EP4301966A1 - Speicherkraftwerk und verfahren zum betreiben eines speicherkraftwerks - Google Patents

Speicherkraftwerk und verfahren zum betreiben eines speicherkraftwerks

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EP4301966A1
EP4301966A1 EP22777178.9A EP22777178A EP4301966A1 EP 4301966 A1 EP4301966 A1 EP 4301966A1 EP 22777178 A EP22777178 A EP 22777178A EP 4301966 A1 EP4301966 A1 EP 4301966A1
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EP
European Patent Office
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steam
water
energy
power plant
working medium
Prior art date
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EP22777178.9A
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French (fr)
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EP4301966C0 (de
EP4301966B1 (de
Inventor
Ingo Stephan
Tobias Florian BURGARD
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP4301966A1 publication Critical patent/EP4301966A1/de
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Publication of EP4301966B1 publication Critical patent/EP4301966B1/de
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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
    • F01K3/18—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters
    • 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
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/003—Methods of steam generation characterised by form of heating method using combustion of hydrogen with oxygen
    • 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
    • F01K17/00—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant
    • F01K17/02—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant for heating purposes, e.g. industrial, domestic

Definitions

  • the invention relates to a storage power plant according to the preamble of independent claim 1 and a method for charging and discharging the energy storage devices of such a storage power plant according to the preambles of claims 5 and 6.
  • renewable energies such as solar and wind energy
  • thermal energy storage (often also referred to as heat storage) is already state of the art in solar thermal power plants.
  • the charging of the thermal energy storage with solar energy is primarily fluid-based (e.g. using thermal oil).
  • This concept can generally be transferred to storage power plants, whereby the thermal energy storage can also be charged using electrical energy or other fluid-bound heat flows (e.g. waste heat from industrial processes). Waste heat is excess heat (e.g. from an industrial process) that would otherwise be released into the environment unused.
  • the maximum operating temperature of the thermal energy store varies depending on the type of energy flows during charging and the design of the thermal energy store.
  • the (re)conversion of the stored energy takes place by means of a generator-bound steam turbine in a water-steam cycle.
  • the temperature of the thermal energy storage thus influences the fluid temperature of the water-steam circuit.
  • the use of the steam turbine requires minimum fluid parameters at the turbine inlet (minimum temperature in Dependency of the pressure) below which operation is not possible due to excessive wetness in the expansion process. Operation above the minimum fluid parameters (temperature increase or combined temperature and pressure increase) is possible within certain limits (until the maximum fluid parameters are reached) and can lead to increased circuit efficiency.
  • thermal energy storage devices cannot currently be used as long-term storage devices.
  • Chemical energy storage is more suitable for long-term storage than thermal energy storage.
  • excess electrical energy can be used to generate hydrogen using electrolysis.
  • the hydrogen can be burned in a hydrogen-fired gas and steam power plant for reverse flow.
  • chemical energy storage devices have the disadvantage of higher electricity generation costs. Consequently, the upgrading of thermal energy storage to long-term storage has great economic potential.
  • the object of the present invention is to provide a storage power plant with improved storage technology. Furthermore, it is the object of the present invention to show methods for charging and discharging the energy storage devices of such a storage power plant.
  • the storage power plant comprises at least one water-steam circuit, the water-steam circuit comprising at least one steam turbine with a generator that is operatively connected to the steam turbine, and two energy storage devices.
  • the energy storage devices are arranged and designed in such a way that they can deliver energy to the H2O flowing in the water-steam circuit in order to generate steam with defined steam parameters.
  • H20 also referred to below as the working medium of the water-steam cycle, generally stands for water in different aggregate states (liquid, vapor).
  • the steam that can be generated can be expanded in the steam turbine, with the rotational energy produced during the expansion of the steam being usable for driving the generator.
  • the first energy store is designed as a thermal energy store and the second energy store is designed as a chemical energy store.
  • the chemical energy storage device can be charged using electrical energy and includes an electrolyser for separating water from the water-steam cycle into hydrogen and oxygen and a first storage device for storing the hydrogen and a second storage device for storing the oxygen.
  • the water-steam circuit includes a steam generator for the internal combustion of the hydrogen with the oxygen, the steam generator having a connection via which the steam that can be generated in the steam generator, H 2 O, can be fed for steam conditioning.
  • the steam generator used for internal combustion is hereinafter referred to as Clean Steam Generator, CSG for short.
  • the CSG generates water vapor through pressurized internal combustion of hydrogen and oxygen. This primarily generated water vapor is conditioned by the addition of H 2 O. This conditioned water vapor is described below referred to as CSG vapor. Chemical reactions can take place during conditioning.
  • the storage power plant according to the invention thus combines the advantages of thermal energy storage with those of chemical energy storage's rule.
  • Thermal energy storage devices gradually lose their stored energy over time due to heat losses, but hydrogen and oxygen can be stored with low time-dependent losses, which makes these substances a suitable storage medium for long-term energy storage devices (chemical energy storage devices, power to Eh & O 2 ).
  • the storage power plant according to the invention can play a decisive role in power grids with a high proportion of volatile power sources (renewable energies).
  • the energy stores thermal energy stores, chemical energy stores
  • the chemical energy storage offers some advantages in terms of operational flexibility, e.g. through CSG
  • the main advantage of the storage power plant according to the invention lies in the rare event of longer-term electricity production in the grid (eg dark lull, longer period without sunshine and wind). Due to the low time-dependent losses of the chemical energy store, the stored energy can be reliably discharged even after long downtimes, which means that the storage power plant also supplies a minimum amount of energy that can be planned in this case. Since her storage power plant according to the invention can be used in contrast to purely thermal storage power plants for long-term storage. However, the electricity production costs in the storage power plant according to the invention are lower than in a storage power plant with purely chemical energy storage. Through the targeted adjustment of the respective proportion of the two storage principles (thermal and chemical mixed), an individually optimized storage power plant can be achieved.
  • An embodiment of the storage power plant according to the invention is characterized in that the water-steam circuit is designed as a closed circuit.
  • the water required for the electrolysis is taken from the condensate of the water-steam cycle (mass balance is closed due to the internal combustion of the hydrogen and oxygen produced in the CSG).
  • This closed circuit is an essential difference to other systems, e.g. storage power plants based on a gas turbine, which is fired with hydrogen from the electrolysis. There, the water is lost through the chimney, which leads to a significant water consumption.
  • a further embodiment of the invention provides that the thermal energy store has a connection for supplying fluid-bound heat.
  • This makes it possible to charge the thermal energy store additionally or alternatively (for electrical charging) by means of a fluid.
  • a fluid can be, for example, thermal oil, which is heated by a solar thermal power plant and/or by waste heat from industrial processes.
  • a possible difference in temperature of the working medium between the outlet of the thermal energy storage unit and the target parameters at the inlet to the steam turbine is compensated for by admixing CSG steam.
  • a further embodiment of the invention provides that the connection on the CSG is actively connected to the capacitor and/or the thermal energy store.
  • water and/or water vapor can be sprayed into the CSG and the vapor parameters of the CSG vapor can thus be adjusted.
  • the water discharged from the capaci tor is first supplied to a preheater and then feeds the heated water to the CSG.
  • the preheater can be operated, for example, by means of intermediate steam extraction from the steam turbine.
  • the energy stores are generally and preferably charged at times when there is an oversupply of electrical energy.
  • Part of the electrical energy is used to heat up the thermal energy store (power to heat).
  • the energy can be introduced into the thermal energy store via fluid-bound heat, for example by means of waste heat introduction.
