EP4334574A2 - Verfahren zum betreiben einer speicheranlage, speicheranlage, steuerungsprogramm und computerlesbares medium - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer speicheranlage, speicheranlage, steuerungsprogramm und computerlesbares medium

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EP4334574A2
EP4334574A2 EP22725374.7A EP22725374A EP4334574A2 EP 4334574 A2 EP4334574 A2 EP 4334574A2 EP 22725374 A EP22725374 A EP 22725374A EP 4334574 A2 EP4334574 A2 EP 4334574A2
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EP
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arrangement
low
pressure
joule
loading
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Sergej Belik
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F01K7/22—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type the turbines having inter-stage steam heating

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a storage system for storing electrical energy, converting it into thermal energy, in which, in a loading process, a high-temperature storage device is used via a loading side by means of a loading arrangement, with the storage of, in particular, electrical energy that has been fed in Form of thermal energy is loaded and in a discharging process by means of a Rankine process on a discharge side, the high-temperature storage device is discharged under storage of the thermal energy from the high-temperature storage device and conversion into electrical energy gy.
  • a method of the type mentioned above and a storage power plant are specified in EP 3 054 155 A1.
  • a high-temperature heat storage system is thermally coupled both on a loading side and on a discharging side and is used to generate steam in a discharging process.
  • EP 2 101 051 A1 shows a power plant for using overcapacity from a power grid, with electrical energy being stored directly in a heat accumulator via a heating element.
  • a Rankine cycle is used to discharge and convert the heat back into electricity.
  • EP 2 653 668 A1 shows a method and a system for storing and delivering thermal energy based on a Rankine process on which the discharge cycle is based.
  • WO 2021/026863 A2 specifies a method and a system in which a heat accumulator is charged in a charging cycle designed as a heat pump process and discharged in a discharging process designed as a Rankine process.
  • WO 2015/131 940 A1 shows a high-temperature energy storage system with a first circuit designed as a heat pump and a fourth circuit designed as a steam power cycle.
  • the second circuit and the third circuit are each thermal coupling circuits between the first and fourth circuit and a thermal energy store.
  • a low-temperature heat source can be coupled into the first circuit and/or into the fourth circuit.
  • a central challenge to ensure competitiveness is to improve the energy and cost efficiency of such storage power plants.
  • the present invention is based on the object of providing a method with which the overall efficiency (current-to-current efficiency) of a storage system of the type mentioned can be increased, as well as a storage system with increased overall efficiency, a corresponding control program and computer-readable Medium with the control program.
  • the object is achieved for the method with the features of claim 1, for the storage system with the features of claim 13, for the control program with the features of claim 28 and for the computer-readable medium with the features of claim 29.
  • the method provides that an energy conversion arrangement of the storage system that is present in addition to the loading arrangement in the storage system forms a second Joule arrangement (for carrying out a clockwise and/or counterclockwise Joule cycle) of the storage system with a low-pressure side and a high-pressure side and compressor/turbine arrangements arranged in between - to compress or expand the working medium to the respective pressure level, during the charging process and/or during the discharging process of the storage system in a heat pump process (as the Joule cycle running counterclockwise) and/or in a thermal power process (as clockwise joule cycle) is operated.
  • a heat pump process as the Joule cycle running counterclockwise
  • a thermal power process as clockwise joule cycle
  • An exemplary second Joule arrangement which is suitable for coupling with an adapted design, is specified in DE 10 2020 110560.6, which was still unpublished on the priority date and was filed with the German Patent and Trademark Office on April 17, 2020, with the same being used there as an independent thermal potential storage system - ge, can be removed without being coupled into a surrounding storage facility.
  • the discharging process can be, for example, a supercritical process in modern coal-fired power plants, a conventional process involving evaporation and reheating of steam or organic working fluids, with the steam generating device being designed accordingly.
  • the water-steam process is based in particular on the Clausius-Rankine process (CRC) as a comparative process.
  • Other/additional steam processes are based in particular on the Organic Rankine Process (ORC) as a comparative process.
  • the Rankine cycle includes a steam turbine arrangement, a condensing arrangement, conveying devices (feed water pumps) and a steam generation device.
  • the loading process takes place via a heat pump process within the loading arrangement, the loading arrangement being a first Joule arrangement comprising a low-pressure side and a high-pressure side, with an intermediate compressor arrangement and turbine arrangement , is trained.
