 57 bar und eine Temperatur von 500 °C (pA3, TAS, entsprechend Position 2 in Fig. 3 und 4) erhitzt. Dadurch wurde die vom Strom aufgebrachte mechanische Arbeit im Arbeitsmedium gespeichert.
3. Das heiße Arbeitsmedium (TAS: 500 °C, PAS. 57 bar) wird dann mittels eines ersten Heißspeichermaterials abgekühlt, wodurch ein Teil der Wärme vom Arbeitsmedium auf das erste Heißspeichermaterial übertragen wird, wodurch das Arbeitsmedium die Temperatur T : 190 °C und den Druck p: 55,4 bar aufweist (Position 3 in Fig. 3 und 4). Über weitere Heißspeicher wird das Arbeitsmedium zunächst auf eine Temperatur T: 110 °C und einen Druck p: 54,3 bar (Position 4 in Fig. 3 und 4) und abschließend auf
T: -14 °C, p: 53,2 bar (TA4, PA Position 5 in Fig. 3 und 4) abgekühlt.
4. Das nun kalte aber druckbehaftete Arbeitsmedium (TA4, PA4) wurde mittels einer Düse expandiert, wodurch der Temperatur und Druck des Arbeitsmediums wieder den Ausganswert TAI, PAI annahmen.
Zum Entladen wurde der Kreislauf umgekehrt und unter Zuhilfenahme einer Flüssigkeitspumpe durchlaufen. Der Entladezyklus ist in Fig. 5 schematisch dargestellt. Fig. 6 zeigt das zugehörige T-s-Diagramm. Im Entladezyklus lag das Arbeitsmedium zu Beginn (Position 1 in Fig. 5 und 6) bei TEI : -18 °C, PEI : 1,6 bar vor. Nach Kompression lag der Druck pE2 bei 52,6 bar (TEZ : -17 °C; Position 2 in Fig. 5 und 6). Sukzessive wurde Wärme von mehreren Wärmespeichern auf das Arbeitsmedium übertragen wobei es zu dem folgenden Temperaturanstieg und Druckentwicklung kam: Position 3 in Fig. 5/6: T: 107 °C, p: 51,6 bar Position 4 in Fig. 5/6 T: 182 °C, p: 49,5 bar Position 5 in Fig. 5/6 TES : 496,5 °C, PES : 49,5 bar
Die im Arbeitsmedium gespeicherte Energie wurde an einen Generator G übertragen, so dass das Arbeitsmedium die Temperatur TE2 : 152°C und den Druck PE2 : 1,6 bar aufwies (Position 6 in Fig. 5 und 6). Der letzte Schritt war die Abführung der verbliebenen Restwärme auf das Kaltspeichermaterial, wodurch das Arbeitsmedium wieder Anfangstemperatur TEI und Anfangsdruck PEI aufwies.

Claims

34 Patentansprüche
1. Verfahren zur Speicherung und Freisetzung von elektrischer Energie umfassend die Schritte:
(i) in einem Beladezyklus a) wird ein flüssiges Arbeitsmedium bei einer Temperatur TAI und einem
Druck PAI bereitgestellt, b) anschließend wird Wärme von mindestens einem Kaltspeichermaterial auf das Arbeitsmedium mittels mindestens einem ersten Wärmeübertrager übertragen, wodurch die Temperatur des Arbeitsmediums von TAI auf eine Temperatur TA2 ansteigt, wodurch das Arbeitsmedium gasförmig wird und den Druck pA2 aufweist, c) mittels mechanischer Arbeit aus elektrischer Energie wird das gasförmige Arbeitsmedium von der Temperatur TA2 auf eine Temperatur TAS erwärmt und der Druck von einem Druck pA2 auf einen Druck pA3 erhöht, d) anschließend wird die aus der mechanischen Arbeit gewonnene und im Arbeitsmedium gespeichert Wärme vom Arbeitsmedium über mindestens einen Wärmeübertrager auf mindestens ein Heißspeichermaterial übertragen, wodurch die Temperatur des Arbeitsmediums von TAS auf TA4 sinkt, und e) der Druck des Arbeitsmediums wird im Anschluss von pA4 auf PAI reduziert, so dass man erneut ein flüssiges Arbeitsmedium mit einer Temperatur TAI und einem Druck PAI erhält, so dass ein Kreisprozess aus den Schritten b) bis e) durchgeführt werden kann; und
(ii) in einem Entladezyklus a) wird das flüssiges Arbeitsmedium bei einer Temperatur TEI und einem Druck PEI bereitgestellt, 35 b) das Arbeitsmedium wird auf einen Druck pE4 komprimiert und weist die Temperatur TE4 auf, c) Wärme vom mindestens einen Heißspeichermaterial wird mittels mindestens eines Wärmeübertragers auf das Arbeitsmedium übertragen, wodurch die Temperatur des Arbeitsmaterials von TE4 auf TE3 steigt, d) das dann heiße, druckbehaftete Arbeitsmedium mit der Temperatur