  • Another part of the electrical energy is stored in the chemical energy store.
  • water is broken down into hydrogen and oxygen by means of electrolysis and then stored in reservoirs (e.g. pressure tanks). How large the respective proportion of electrical energy is for charging the respective energy store can vary, even during the charging process, whereby a customer-optimized solution with low electricity production costs should be aimed for.
  • the above-mentioned proportions of the electrical energy that is used to charge the respective energy store can also be zero, independently of one another.
  • the water that is fed to the electrolyzer is preferably taken from the water-steam circuit. This results in a closed cycle, which means that the process can be operated without any significant water consumption (only a small amount of water to compensate for leaks). gene may be necessary) and the process is particularly suitable for use in dry regions.
  • the water required for the electrolysis is recovered from the condensate of the water-steam cycle (mass balance is closed due to the internal combustion of the hydrogen and oxygen produced in the CSG). This closed cycle is a major difference compared to known methods.
  • the inventive method for discharging the Energyspei cher a storage power plant according to one of claims 1 to 4, is characterized by the following process steps:
  • thermal energy is transferred from the thermal energy storage device to the working medium in the water-steam circuit in order to bring about a temperature increase and/or phase change (evaporation).
  • hydrogen and oxygen from the respective storage device oxygen storage device/hydrogen storage device
  • Working medium is also injected into the CSG to condition the vapor produced during combustion.
  • the working medium is primarily dem Water-steam circuit removed and can be pre-heated by regenerative pre-heating or by the thermal Energyspeieher.
  • a possible temperature difference of the working medium between the outlet of the thermal energy storage device and the target parameters at the inlet to the steam turbine is compensated for by admixing CSG steam.
  • the mode of operation division of energy flows and temperature levels between thermal energy storage and chemical energy storage
  • the location of the steam injection depend on the respective application.
  • thermal energy storage devices with temperature levels below the target temperature at the steam turbine inlet can therefore also be used for reverse flow by means of conventional water-steam circuits. No other energy sources are required, which leads to higher net electricity generation and self-sufficiency.
  • the storage power plant can be operated even more flexibly thanks to the hot water/intermediate steam extraction.
  • the warm water/steam can also be taken directly from the thermal energy store.
  • - Fig. 1 An embodiment of a storage power plant according to the invention
  • - Fig. 2 A first mode of operation of the storage power plant shown in Fig. 1, in which the provision of steam to operate the steam turbine by discharging both energy stores and conditioning of the CSG steam by means of condensate sats, and subsequent mixing of the CSG steam with the working medium, which is heated/evaporated by the thermal energy store;
  • FIG. 1 A second operating mode of the storage power plant shown in Fig. 1, in which the provision of the steam for operating the steam turbine by discharging the chemical energy store and conditioning the CSG vapor by means of condensate, and subsequent mixing of the CSG vapor with condensate , he follows;
  • FIG. 4 A third operating mode of the storage power plant shown in Fig. 1, in which the provision of steam for operating the steam turbine by discharging both energy storage and conditioning of the CSG steam using the working medium from the thermal energy storage, as well as a subsequent mixing of the CSG vapor with the working medium, which is heated / vaporized by the thermal energy storage device, it follows;
  • FIG. 5 A fourth operating mode of the storage power plant shown in FIG. 1, in which the steam for operating the steam turbine is provided by discharging the chemical energy store and conditioning the CSG steam by means of working medium from the thermal energy store;
  • FIG. 6 A fifth operating mode of the storage power plant shown in FIG. 1, in which the steam for operating the steam turbine is provided by discharging the chemical energy store and conditioning the CSG steam by means of condensate.
  • the figures each show only a schematic, simplified representation of the storage power plant that is not true to scale. Components that are the same or have the same function are provided with the same reference characters across the figures.
  • the storage power plant has a water-steam circuit 1, which is operated with H2O as the working medium.
  • the working medium can be present in liquid form and/or as water vapor locally and depending on the operating mode.
  • the water-steam circuit 1 comprises a thermal energy store 4 and a chemical energy store 5.
  • the two energy stores 4, 5 are fluidically parallel to one another in the water-steam circuit 1.
  • the thermal energy spoke 4 can be charged by means of electrical energy rule 13 (power to heat) or alternatively (or additionally) by means of fluid-bound heat 11, for example by introducing waste heat.
  • the chemical energy store 5 can be charged using electrical energy 13 and comprises an electrolyzer 6 for separating water from the water-steam cycle 1 into hydrogen and oxygen, as well as a first store 7 for storing the water and a second store 8 for storing the oxygen. Furthermore, the water-steam circuit 1 includes a CSG 9 for internal combustion of the hydrogen with the oxygen, the CSG having a connection 10 via which the steam, working medium for steam conditioning, that can be generated in the CSG can be fed.
  • the water-steam circuit 1 is thus a closed circuit in which no working medium is lost (apart from possible leaks). This closed cycle is a major difference to other systems, such as storage power plants based on a gas turbine, which is fired with hydrogen from electrolysis. There, the water is lost through the chimney, which leads to a significant water consumption.
  • the water-steam circuit 1 includes a line system, which is equipped with several valves 16, thereby enabling separate discharging of one or parallel discharging of the energy storage devices 4, 5.
  • the water-steam circuit 1 has a mixer 17 for mixing the CSG vapor with the condensate from the capacitor or the working medium heated and/or vaporized by the thermal store 4 .
  • the mixer 17 is preferably designed as a control element, so that the respective partial mass flows can be set and the steam parameters of the steam supplied to the steam turbine 2 can be set exactly.
  • the water-steam circuit 1 also has at least one intermediate steam extraction 18, via which process steam with defined steam parameters can be extracted and fed to a subsequent process.
  • ei ne removal from the cherriesspeieher is provided, can be provided via the hot water and / or steam, for example, for district heating.
  • the water-steam circuit 1 has to be fed back with the removed mass flow.
  • the charging of the two Energyspeieher 4, 5 by means of electrical energy shear generally and preferably occurs at times when there is an oversupply of electrical energy.
  • the thermal energy store 4, the chemical energy store 5 or both energy stores are charged at the same time using electrical energy depends on the individual case and can also vary during the charging process, whereby a customer-optimized solution with low electricity generation costs should be sought.
  • the priority is usually first to charge the thermal energy store 4 used as a short-term store, and the chemical energy store 5 provided as a long-term store is only charged if sufficient electrical energy is available.
  • water is broken down into hydrogen and oxygen by means of electrolysis and then stored in the stores 7, 8.
  • the water is taken from the tank 19 which is fed with condensate via the tank 12 .
  • the tank 12 and/or 19 can also have a connection via which a possible leakage flow can be compensated.
  • the energy stores can be discharged and the stored energy can be returned in different ways.
  • Various operating modes are described below with reference to FIGS.
  • the exemplary embodiments do not represent an exhaustive enumeration of all possible operating modes; further operating modes are possible without departing from the scope of the present invention.
  • the temperature of the working medium used to condition the CSG vapor can be increased by regenerative water preheating.
  • FIG. 2 shows the storage power plant according to the invention in a first operating mode.
  • the steam is made available for reverse flow of the stored energy by discharging both energy stores 4, 5 and conditioning the CSG steam by means of condensate, as well as subsequent mixing of the CSG steam with that part of the working medium which is discharged from the thermal energy store 4 it is heated/vaporized.
  • the working medium condensate
  • the working medium is heated and, depending on how high the temperature level of the thermal energy store 4 is, evaporates and possibly overheats.