  • the loading side is thus designed as a Joule arrangement.
  • the discharge process uses the high power density of the Rankine process.
  • the charging side in particular the first Joule arrangement, preferably has at least one low-temperature storage device on the low-pressure side for storing low-temperature heat generated by the first Joule arrangement, ie “cold”, which is thermally connected to the discharging side, in particular with the condensing arrangement.
  • This cold can advantageously be used to condense the Rankine working fluid in the discharge process, ie in the Rankine cycle, be coupled.
  • the decoupling of the cooling temperature from ambient conditions creates an additional degree of freedom, whereby the temperature level for cooling can also be designed for low temperatures (e.g. below 0 °C, e.g. down to -100 °C). . This also increases the theoretical efficiency (Carnot efficiency) of the storage system.
  • the second Joule arrangement is particularly preferably operated as a storage arrangement, with a high-pressure-side high-temperature storage device of the second Joule arrangement being charged in a second charging process using the heat pump process and being discharged in a second discharging process using the thermal power process.
  • the second Joule arrangement also includes a low-temperature storage device on the low-pressure side, in which the generated low-temperature heat is stored.
  • the second Joule arrangement can be used independently of the charging process via the first Joule arrangement and/or the discharging process, apart from an energetic coupling between the charging side and/or the discharging side operate the Rankine process. This allows an optimized design of the operation of the second Joule arrangement with regard to energetic coupling to increase the overall efficiency of the storage system.
  • thermal energy is initially transferred via the discharge side between the second Joule arrangement and the loading side and/or the discharging side.
  • An advantageous variant of the energy transfer is that during the unloading process on the unloading side at least temporarily heat that occurs during operation of the second Joule arrangement, particularly in the second unloading process, to preheat the working fluid, e.g. B. for high-pressure preheating, in which there is a higher pressure than in the low-pressure preheating, and/or for low-pressure preheating, in which a lower pressure than in the high-pressure preheating, in the Rankine cycle upstream Steam generating device is coupled.
  • the working fluid e.g. B. for high-pressure preheating, in which there is a higher pressure than in the low-pressure preheating, and/or for low-pressure preheating, in which a lower pressure than in the high-pressure preheating, in the Rankine cycle upstream Steam generating device is coupled.
  • the heat can be extracted from the second Joule arrangement on the low-pressure side downstream of the compressor/turbine arrangement, in particular upstream of a low-temperature heat accumulator via a low-pressure-side heat exchange device, and injected for high-pressure preheating of the Rankine working fluid .
  • the second Joule arrangement is preferably operated during the discharge process of the storage system in the second discharge process (Joule or Brayton process as thermal power process).
  • the heat on the high-pressure side is extracted downstream of the high-temperature storage device, upstream of the compressor/turbine arrangement and injected downstream of a condensation arrangement for low-pressure preheating of the Rankine working fluid.
  • the second Joule arrangement is preferably located during the discharge process in the second discharge process (Joule or Brayton process as thermal power process).
  • the coupling of heat from the second Joule arrangement into the Rankine process makes it possible to dispense with a bleed-off of working fluids from the steam turbine arrangement for high-pressure preheating, which is common in the prior art. ten. In this way, the power density within the Rankine process can be increased together with the overall efficiency of the storage device.
  • cold from a low-pressure-side low-temperature storage device of the second Joule arrangement for cooling and/or condensation of the working fluid in the Rankine process can be coupled downstream of a steam turbine arrangement during the unloading process via the unloading side, with z. B. the cold is transferred indirectly via at least one low-pressure-side low-temperature storage device to the loading side.
  • a greater pressure ratio between the high-pressure side and the low-pressure side is specified in the second Joule arrangement in the heat pump process than in the thermal power process.
  • the pressure ratio can be so different that the overall efficiency of the storage system is increased compared to a process with the same pressure ratios.
  • the efficiency of the second Joule arrangement can tend to be reduced.
  • the asymmetry in the pressure conditions can e.g. B. be set such that the heat loss is adapted to the heat demand for high-pressure preheating and this can at least partially or completely cover.
  • the design z. B. aim to minimize the heat loss on the high pressure side.