TE3 und dem Druck pE3 wird entspannt auf eine Temperatur TE2 und einen Druck pE2, wodurch mechanische Energie freigesetzt wird, und e) Wärme des gasförmigen Arbeitsmedium mit der Temperatur TE2 und dem Druck pE2 wird mittels mindestens eines Wärmeübertragers auf des mindestens eine Kaltspeichermaterial übertragen, wodurch das Arbeitsmedium kondensiert und anschließend eine Temperatur TEI und einen Druck PEI aufweist, so dass ein Kreisprozess aus den Schritten b) bis e) durchgeführt werden kann; wobei das Arbeitsmedium ein zeotropes Gemisch ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zeotrope Gemisch ein binäres System aus einem Primärstoff und einem Sekundärstoff ist, wobei der Primärstoff ausgewählt ist aus Ammoniak oder CO2 und der Sekundärstoff ausgewählt ist aus Wasser, Ethanol oder Methanol.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zeotrope Gemisch 35 bis 45 Gew.-% Ammoniak, 0 bis 10 Gew.-% Ethanol und 50 bis 60 Gew.-% Wasser umfasst.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltspeichermaterial Wasser oder Luft aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltspeichermaterial Wasser aufweist, wobei das Wasser Additive zur Gefrierpunktserniedrigung, ausgewählt aus NaCI, CaCh, Glycol, Methanol, Ethanol oder eine Mischung aus diesen, aufweist oder das Wasser druckbeaufschlagt ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das das Heißspeichermaterial ein sensibler Wärmespeicher, insbesondere eine Salzmischung, ein thermisches Öl, ein Wachs, druckloses oder druckbehaftetes Wasser, Keramiken oder Schüttungen aus Sand, Kies oder Gestein, ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Salzmischung ausgewählt ist aus Nitrat- und/oder Nitrit-Salzen von Alkali- und/oder Erdalkalimetallen sowie Mischungen aus diesen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie in (i) c) aus regenerativen Energien, insbesondere von Solarenergie und/oder Windenergie stammt.
9. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend: einen Arbeitsmediumkreislauf (11) mit einem Arbeitsmedium; der Arbeitsmediumkreislauf (11) umfassend mindestens einen Kaltspeicher (12a, 12b) mit mindestens einer ersten Wärmeübertrager (13); mindestens einen Heißspeicher (14a, 14b) mit mindestens einer zweiten Wärmeübertrager (15); eine erste Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (16); sowie eine zweite Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (17), wobei in einem Beladezyklus der Vorrichtung (10) aus dem mindestens einem Kaltspeicher (12a, 12b) über den mindestens einen ersten Wärmeübertrager (13) Wärmeenergie aus dem mindestens einem Kaltspeicher (12a, 12b) dem Arbeitsmedium zuführbar ist zur Umwandlung des Arbeitsmediums von einem flüssigen in einen gasförmigen Aggregatzustand, wobei unter Energiezufuhr über die erste Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (16) der Druck und die Temperatur des Arbeitsmediums erhöhbar ist, wobei über den mindestens einen zweiten Wärmeübertrager (15) dem Arbeitsmedium Wärme entziehbar und dem mindestens einem Heißspeicher (14a, 14b) zuführbar ist und wobei eine zweite Turbine (16) zur Reduktion des Druckes des Arbeitsmediums ausgebildet ist und/oder wobei in einem Entladezyklus der Vorrichtung (10) das Arbeitsmedium über die zweite Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (17) unter Energiezufuhr komprimierbar ist, wobei die Temperatur des Arbeitsmediums durch Abgabe von Wärme des mindestens einen Heißspeichers (14a, 14b) über den mindestens einen zweiten Wärmeübertrager (15) erhöhbar ist, wobei der Druck des Arbeitsmediums über die erste Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (16) unter Freisetzung mechanischer Energie entspannbar ist und wobei Wärmeenergie vom dem Arbeitsmedium über den mindestens einen ersten Wärmeübertrager (13) an den mindestens einen Kaltspeicher (12a, 12b) abführbar ist zur Umwandlung des gasförmigen Aggregatzustands des Arbeitsmediums in den flüssigen Aggregatzustand.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9 weiterhin umfassend mindestens einen dritten Wärmeübertrager, wobei der mindestens eine dritte Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung aus dem Bereich zwischen dem Heißspeicher (14a, 14b) und der zweiten Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (17) auf den Bereich zwischen dem Kaltspeicher (12a, 12b) und der ersten Fluidenergiemaschine, insbesondere Strömungsmaschine, (16) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die erste Fluidenergiemaschine (16) und/oder die zweite Fluidenergiemaschine (17) als Hubkolbenmaschine ausgestaltet ist. - 38 -
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die erste Fluidenergiemaschine (16) im Beladezyklus als Kompressor (16a) und im Entladezyklus als Entspanner (16b) als einzige Hubkolbenmaschine ausgestaltet ist.
13. Verwendung einer Vorrichtung, bevorzugt nach einem der Ansprüche 9 bis 12 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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