  • the energy stored in the chemical energy store 5 is converted into heat energy in the CSG 9 by the internal combustion of the hydrogen taken from the first tank 7 with the oxygen taken from the second tank 8 .
  • the part of the working medium coming from the thermal energy store 4 and the part of the working medium coming from the CSG 9 are mixed in the mixer 17 .
  • the mixer 17 is operated in such a way that the working medium has steam parameters that allow the working medium to expand in the steam turbine 2 .
  • the stored energy is then returned to the generator 3 driven by the steam turbine 2.
  • FIG. 3 shows the storage power plant according to the invention in a second operating mode.
  • the steam is made available for the reverse flow of the stored energy by discharging the chemical energy Memory 5 and conditioning of the CSG vapor by means of condensate from the tank 12, which is fed to the CSG 9 via the connection 10.
  • the conditioned CSG steam is then mixed in the mixer 17 with part of the working medium, which is also taken from the tank 12, so that the steam parameters can be adjusted in such a way that they are optimized for expansion in the steam turbine 2.
  • the reconversion of the stored energy is subsequently carried out by the generator 3 driven by the steam turbine 2.
  • This mode of operation is particularly suitable for a dark period in which the thermal energy storage device 4 used as a short-term storage device is already completely discharged.
  • the steam for reconversion of the stored energy is provided by discharging both energy stores 4, 5.
  • the CSG steam is conditioned by a first partial mass flow of the working medium, which is fed to the thermal energy store 4 and flows through the thermal energy store 4 heated or evaporated.
  • the supply to the CSG 9 takes place via the connection 10 arranged on the CSG 9.
  • the second partial mass flow flowing through the thermal energy store 4 is fed to the mixer 17 and mixes there with the CSG vapor.
  • the steam parameters of the steam fed to the steam turbine 3 can be set by adjusting the mixer 17 or the mixing ratio.
  • the stored energy is then converted back into electricity by the generator 3 driven by the steam turbine 2.
  • the mode of operation is particularly suitable when if the heat energy of the thermal store 4 is not sufficient to evaporate the working medium or to reach the required steam parameters.
  • FIG. 5 shows the storage power plant according to the invention in a further operating mode.
  • this operating mode the Provision of the vapor for reverse flow of the stored energy by discharging the two energy stores 4, 5.
  • Such a mode of operation is suitable, for example, when the thermal energy store only (still) has a low thermal capacity and as a result only small mass flows of the working medium can be heated/evaporated.
  • FIG. 6 shows the storage power plant according to the invention in a further operating mode.
  • the vapor is provided for returning the stored energy by discharging the chemical energy store 5.
  • the conditioning of the CSG vapor takes place in which the CSG 9 is supplied with condensate via the connection 10, which the tank 12 or the downstream, belonging to the chemical energy storage tank 5 20, is removed.
  • Such an operating mode is preferably used in times of dark doldrums when the thermal energy storage device, which is mainly used as a short-term storage device, is already completely discharged.
  • the chemical energy store 5 can then extend the operating time of the storage power plant.
  • the storage power plant according to the invention brings about low electricity production costs or reconversion costs by combining a thermal energy storage device and a chemical energy storage device.
  • the chemical energy storage device is also suitable for the long-term storage of energy, which is useful, for example, in power grids with a high proportion of volatile power sources (renewable raw energies) is conducive to electricity production during dark doldrums.
  • thermal energy storage devices with temperature levels below the required steam turbine inlet temperature can also be used. In this case, the temperature difference is compensated for by adding CSG vapor.
  • the water-steam cycle can be designed as a closed system. Apart from compensating for system-related water losses (e.g. leaks), no external water supply is necessary. This means that the storage power is also suitable for regions with water shortages.
  • the operating mode i.e. the distribution of the energy flows and the temperature levels between the thermal storage and the chemical storage as well as the location of the CSG steam injection can vary depending on the application and operating mode of the storage power plant. In this way, the electricity generation costs can be kept low and the degree of self-sufficiency increased. If there is a temperature difference in the working medium between the outlet of the thermal store and the target parameters at the inlet to the steam turbine, this is compensated for by admixing CSG steam.
  • One or more intermediate steam extractions can be provided on the steam turbine.
  • the intermediate steam extraction enables steam to be extracted along the expansion section with defined steam parameters.
  • water and/or steam can be taken from the thermal store.
  • the extracted working medium can be used, for example, as process steam or for district heating. If there is intermediate steam extraction and/or extraction from the thermal storage tank, the extracted mass flow must be fed back into the water-steam circuit accordingly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Speicherkraftwerk, zur Erzeugung von Dampf mit definierten Dampfparametern, wobei der erzeugbare Dampf in einer Dampfturbine (2) entspannbar ist, und wo bei eine bei der Entspannung des Dampfes entstehende Rotationsenergie zum Antreiben eines Generators (3) nutzbar ist. Das Speicherkraftwerk umfasst zwei in einem Wasser- Dampfkreislauf (1) integrierte Energiespeicher (4, 5) wobei der erster Energiespeicher (4) als thermischer Energiespeicher und der zweiter Energiespeicher (5) als chemischer Energiespeicher ausgebildet ist. Der chemische Energiespeicher (5) umfasst einen Elektrolyseur (6) zur Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff und wenigstens jeweils einen ersten Speicher (7) zum Speichern des Wasserstoffs und einen zweiten Speicher (8) zum Speichern des Sauerstoffs. Des Weiteren umfasst der Wasser-Dampfkreislauf (1) einen Dampferzeuger (9) zur internen Verbrennung des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff.

Description

Beschreibung
Speicherkraftwerk und Verfahren zum Betreiben eines Speicher kraftwerks
Die Erfindung betrifft ein Speicherkraftwerk nach dem Oberbe griff des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie Verfahren zum Laden und Entladen der Energiespeieher eines solchen Spei cherkraftwerks nach den Oberbegriffen der Ansprüche 5 bzw. 6.
Mit der zunehmenden Nutzung erneuerbarer Energien zur Strom erzeugung steigt die Forderung nach geeigneten Speieherlösun- gen und -kapazitäten stark an, da die erneuerbaren Energien, wie Sonnen- und Windenergie, nicht immer zum Zeitpunkt des Energiebedarfs im benötigten Maß vorhanden sind.
Die Verwendung von thermischen Energiespeiehern (oft auch als Wärmespeieher bezeichnet) ist heute bereits in solarthermi schen Kraftwerken Stand der Technik. Dabei erfolgt das Laden der thermischen Energiespeieher mit Solarenergie primär flu idgebunden (z.B. mittels Thermoöl). Dieses Konzept ist im Allgemeinen auf Speicherkraftwerke übertragbar, wobei das La den des thermischen Energiespeichers auch durch elektrische Energie oder andere fluidgebundene Wärmeströme (z.B. Abwärme von Industrieprozessen) erfolgen kann. Als Abwärme wird dabei überschüssige Wärme (beispielsweise aus einem Industriepro zess) bezeichnet, die ansonsten ungenutzt in die Umgebung ge leitet wird.
Je nach Art der Energieströme beim Laden und der Ausführung des thermischen Energiespeichers variiert die maximale Be triebstemperatur des thermischen Energiespeichers. Die (Rück- )verstromung der gespeicherten Energie erfolgt mittels einer generatorgebundenen Dampfturbine in einem Wasser- Dampfkreislauf . Die Temperatur des thermischen Energiespei chers beeinflusst somit die Fluidtemperatur des Wasser- Dampfkreislaufs . Der Einsatz der Dampfturbine erfordert mini male Fluidparameter am Turbineneintritt (Minimaltemperatur in Abhängigkeit des Drucks) unterhalb derer ein Betrieb auf Grund einer zu hohen Nässe im Expansionsverlauf nicht möglich ist. Ein Betrieb oberhalb der minimalen Fluidparameter (Tem peraturerhöhung oder kombinierte Temperatur- und Druckerhö hung) ist in gewissen Grenzen (bis zum Erreichen der maxima len Fluidparameter) möglich und kann zu einem erhöhten Kreis laufWirkungsgrad führen.