  • the pressure ratio can be so different that a rule between the heat pump process and the thermal power process occurring heat loss on the need for high-pressure preheating of the Rankine working fluid is correct and z. B.
  • electrical energy can be decoupled from the second Joule arrangement during the thermal power process. This can be used to cover the storage system's own requirements (e.g. for fans, pumps, lighting, etc.) or fed into the power grid for further use.
  • a gaseous Ar beitsmedium, z As air, argon, carbon dioxide or nitrogen used.
  • the high-temperature storage device and/or a low-temperature storage device for heat transfer to the gaseous working medium is/are formed and/or integrated on the loading side so that the working medium of the heat pump process can flow through.
  • the mass throughput of the first Joule arrangement and/or the second Joule arrangement is preferably a multiple of the mass throughput of working fluid (e.g.
  • a recuperator for heat transfer between the working medium on the high pressure side and the low pressure side is arranged on the loading side.
  • the temperature within the high-temperature storage device is preferably raised to the storage temperature required to produce live steam (e.g. 600° C. at 270 bar to 300 bar).
  • live steam e.g. 600° C. at 270 bar to 300 bar.
  • additional heat can be introduced using the device for the additional introduction of energy (e.g. heating and/or burner device) in order to increase the storage density.
  • the remaining heat is recuperated by the recuperator.
  • An advantageous embodiment and coupling of the high-temperature storage device is expedient if a heat exchanger arrangement, in particular a heat exchanger circuit operated or operable with a gaseous heat carrier, is arranged between the high-temperature storage device and the steam generation device for their thermal coupling.
  • the high-temperature storage device and/or the low-temperature storage device (of the first Joule arrangement) is/are preferably designed for heat transfer to a gaseous working medium and/or integrated on the loading side so that the working medium of the heat pump process can flow through it.
  • the high-temperature storage device can be designed as an efficient high-temperature heat storage device (e.g. regenerator storage or liquid salt storage) and directly integrated into the heat exchange arrangement and into the first Joule arrangement (ie through which the respective working medium can flow).
  • the high-temperature storage device of the second Joule Arrangement can advantageously be designed as a high-temperature heat storage (e.g. regenerator storage or liquid salt storage).
  • Cost advantages can be achieved if, especially in the case of a design for storing temperatures below 0 °C, two types of low-temperature storage devices are arranged in series on the loading side in terms of flow mechanics, with one for storing heat at temperatures greater than 0 °C, in particular as a (cheaper) hot water storage tank, and one for storing heat at temperatures equal to or below 0 °C, e.g. B. is designed as a latent or sensitive cold storage.
  • the storage density in the high-temperature storage device of the first or second Joule arrangement can be additionally increased if the loading side and/or the second Joule arrangement has at least one device for coupling in energy in addition to the energy required for compression, e.g. B. electrical energy and / or fossil energy, has / have, z. B. an electric heater and / or a burner device.
  • the device is preferably arranged upstream (with respect to the loading process) or within or in thermal coupling to the high-temperature storage device.
  • the second Joule arrangement can be designed as an open circuit, which opens to the environment via an opening downstream or upstream of the low-temperature storage device and downstream or upstream of the low-pressure-side heat exchange device (depending on the direction of the circuit). is.
  • the environment can be used as a heat sink during the second loading process.
  • air can be sucked in from the environment as a working medium and compressed. In this case, ambient conditions prevail at the openings.
  • the heat exchange device on the high-pressure side can be used for cooling. be dispensed with, which is accompanied by a reduction in investment costs and system complexity.
  • a preheating device of the Rankine cycle is upstream or downstream of the opening upstream or downstream of the low-pressure-side heat exchange device, the preheating device being usable or used for heat storage purposes.
  • FIG. 1 shows a process diagram of a storage system according to the invention with a discharge side designed as a Clausius-Rankine cycle and a loading side designed as a Joule arrangement, coupled to a second Joule arrangement,
  • FIG. 2 shows a T-s state diagram with a Joule process (loading process) and Clausius-Rankine process (discharging process) running as an example during operation in the storage system according to FIG.
  • FIG. 3 shows a T-s state diagram with an example of a Joule process taking place during operation in the storage system according to FIG. 1 in the second Joule arrangement during the charging process and the discharging process, and
  • FIG. 4 shows a process diagram of a further example of a storage system according to the invention, with the second Joule arrangement as an open cycle process.