Ein Problem thermischer Energiespeieher im Allgemeinen ist allerdings der Wärmeverlust an die Umgebung, der zu einem Verlust an gespeicherter Energie führt. Aus diesem Grund las sen sich thermische Energiespeieher derzeit nicht als Lang- zeitspeicher einsetzen. Für die LangzeitSpeicherung eignen sich chemische Energiespeieher besser als thermische Energie speicher, dabei kann beispielsweise überschüssige elektrische Energie zur Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse ge nutzt werden. Zur RückverStrömung kann der Wasserstoff in ei nem Wasserstoffgefeuerten GuD-Kraftwerk verbrannt werden. Chemischen Energiespeiehern haben allerdings den Nachteil hö herer Stromgestehungskosten. Folglich birgt die Aufwertung von thermischen Energiespeiehern zu Langzeitspeichern ein großes wirtschaftliches Potential.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Speicherkraft- werk mit verbesserter Speichertechnologie bereit zu stellen. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Ver fahren zum Laden und Entladen der Energiespeieher eines sol chen Speicherkraftwerks aufzuzeigen.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Speicherkraftwerks durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, hinsichtlich des Verfah rens zum Laden der Energiespeieher nach den Merkmalen des Pa tentanspruchs 5 und hinsichtlich des Verfahrens zum Entladen der Energiespeieher nach den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung, die einzeln oder in Kombina tion miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unter ansprüche.
Das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk umfassend wenigstens einen Wasser-Dampfkreislauf, wobei der Wasser-Dampfkreislauf wenigstens eine Dampfturbine mit einem in Wirkverbindung mit der Dampfturbine stehenden Generator, sowie zwei Energie speicher umfasst. Die Energiespeieher sind derart angeordnet und ausgebildet, dass Sie zur Erzeugung von Dampf mit defi nierten Dampfparametern, Energie an das im Wasser- Dampfkreislauf strömende H2O abgeben können. H20, nachfolgend auch als Arbeitsmedium des Wasser-Dampfkreislauf bezeichnet, steht dabei allgemein für Wasser in unterschiedlichen Aggre gatzuständen (flüssig, dampfförmig). Der erzeugbare Dampf ist in der Dampfturbine entspannbar, wobei eine bei der Entspan nung des Dampfes entstehende Rotationsenergie zum Antreiben des Generators nutzbar ist.
Der erster Energiespeieher ist als thermischer Energiespei cher und der zweiter Energiespeieher als chemischer Energie speicher ausgebildet. Der chemische Energiespeieher ist mit tels elektrischer Energie aufladbar und umfasst einen Elekt rolyseur zur Zerlegung von Wasser aus dem Wasser- Dampfkreislauf, in Wasserstoff und Sauerstoff und jeweils ei nen ersten Speicher zum Speichern des Wasserstoffs und einen zweiten Speicher zum Speichern des Sauerstoffs. Des Weiteren umfasst der Wasser-Dampfkreislauf einen Dampferzeuger zur in ternen Verbrennung des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff, wobei der Dampferzeuger einen Anschluss aufweist, über den, dem im Dampferzeuger erzeugbaren Dampf, H20 zur Dampfkonditionie- rung, zuführbar ist.
Der zur internen Verbrennung eingesetzte Dampferzeuger wird nachfolgend als Clean Steam Generator kurz CSG bezeichnet.
Der CSG erzeugt durch eine druckbeaufschlagt interne Verbren nung von Wasserstoff und Sauerstoff Wasserdampf. Dieser pri mär erzeugte Wasserdampf wird durch Zugabe von H20 konditio niert. Dieser konditionierte Wasserdampf wird im Folgenden als CSG-Dampf bezeichnet. Bei der Konditionierung können che mische Reaktionen ablaufen.
Das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk vereint damit die Vor teile des thermischen Energiespeichers mit denen des chemi schen Energiespeichers. Thermische Energiespeieher verlieren über die Zeit nach und nach ihre gespeicherte Energie durch WärmeVerluste, jedoch können Wasserstoff und Sauerstoff mit geringen zeitabhängigen Verlusten gespeichert werden, was diese Stoffe zu einem geeigneten Speichermedium für Langzei tenergiespeieher macht (chemische Energiespeieher, power to Eh & O2). Durch das Kombinieren der Vorteile von thermischer und chemischer Energiespeicherung kann das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk eine entscheidende Rolle in Stromnetzen mit hohem Anteil volatiler Stromquellen (erneuerbare Energien) spielen . Während des Standardfalls werden die Energiespeieher (thermischer Energiespeieher, chemischer Energiespeieher) als Kurz- und MittelzeitSpeicher eingesetzt. In diesem Fall bie tet der chemische Energiespeieher einige Vorteile hinsicht lich der Betriebsflexibilität, z.B. durch CSG-
Dampfeinspeisung zwecks BetriebsdauerVerlängerung oder zwecks Regelleistung (weitere vorteilhafte Betriebsregime möglich). Jedoch liegt der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Speicher kraftwerks in dem seltenen Ereignis von längerfristiger Stro munterproduktion im Netz (z.B. Dunkelflaute, längerer Zeit raum ohne Sonnenschein und Wind). Auf Grund der geringen zeitabhängigen Verluste des chemischen Energiespeichers kann die eingespeicherte Energie auch nach langer Stillstandszeit zuverlässig entladen werden, wodurch das Speicherkraftwerk auch in diesem Fall eine planbare Mindestenergie liefert. Da her kann das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk im Gegensatz zu rein thermischen Speicherkraftwerken auch zur Langzeit speicherung eingesetzt werden. Jedoch sind die Stromgeste hungskosten in dem erfindungsgemäßen Speicherkraftwerk nied riger als bei einem Speicherkraftwerk mit rein chemischem Energiespeieher . Durch das gezielte Anpassen des jeweiligen Anteils der beiden Speicherprinzipien (thermisch und che- misch) kann ein individuell optimiertes Speicherkraftwerk er reicht werden.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Speicherkraftwerks zeichnet sich dadurch aus, dass der Wasser-Dampfkreislauf als geschlossener Kreislauf ausgebildet ist. Hierdurch eignet sich das Speicherkraftwerk insbesondere für einen Betrieb in Regionen in denen Wasser eine knappe Ressource ist. Das Was ser, welches für die Elektrolyse benötigt wird, wird dem Kon densat des Wasser-Dampf-Kreislaufs entnommen (Massenbilanz ist geschlossen auf Grund der internen Verbrennung des er zeugten Wasserstoffs und Sauerstoffs im CSG). Dieser ge schlossene Kreislauf ist ein wesentlicher Unterschied zu an deren Systemen, z.B. Speicherkraftwerken basierend auf einer Gasturbine, welche mit Wasserstoff aus der Elektrolyse gefeu ert wird. Dort geht das Wasser über den Kamin verloren, was zu einem erheblichen Wasserverbrauch führt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der thermische Energiespeieher einen Anschluss zum Zuführen von fluidgebundener Wärme aufweist. Hierdurch ist es möglich, den thermischen Energiespeieher zusätzlich oder alternativ (zum elektrischen Laden) mittels eines Fluids aufzuladen. Dies kann beispielsweise ein Thermoöl sein, welche über ein solar thermisches Kraftwerk erwärmt wird und/oder durch Abwärme aus Industrieprozessen . Eine mögliche Temperaturdifferenz des Ar beitsmediums zwischen Austritt des thermischen Energiespei chers und den Zielparametern am Eintritt in die Dampfturbine wird durch Zumischen von CSG-Dampf ausgeglichen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Anschluss am CSG mit dem Kondensator und/oder dem thermischen Energiespeieher in Wirkverbindung steht. Je nachdem von wo der Anschluss / die Anschlüsse zum CSG abzweigt kann Wasser und/oder Wasserdampf in den CSG eingesprüht werden und somit die Dampfparameter des CSG-Dampfs eingestellt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass man das vom Kondensa tor abgeführte Wasser zunächst einem Vorwärmer zuführt und das erwärmte Wasser anschließend dem CSG zuführt. Der Vorwär mer kann beispiels-weise mittels Zwischendampfentnähme aus der Dampfturbine betrieben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laden der Energiespeieher eines Speicherkraftwerks nach einem der vorherigen Ansprüche, zeichnet sich durch die nachfolgenden Verfahrensschritte aus:
- Erwärmen des thermischen Energiespeichers mittels elektri schen Stroms und/oder fluidgebundener Wärme und/oder
- Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durch Beaufschlagung des Elektrolyseurs mit elektrischem Strom und Speichern des Wasserstoffs im ersten Speicher und des Sauer stoffs im zweiten Speicher.
Das Laden der Energiespeieher erfolgt im Allgemeinen und be vorzugt zu Zeiten, in denen ein Überangebot elektrischer Energie vorliegt. Ein Teil der elektrischen Energie wird dazu verwendet, den thermischen Energiespeieher aufzuheizen (power to heat). Alternativ (oder zusätzlich) kann die Energie über fluidgebundene Wärme, beispielsweise mittels Abwärmeeinbrin- gung, in den thermischen Energiespeieher eingebracht werden. Ein weiterer Teil der elektrischen Energie wird im chemischen Energiespeieher gespeichert. Dazu wird mittels Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt und anschließend in Speichern (z.B. Drucktanks) gelagert. Wie groß der jewei- lige Anteil der elektrischen Energie zum Laden des jeweiligen Energiespeichers ist, kann, auch während des Ladevorgangs, variieren, wobei möglichst eine kundenoptimierte Lösung mit niedrigen Stromgestehungs-kosten anzustreben ist.
Die oben genannten Anteile der elektrischen Energie, die zum Laden des jeweiligen Energiespeichers genutzt wird, können unabhängig voneinander auch Null sein.
Das Wasser, welches dem Elektrolyseur zugeführt wird, wird bevorzugt dem Wasser-Dampfkreislauf entnommen. Hierdurch ergibt sich ein geschlossener Kreislauf, wodurch das Verfah ren ohne nennenswerten Wasserverbrauch betrieben werden kann (lediglich eine geringe Wassermenge zum Ausgleich von Lecka- gen ist ggf. notwendig) und das Verfahren insbesondere für den Einsatz in trockenen Regionen befähigt.
Das Wasser, welches für die Elektrolyse benötigt wird, wird dabei aus dem Kondensat des Wasser-Dampf-Kreislaufs zurückge wonnen (Massenbilanz ist geschlossen auf Grund der internen Verbrennung des erzeugten Wasserstoffs und Sauerstoffs im CSG). Dieser geschlossene Kreislauf ist ein wesentlicher Un terschied zu bekannten Verfahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Entladen der Energiespei cher eines Speicherkraftwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zeichnet sich durch die nachfolgenden Verfahrensschritte aus:
- Übertragen von Wärmeenergie vom thermischen Energiespeieher an das im Wasser-Dampfkreislauf strömende Arbeitsmedium, um eine Temperaturerhöhung und/oder einen Phasenwechsel (Ver dampfen)des Arbeitsmediums herbeizuführen, und/oder
- Zuführen von Wasserstoff und Sauerstoff aus dem jeweiligen Speicher zum Dampferzeuger und Verbrennen des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff im Dampferzeuger
- nachfolgende und/oder gleichzeitige Konditionierung des im Dampferzeuger erzeugten CSG-Dampfs durch Hinzufügen von Ar beitsmedium, welches dem Wasser-Dampfkreislauf entnommen wird, wobei das Arbeitsmedium flüssiger und/oder dampfförmig vorliegen kann,
- Entspannen des im Wasser-Dampfkreislauf strömenden Dampfs in der Dampfturbine,
- Erzeugung elektrischen Stroms mittels des Generators.
Beim Entladevorgang wird Wärmeenergie vom thermischen Ener giespeicher an das Arbeitsmedium im Wasser-Dampfkreislauf übertragen, um eine Temperaturerhöhung und/oder Phasenwechsel (Verdampfen) herbeizuführen. Gleichzeitig, nachfolgend oder alternativ wird Wasserstoff und Sauerstoff aus dem jeweiligen Speicher (SauerstoffSpeicher/WasserstoffSpeicher) dem CSG zu geführt und im CSG verbrannt. Zur Konditionierung des bei der Verbrennung entstehenden Dampfes wird zusätzlich Arbeitsmedi um in den CSG eingespritzt. Das Arbeitsmedium wird primär dem Wasser-Dampfkreislauf entnommen und kann durch regenerative Vorwärmung bzw. durch den thermischen Energiespeieher vorge wärmt werden.
Eine mögliche Temperaturdifferenz des Arbeitsmedium zwischen Austritt des thermischen Energiespeichers und den Zielparame tern am Eintritt in die Dampfturbine wird durch Zumischen von CSG-Dampf ausgeglichen. Die Betriebsweise (Aufteilung von Energieflüssen und Temperaturniveaus zwischen thermischen Energiespeieher und chemischen Energiespeieher) sowie der Ort der Dampfeinspeisung hängen von der jeweiligen Anwendung ab.
Auf Grund der vorliegenden Erfindung können daher auch ther mische Energiespeieher mit Temperaturniveaus unterhalb der Zieltemperatur am Dampfturbineneintritt mittels konventionel len Wasser-Dampfkreisläufen zur RückverStrömung eingesetzt werden. Es werden dabei keine weiteren Energiequellen benö tigt, was zu einer höheren Nettostromerzeugung und Autarkie führt.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ent laden der Energiespeieher eines Speicherkraftwerks zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Teil des im Wasser- Dampfkreislauf strömenden Arbeitsmediums vor, innerhalb, oder am Austritt der Dampfturbine entnommen wird und das entnommene Arbeitsmedium als Prozessdampf und/oder Warm wasser beispielsweise für Fernwärmeversorgung zur Verfügung gestellt wird.
Durch die Warmwasser-/Zwischendampfentnähme kann das Spei cherkraftwerk noch flexibler betrieben werden. Das Warmwas ser/Dampf kann dabei auch unmittelbar aus dem thermischen Energiespeieher entnommen werden.
Weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1: Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Speicherkraftwerks ; - Fig. 2: Ein erster Betriebsmodus des in Fig. 1 gezeigten Speicherkraftwerks, bei dem die Bereitstellung des Dampfes zum Betreiben der Dampfturbine durch Entladen beider Energie speicher und Konditionierung des CSG-Dampfs mittels Konden sats, sowie ein nachfolgendes Vermischen des CSG-Dampfs mit dem Arbeitsmedium, welches vom thermischen Energiespeieher erhitzt/verdampft wird, erfolgt;
- Fig. 3: Ein zweiter Betriebsmodus des in Fig. 1 gezeigten Speicherkraftwerks, bei dem die Bereitstellung des Dampfes zum Betreiben der Dampfturbine durch Entladen des chemischen Energiespeichers und Konditionierung des CSG-Dampfs mittels Kondensats, sowie ein nachfolgendes Vermischen des CSG-Dampfs mit Kondensat, erfolgt;
- Fig. 4: Ein dritter Betriebsmodus des in Fig. 1 gezeigten Speicherkraftwerks, bei dem die Bereitstellung des Dampfes zum Betreiben der Dampfturbine durch Entladen beider Energie speicher und Konditionierung des CSG-Dampfs mittels Arbeits medium vom thermischen Energiespeieher, sowie ein nachfolgen des Vermischen des CSG-Dampfs mit dem Arbeitsmedium, welches vom thermischen Energiespeieher erhitzt/verdampft wird, er folgt;
- Fig. 5: Ein vierter Betriebsmodus des in Fig. 1 gezeigten Speicherkraftwerks, bei dem die Bereitstellung des Dampfes zum Betreiben der Dampfturbine durch Entladen des chemischen Energiespeichers und Konditionierung des CSG-Dampfs mittels Arbeitsmediums vom thermischen Energiespeieher erfolgt;
- Fig. 6: Ein fünfter Betriebsmodus des in Fig. 1 gezeigten Speicherkraftwerks, bei dem die Bereitstellung des Dampfes zum Betreiben der Dampfturbine durch Entladen des chemischen Energiespeichers und Konditionierung des CSG-Dampfs mittels Kondensats erfolgt. Die Figuren zeigen jeweils nur eine schematische, vereinfach te und nicht maßstabsgerechte Darstellung des Speicherkraft- werks. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurüber- greifend mit den gleichen BezugsZeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Speicherkraftwerks . Das Speicherkraftwerk weist einen Wasser- Dampfkreislauf 1 auf, der mit H2O als Arbeitsmedium betrieben wird. Das Arbeitsmedium kann dabei örtlich sowie je nach Be triebsweise in flüssiger Form und/oder als Wasserdampf vor liegen. Der Wasser-Dampfkreislauf 1 umfasst einen thermischen Energiespeieher 4 sowie einen chemischen Energiespeieher 5. Die beiden Energiespeieher 4, 5 sind dabei strömungstechnisch parallelen zueinander in den Wasser-Dampfkreislauf 1 einge bunden. Der thermische Energiespeiche 4 kann mittels elektri schen Energie 13 (power to heat) oder alternativ (oder zu sätzlich) mittels fluidgebundene Wärme 11, beispielsweise durch Abwärmeeinbringung, geladen werde. Der chemische Ener giespeicher 5 ist mittels elektrischer Energie 13 aufladbar und umfasst einen Elektrolyseur 6 zur Zerlegung von Wasser aus dem Wasser-Dampfkreislauf 1, in Wasserstoff und Sauer stoff sowie einen ersten Speicher 7 zum Speichern des Wasser stoffs und einen zweiten Speicher 8 zum Speichern des Sauer stoffs. Des Weiteren umfasst der Wasser-Dampfkreislauf 1 ei nen CSG 9 zur internen Verbrennung des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff, wobei der CSG einen Anschluss 10 aufweist, über den, dem im CSG erzeugbaren Dampf, Arbeitsmedium zur Dampf- konditionierung, zuführbar ist.
Beim Entladen der Energiespeieher 4, 5 geben die Energiespei cher 4, 5 Energie an das Arbeitsmedium des Wasser- Dampfkreislaus 1 ab und erwärmen und/oder verdampfen dadurch das Arbeitsmedium. Der dabei entstehende Wasserdampf kann nachfolgend in der Dampfturbine 2 entspannt werden. Die Dampfturbine 2 treibt ihrerseits einen Generator 3 an, wel cher elektrischen Strom erzeugt und diesen in ein elektri sches Netz einspeisen oder an einen elektrischen Verbraucher weiterleiten kann. Der die Dampfturbine 2 verlassende Dampf wird in einem Kondensator 14 kondensiert und das Kondensat in einem Tank 12 gesammelt. Von dort wird das Kondensat mit Hil fe einer Pumpe 15 erneut zu den Energiespeiehern 4, 5, geför dert und von diesen erwärmt bzw. verdampft. Der Wasser- Dampfkreislauf 1 ist somit ein geschlossener Kreislauf, bei dem kein Arbeitsmedium verloren geht (außer möglichen Lecka geverlusten) . Dieser geschlossene Kreislauf ist ein wesentli cher Unterschied zu anderen Systemen, z.B. Speicherkraftwer- ken basierend auf einer Gasturbine, welche mit Wasserstoff aus der Elektrolyse gefeuert wird. Dort geht das Wasser über den Kamin verloren, was zu einem erheblichen Wasserverbrauch führt. Für eine flexible Betriebsweise des Speicherkraftwerks umfasst der Wasser-Dampfkreislauf 1 ein Leitungssystem, wel ches mit mehreren Ventilen 16 ausgestattet ist und dadurch das separate Entladen eines oder das parallele Entladen bei der Energiespeieher 4, 5 ermöglicht. Darüber hinaus ermöglich ein solchermaßen ausgebildetes Leitungssystem eine flexible Beimischung von Arbeitsmedium (Kondensat, erhitztes und/oder verdampftes Wasser von thermischen Energiespeieher) zum CSG 9 und damit eine entsprechende Konditionierung des CSG-Dampfs. Zum Vermischen des CSG-Dampfs mit dem Kondensat vom Kondensa tor oder dem durch den thermischen Speicher 4 erhitzten und/oder verdampften Arbeitsmedium weist der Wasser- Dampfkreislauf 1 einen Mischer 17 auf. Der Mischer 17 ist be vorzugt als Regelorgan ausgebildet, so dass die jeweiligen Teilmassenströme eingestellt und die Dampfparameter des der Dampfturbine 2 zugeführten Dampf exakt eingestellt werden können. Der Wasser-Dampfkreislauf 1 verfügt des Weiteren über mindestens eine Zwischendampfentnähme 18, über die Prozess dampf mit definierten Dampfparametern entnommen und einen nachfolgenden Prozess zugeführt werden kann. Außerdem ist ei ne Entnahme aus dem Wärmespeieher vorgesehen, über die Warm wasser und/oder Dampf, beispielsweise für Fernwärme bereitge stellt werden kann. Bei einer Entnahme von Wasser bzw. Dampf muss dem Wasser-Dampfkreislauf 1 der entnommene Massenstrom wieder zugeführt werden.
Das Laden der beiden Energiespeieher 4, 5 mittels elektri scher Energie (der thermische Speicher 4 kann wie oben be- schrieben zusätzlich oder alternativ mittels fluidgebundene Wärme 11 geladen werden) erfolgt im Allgemeinen und bevorzugt zu Zeiten, in denen ein Überangebot elektrischer Energie vor liegt. Ob zunächst der thermische Energiespeieher 4, der che mische Energiespeieher 5 oder beide Energiespeieher gleich zeitig mittels elektrischer Energie geladen werden ist vom jeweiligen Einzelfall abhängig und kann, auch während des La devorgangs variieren, wobei möglichst eine kundenoptimierte Lösung mit niedrigen Stromgestehungskosten anzustreben ist. Üblicherweise liegt die Priorität zunächst beim Laden des als KurzzeitSpeicher verwendete thermische Energiespeieher 4 und nur wenn genügend elektrische Energie vorhanden ist wird der als LangzeitSpeicher vorgesehene chemische Energiespeieher 5 geladen. Zum Laden des chemischen Energiespeichers wird mit tels Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt und anschließend in den Speichern 7, 8 gelagert. Das Wasser wird dabei dem Tank 19 entnommen, welcher über den Tank 12 mit Kondensat gespeist wird. Der Tank 12 und/oder 19 kann zu sätzlich einen Anschluss aufweisen über den ein möglicher Le ckagestrom ausgeglichen werden kann.