  • Fig. 1 shows a process diagram of a storage power plant in training as SpeI cherstrom 10 for storing electrical energy in particular under conversion into thermal energy.
  • the energy to be stored can in particular be energy from renewable sources, for example from solar power and/or wind power plants, and/or fossil sources, for example from the conversion of a combustible energy source such as e.g. B. natural gas act.
  • the storage system 10 includes a high-temperature storage device 130 for storing the supplied energy in the form of high-temperature heat (at temperatures of, for example, more than approximately 400° C.).
  • the high-temperature storage device 130 is thermally coupled on a charging side 200 and on a discharging side 100 .
  • the storage system 10 has the charging side 200, which is designed as a heat pump arrangement, here in particular as a first Joule arrangement 201, for efficient charging.
  • the Joule arrangement 201 comprises a circuit for carrying out a Joule process, with a high-pressure side 205 and a low-pressure side 209.
  • the high-temperature storage device 130 is arranged or incorporated on the loading side on the high-pressure side 205 .
  • two low-temperature storage devices 210, 212 are arranged on the low-pressure side 205.
  • At least one of the low-temperature storage devices, here the low-temperature storage device 212 can have an additional (feedwater) cooling system 214 assigned to it. Due to the storage devices 130, 210, 212 used on the high-pressure side and low-pressure side, the loading process can be decoupled from the unloading process in terms of time.
  • a turbine arrangement 208 for relaxation and a compressor arrangement 204 for compressing circulated working medium are arranged between the high-pressure side 205 and the low-pressure side 209. Energy to be stored can be coupled in via the compressor arrangement 204 during the loading process of the storage system 10 .
  • the Joule arrangement 201 on the high-pressure side 205 upstream, alternatively inside, the high-pressure storage device 130 has at least one device for the additional isobaric introduction of (electrical and/or fossil) energy, for example a heating device 206 in the form of a flow heater and / or a burner device. In this way, the storage density within the high-pressure storage device 130 can be increased.
  • the charging side 200 of the storage system 10 also includes a recuperator 202, which is arranged downstream of the high-pressure storage device 130 on the high-pressure side and upstream of the compressor arrangement 204 on the low-pressure side.
  • a recuperator 202 which is arranged downstream of the high-pressure storage device 130 on the high-pressure side and upstream of the compressor arrangement 204 on the low-pressure side.
  • an additional heat exchange device 220 can be integrated on the loading side 200 upstream of the recuperator 202 (and downstream of the low-temperature storage device 212), which makes it possible to integrate additional heat (environmental heat and/or process waste heat) into the process in order to increase the overall efficiency increase and to reduce the temperature requirements on the recuperator.
  • the heat required to generate steam is stored in the high-pressure storage device 130 .
  • the excess heat can be recuperated to preheat the working medium to be compressed.
  • the Joule arrangement 200 uses a gaseous working medium, for example air, nitrogen, argon or carbon dioxide.
  • a gaseous working medium for example air, nitrogen, argon or carbon dioxide.
  • these are preferably designed for heat transfer to the gaseous working medium, for example as a solid storage medium.
  • the storage system 10 has the discharging side 100, which is designed as a Rankine cycle 101 for working with water or steam, for example, as the working medium.
  • the Clausius-Rankine cycle 101 includes as core components a steam generating device 108 and a steam turbine arrangement 110, which operates a generator 118 for decoupling electrical energy during operation.
  • the steam turbine arrangement 110 has a high-pressure turbine stage 112, an intermediate-pressure turbine stage 114 and a low-pressure turbine stage 116, for example.
  • a conveyor device 102 promotes the working fluid in the circuit during operation.
  • the steam generating device 108 is used to generate steam with heat input coupling from the high-temperature storage device 130 during the discharge process.
  • the heat is transferred from high-temperature storage device 130 to steam generation device 108, for example, via a heat exchange arrangement 124 in the form of a heat exchanger circuit, which includes a conveyor device 126 and, for precise control or regulation, a bypass 132 with a valve means 128.
  • a gas for example air, is preferably used as the heat transfer medium.
  • the high-temperature storage device 130 which may be in the form of a solid-state storage device, can advantageously be directly are flowed through by the working medium of the heat exchange arrangement 124 .