Das Entladen der Energiespeieher und die RückverStrömung der gespeicherten Energie kann auf unterschiedliche Weise erfol gen. Nachfolgend werden verschieden Betriebsmodi anhand der Fig. 2 bis 6 beschrieben. Die Ausführungsbeispiele stellen dabei keine abschließende Aufzählung aller möglichen Be triebsmodi da, weitere Betriebsmodi sind möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Zur Effizienzsteigerung der RückverStrömung können in Abwei chung zu den Abbildungen mehrere Maßnahmen getroffen werden. Beispielsweise kann die Temperatur des zur Konditionierung des CSG-Dampfs verwendeten Arbeitsmediums durch regenerative Wasservorwärmung erhöht werden.
Zur einfacheren Nachvollziebarkeit der Funktionsweise werden in den nachfolgenden Figuren jeweils nur die Leitungen darge stellt, welche für den jeweiligen Betriebsmodus notwendig sind, die Figuren beziehen sich aber grundsätzlich auf das in Fig. 1 dargestellte Speicherkraftwerk.
Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk in einem ersten Betriebsmodus. In diesem Betriebsmodus erfolgt die Be reitstellung des Dampfes zur RückverStrömung der gespeicher ten Energie durch das Entladen beider Energiespeieher 4, 5 und Konditionierung des CSG-Dampfs mittels Kondensats, sowie ein nachfolgendes Vermischen des CSG-Dampfs mit dem Teil des Arbeitsmediums, welches vom thermischen Energiespeieher 4 er hitzt/verdampft wird.
Zunächst wir ein Teil des Arbeitsmediums (Kondensat) aus dem Tank 12 mit Hilfe der Pumpe 15 zum thermischen Energiespei cher 4 gefördert. Im thermischen Energiespeieher 4 wird die gespeicherte thermische Energie an das Arbeitsmedium abgege ben, wodurch das Arbeitsmedium erhitzt wird und je nachdem wie hoch das Temperaturniveau des thermischen Energiespei chers 4 ist, verdampft und ggf. überhitzt. Gleichzeitig wird die im chemischen Energiespeieher 5 gespeicherte Energie durch die interne Verbrennung des aus dem ersten Tank 7 ent nommenen Wasserstoff mit dem aus dem zweiten Tank 8 entnommen Sauerstoff im CSG 9 in Wärmeenergie umgewandelt. Durch Zumi schen von Arbeitsmedium, welches dem Tank 12 entnommen wird und über den Anschluss 10 dem CSG 9 zugeführt wird, kann der im CSG 9 entstehende Dampf konditioniert werden.
Anschließend wird der vom thermischen Energiespeieher 4 kom mende Teil des Arbeitsmediums und der vom CSG 9 kommende Teil des Arbeitsmedium im Mischer 17 gemischt. Dabei wird der Mi scher 17 so betrieben, dass das Arbeitsmedium Dampfparameter aufweist, die eine Entspannung des Arbeitsmediums in der Dampfturbine 2 erlauben. Die RückverStrömung der gespeicher ten Energie erfolgt nachfolgend durch den von der Dampfturbi ne 2 angetrieben Generator 3.
Fig. 3 zeigt das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk in einem zweiten Betriebsmodus. In diesem Betriebsmodus erfolgt die Bereitstellung des Dampfes zur RückverStrömung der gespei cherten Energie durch das Entladen des chemischen Energie- Speichers 5 und Konditionierung des CSG-Dampfs mittels Kon densats aus dem Tank 12, welches dem CSG 9 über den Anschluss 10 zugeführt wird. Der konditionierte CSG-Dampf wird an schließend im Mischer 17 zusätzlich mit einem Teil des Ar beitsmedium, welches ebenfalls dem Tank 12 entnommen wird, gemischt, wodurch die Dampfparameter so eingestellt werden können, dass Sie für die Entspannung in der Dampfturbine 2 optimiert sind. Die Rückverstromung der gespeicherten Energie erfolgt nachfolgend durch den von der Dampfturbine 2 ange trieben Generator 3. Dies Betriebsweise eignet sich besonders für eine Dunkelflaute, in der bereits der als Kurzzeitspei cher eingesetzte thermische Energiespeieher 4 vollständig entladen ist.
Fig. 4 zeigt das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk in einem weiteren Betriebsmodus. In diesem Betriebsmodus erfolgt die Bereitstellung des Dampfes zur Rückverstromung der gespei cherten Energie durch Entladen beider Energiespeieher 4, 5. Die Konditionierung des CSG-Dampfs erfolgt durch einen ersten Teilmassenström des Arbeitsmittels, welches dem thermischen Energiespeieher 4 zugeführt und beim Durchströmen des thermi schen Energiespeichers 4 erhitzt bzw. verdampft. Die Zufüh rung zum CSG 9 erfolgt über den am CSG 9 angeordneten An schluss 10. Der zweite den thermischen Energiespeieher 4 durchströmende Teilmassenström wird dem Mischer 17 zugeführt und vermischt sich dort mit dem CSG-Dampf. Über die Einstel lung des Mischers 17, bzw. das Mischungsverhältnis können die Dampfparameter des der Dampfturbine 3 zugeführten Dampf ein gestellt werden Die Rückverstromung der gespeicherten Energie erfolgt nachfolgend durch den von der Dampfturbine 2 ange trieben Generator 3. Die Betriebsweise eignet sich insbeson dere dann, wenn die Wärmeenergie des thermischen Speichers 4 nicht ausreicht, um das Arbeitsmedium zu verdampfen oder die benötigten Dampfparameter erreicht.
Fig. 5 zeigt das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk in einem weiteren Betriebsmodus. In diesem Betriebsmodus erfolgt die Bereitstellung des Dampfes zur RückverStrömung der gespei cherten Energie durch Entladen der beiden Energiespeieher 4, 5. Der gesamte Teilmassenström des Arbeitsmediums, welcher dem thermischen Energiespeieher 4 zugeführt und dort erhitzt bzw. verdampf wird, wird anschließend über den Anschluss 10 zur Konditionierung des CSG-Dampfs in CSG 9 eingeleitet. So mit liegt im CSG 9 der Gesamtmassenstrom des Arbeitsmediums an und der den CSG 9 verlassen Dampf kann unmittelbar ohne einen Mischer der Dampfturbine 3 zugeführt und über den Gene rator 3 rück erströmt werden. Eine solche Betriebsweise eig net sich beispielsweise dann, wenn der thermische Energie speicher nur (noch) eine geringe Wärmekapazität aufweist und dadurch nur geringe Massenströme des Arbeitsmediums er wärmt/verdampft werden können.