  • the high-temperature storage device 130 can have a high-temperature storage component and a heat exchange device, by means of which high-temperature heat is transferred between the working medium and the high-temperature storage component during operation.
  • the storage system 10 comprises a further circuit in the form of a second Joule arrangement 400, which can be operated during the charging and/or discharging process of the storage system 10.
  • the second Joule arrangement 400 can be operated both in a heat pump process (charging of the second Joule arrangement 400, also referred to as “second charging process” below) and in a thermal power process (discharging of the second Joule arrangement 400, below). also “second unloading process”).
  • the second Joule arrangement 400 is energetically coupled into the storage system 10 .
  • the second Joule arrangement 400 comprises a high-pressure side 405 and a low-pressure side 409, as well as compressor/turbine arrangements 404, 414 arranged between them arranged.
  • the second Joule arrangement 400 has a heat exchange device 412 on the high-pressure side 405 and/or a heat exchange device 402 on the low-pressure side 409 .
  • the second Joule arrangement 400 can include a heating device 408 for isobaric coupling of electrical and/or fossil energy or heat.
  • an additional heat exchange device 424 can be integrated between the low-temperature storage device 416 and the heat exchange device 402, which integrates additional heat (environmental heat or process waste heat) into the process in order to increase the overall efficiency.
  • additional heat environmental heat or process waste heat
  • States 1A - 7A (regarding the charging process via the heat pump process 314) and 1 - 9 (regarding the discharging process via the Clausius-Rankine process 312) shown in the state diagram 300 as well as states 1B - 6B shown in the state diagram 500 ( Regarding the operation of the second Joule arrangement 400 in the heat pump process 508) and 1B′-6B′ (regarding the operation of the second Joule arrangement 400 in the thermal power process 510) are given at the appropriate place in FIG. Fig. 2 includes the states during the loading process of the storage system 10, ie during the heat pump process 314 within the first Joule arrangement 201, and during the discharge process of the storage system 10, ie during the Rankine process 312 within the Rankine cycle 101.
  • a playful Rankine process 312 shows a supercritical water-steam process, such as is used in currently modern coal-fired power plants.
  • Fig. 3 includes the states within the second Joule arrangement 400, which is used as a storage arrangement in the second loading process, the heat pump process 508, for loading the braid temperature storage device 410 and a second discharging process, the thermal power process 510, for discharging the high-temperature storage device 410 is operated.
  • the processes 508, 510 shown include real effects such as heat loss due to irreversibility.
  • an isobaric heating 1A-2A from about 20° C. to just under 200° C. takes place by means of the recuperator 202.
  • the additional heat exchange device 220 can be integrated at the point 1A-2A be (see. Fig.
  • the low-temperature heat, i. H. "Cold", to a temperature of e.g. B. -100 ° C is temporarily stored in the low-temperature storage devices 210, 212 for use within the discharge process (6A - 7A, 7A - 1A).
  • the storage device 210 can be formed from a latent or sensitive cold storage for temperatures of less than or equal to 0 ° C and the second storage device 212 z. B. as a cheap hot water storage tank for temperatures above 0 °C.
  • the low-temperature storage devices 210, 212 are thermally coupled to the loading side 200 via two heat exchanger circuits 217, 219, each of which has conveying devices 216, 218.
  • the heat stored in the high-temperature storage device is used to generate live steam, for example at 600° C. and 270 bar to 300 bar.
  • the corresponding Rankine process 312 is shown in relation to a bell curve 308 for the change of state of water over the wet steam region 310 .
  • the working fluid in this state the working fluid is liquid, via the conveying devices 102 and/or 103.
  • the working fluid is then preheated via the condensation arrangement 119 in the state changes 2-3 (low-pressure preheating) and 3-4 (high-pressure preheating).
  • the heat required for this is provided, in particular, at least for the most part by means of the second Joule arrangement 400, as will be explained in connection with FIG.
  • the heated working fluid enters the steam generation device 108.
  • heat from the high-temperature storage device 130 is supplied via the heat exchange arrangement 124 for evaporation and superheating to and approximately 600° C. and 270 bar to 300 bar in the state change 4-5.
  • the superheated steam generated is then expanded in the individual stages via the steam turbine arrangement 110 (state changes 5-9).
  • reheating between the high-pressure turbine stage 112 and the medium-pressure turbine stage 114 can advantageously take place by further supplying heat from the high-temperature storage device 130, Qi3o.