Fig. 6 zeigt das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk in einem weiteren Betriebsmodus. In diesem Betriebsmodus erfolgt die Bereitstellung des Dampfes zur RückverStrömung der gespei cherten Energie durch Entladen des chemischen Energiespei chers 5. Die Konditionierung des CSG-Dampfs erfolgt, in dem, dem CSG 9 über den Anschluss 10 Kondensat zugeführt wird, welches dem Tank 12 oder dem nachgeschalteten, zum chemischen Energiespeieher 5 gehörenden Tank 20, entnommen wird. Eine solche Betriebsweise wird bevorzugt in Zeit von Dunkelflauten genutzt, wenn der thermische Energiespeieher, welcher vorwie gend als KurzzeitSpeicher Anwendung findet, bereits vollstän dig entladen ist. Der chemische Energiespeieher 5 kann dann für eine Verlängerung der Betriebszeit des Speicherkraftwerks sorgen.
Zusammenfassend lässt sich somit festhalten, dass das erfin dungsgemäße Speicherkraftwerk durch Kombination eines thermi schen Energiespeichers und eines chemischen Energiespeichers niedrige Stromgestehungskosten bzw. Rückverstromungskosten bewirkt.
Der chemische Energiespeieher eignet sich auch für die lang fristige Speicherung von Energie, was beispielsweise in Stromnetzen mit hohem Anteil volatiler Stromquellen (erneuer- bare Energien) für die Stromproduktion während Dunkelflauten förderlich ist.
Durch die Kombination von chemischen und thermischen Energie speichern erweitert sich das Portfolio einsetzbarer thermi scher Energiespeieher, was ein Vorteil für den Kunden sein kann (effiziente und kostenoptimierte Lösung). So können bei spielsweise auch thermische Energiespeieher mit Temperaturni veaus unterhalb der geforderten Dampfturbineneintrittstempe- ratur eingesetzt werden. In diesem Fall wird die Temperatur differenz durch das Zumischen von CSG-Dampf ausgeglichen.
Bei einem Speicherkraftwerk ohne Dampfentnähme kann der Was ser-Dampfkreislauf als geschlossenes System ausgebildet wer den. Abgesehen vom Ausgleich systembedingter Wasserverluste (z.B. Leckagen) ist keine externe Wasserzufuhr notwendig. So mit ist das Speicherkraft auch für Regionen mit Wassermangel geeignet .
Die Betriebsweise, d.h. die Aufteilung der Energieflüsse und der Temperaturniveaus zwischen dem thermischen Speicher und dem chemischen Speicher sowie der Ort der CSG- Dampfeinspeisung können je nach Anwendungsfall und Betriebs weise des Speicherkraftwerks variieren. Hierdurch lassen sich die Stromgestehungskosten niedrig halten und der Autarkiegrad erhöhen . Falls eine Temperaturdifferenz des Arbeitsmedium zwischen Austritt des thermischen Speichers und den Zielpara metern am Eintritt in die Dampfturbine auftritt, wird diese durch Zumischen von CSG-Dampf ausgeglichen.
An der Dampfturbine kann eine oder mehrere Zwischendampfent nahmen vorgesehen werden. Die Zwischendampfentnahmen ermögli chen eine Entnahme von Dampf entlang der Expansionstrecke mit definierten Dampfparametern. Zusätzlich oder alternativ kann Wasser und/oder Dampf aus dem thermischen Speicher entnommen werden. Das entnommene Arbeitsmedium kann beispielsweise als Prozessdampf oder für die Fernwärme genutzt werden. Erfolgt eine Zwischendampfentnähme und/ oder Entnahme aus dem thermi schen Speicher, muss der entnommene Massenstrom dem Wasser- Dampfkreislauf entsprechend wieder zugeführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Speicherkraftwerk, umfassend wenigstens einen Wasser- Dampfkreislauf (1), wobei der Wasser-Dampfkreislauf (1) we nigstens eine Dampfturbine (2) mit einem in Wirkverbindung mit der Dampfturbine (2) stehenden Generator, (3) sowie zwei Energiespeieher (4, 5) umfasst, wobei die Energiespeieher (4, 5), derart angeordnet und aus gebildet sind, dass Sie zur Erzeugung von Dampf mit definier ten Dampfparametern, Energie an das im Wasser-Dampfkreislauf (1) strömende Arbeitsmedium abgeben können, wobei der erzeug bare Dampf in der Dampfturbine (2) entspannbar ist, und wobei eine bei der Entspannung des Dampfes entstehende Rotationse nergie zum Antreiben des Generators (3) nutzbar ist, wobei ein erster Energiespeieher (4) als thermischer Energie speicher und ein zweiter Energiespeieher (5) als chemischer Energiespeieher ausgebildet ist, und wobei der chemische Energiespeieher (5) mittels elektrischer Energie aufladbar ist, und wobei der chemische Energiespeieher (5) einen Elekt rolyseur (6) zur Zerlegung von Wasser aus dem Wasser- Dampfkreislauf, in Wasserstoff und Sauerstoff und wenigstens jeweils einen ersten Speicher (7) zum Speichern des Wasser stoffs und einen zweiten Speicher (8) zum Speichern des Sau erstoffs umfasst und wobei der chemische Energiespeieher (5) des Weiteren einen Dampferzeuger (CSG) (9) zur internen Ver brennung des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff umfasst und der Dampferzeuger (9) einen Anschluss (10) aufweist, über den, dem im Dampferzeuger erzeugbaren Dampf (CSG-Dampf), Arbeits medium zur Dampfkonditionierung, zuführbar ist.
2. Speicherkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser-Dampfkreislauf (1) als geschlossener Kreislauf ausgebildet ist.
3. Speicherkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Speicher (4) ei nen Anschluss (11) zum Zuführen von fluidgebundener Wärme aufweist.
4. Speicherkraftwerk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss (10) am Dampferzeuger mit einem Kondensator (12) welcher stromabwärts der Dampfturbine (2) und/oder dem thermischen Energiespeieher (4) in Wirkverbindung steht.
5. Verfahren zum Laden der Energiespeieher (4, 5) eines Spei cherkraftwerks nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte:
- Erwärmen des thermischen Energiespeichers (4) mittels elektrischen Stroms und/oder fluidgebundener Wärme und/oder
- Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durch Beaufschlagung des Elektrolyseurs (6) mit elektrischem Strom und Speichern des Wasserstoffs im ersten Speicher (7) und des Sauerstoffs im zweiten Speicher (8).
6. Verfahren zum Entladen der Energiespeieher (4, 5) eines Speieherkraftwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte:
- Übertragen von Wärmeenergie vom thermischen Energiespeieher (4) an das im Wasser-Dampfkreislauf (1) strömende Arbeitsme dium, um eine Temperaturerhöhung und/oder einen Phasenwechsel (Verdampfen)des Arbeitsmediums herbeizuführen, und/oder
- Zuführen von Wasserstoff und Sauerstoff aus dem jeweiligen
Speicher (7, 8) zum Dampferzeuger (9) und Verbrennen des Was serstoffs mit dem Sauerstoff im Dampferzeuger (9)
- nachfolgende und/oder gleichzeitige Konditionierung des im Dampferzeuger (9) erzeugten (CSG-)Dampfs durch Hinzufügen von Arbeitsmedium welches dem Wasser-Dampfkreislauf (1) entnommen wird,
- Entspannen des im Wasser-Dampfkreislauf (1) strömenden Dampfs in der Dampfturbine (2)
- Erzeugung elektrischen Stroms mittels des Generators (3).
7. Verfahren zum Entladen der Energiespeieher (4, 5) eines Speieherkraftwerks nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des im Wasser-Dampfkreislauf (1) strömen den Arbeitsmediums in Strömungsrichtung vor, innerhalb, oder am Austritt der Dampfturbine (2) entnommen wird und das ent nommene Arbeitsmedium als Prozessdampf und/oder Warmwasser, beispielsweise für die Fernwärmeversorgung, zur Verfügung ge stellt wird.
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