  • the electrical power generated is decoupled via the generator 118 .
  • FIG. 3 shows the sequence of the second charging process (heat pump process 508) and the second discharging process (thermal power process 510) in the state diagram 500, which are initially described separately from the first charging process and discharging process of the storage system 10.
  • the types of state changes via states 1B - 6B in the second charging process for charging the high-temperature storage device 410 and the low-temperature storage device 416 correspond in principle to those of the first Joule arrangement 201.
  • isobaric heating occurs from the state 1B 1B-2B by means of the low-temperature storage device 416.
  • the additional heat exchange device 424 can be integrated at the point 1B-2B downstream of the low-temperature storage device 416, which provides additional heat (environmental heat or process waste heat) with a temperature level between z. B. 60 °C and 100 °C in the process to increase the overall efficiency and to reduce the temperature requirements on the recuperator.
  • The, here polytropic, compression 2B - 3B takes place at a pressure of 13 bar and a temperature between 400 °C and 600 °C.
  • an isobaric heating takes place via the heating device 480 to a state 3b. This high-temperature heat is temporarily stored in the high-temperature storage device 410 .
  • the heat exchange device 412 offers the possibility of coupling out lost heat Q412 (change of state 4B-5B), which, however, is not used in the present case.
  • state 6B 1B there is a temperature between -100 °C and -20 °C and a pressure of 1 bar.
  • the high-temperature storage device 410 and the low-temperature storage device 416 are discharged via the thermal power process 510 in reverse to the second loading process through states 1B' through 6B'.
  • the working medium is brought to high pressure in state 2B by means of compressor/turbine arrangement 414 with the supply of energy or compressor work, which is preferably at least partially decoupled as turbine energy from compressor/turbine arrangement 404 'Bringed bar with a pressure of, for example, 9.
  • high-temperature heat is removed from the high-temperature storage device 410 in an isobaric state change 2B′-3B′, with the working medium having a temperature of between 500° C. and 700° C. here.
  • a polytropic relaxation or expansion 3B′-4B′ by means of the first compressor/turbine arrangement 404, useful electrical energy can be released from the storage system 10 under the action of the motor/generator arrangement 406.
  • the second Joule arrangement 400 is used both in the second charging process, the heat pump process 508 , Operated to load the high-temperature storage device 410, as well as in the second discharge process, the thermal power process 510, to discharge the high-temperature storage device 410.
  • the second Joule arrangement 400 apart from the energetic Coupling, detached from the Rankine cycle 101 work.
  • the implementation of the second loading and unloading process are preferably coordinated with the operation of the first Joule arrangement 201 (loading process) and/or the Rankine cycle 101 (discharging process), e.g. B. as described below.
  • the tuning of the operation for coupling thermal energy from the second Joule arrangement 400 can take place via different (alternative or mutually complementary) mechanisms.
  • the thermal energy from the second Joule arrangement 400 as described, is decoupled in the form of heat loss 512 (4B '- 5B') on the low-pressure side 409 and in the Rankine cycle 101 on the Entla deseite 100 coupled.
  • the second discharge process of the Joule arrangement 400 preferably runs parallel to the discharge process via the Rankine circuit 101. Intermediate storage of the lost heat 512 would also be conceivable.
  • heat loss from the second Joule arrangement 400 on the high-pressure side 405 downstream of the high-temperature storage device 410 and upstream of the turbine/compressor arrangement 414 can be coupled out via the heat exchange device 412 ( Figures 4B - 5B) and Low-pressure preheating of the working fluid (Fig. 2: state change tion 2-3) z. B. via the heat exchange device 104 are coupled.
  • the heat loss is compression waste heat from the compressor, which as a result may have a lower degree of efficiency.
  • the second discharging process of the Joule arrangement 400 preferably runs parallel to the discharging process via the Rankine cycle 100 .
  • Temporary storage of the lost heat would also be conceivable. Due to the coupling of heat from the second Joule arrangement 400, a bleed-off from the steam turbine arrangement 110 for preheating the working fluid prior to evaporation, as is customary in the prior art, can advantageously be dispensed with. In this way, the highest possible power density can be achieved during the discharging process via the Rankine circuit 101 .
  • "cold", i. H. Low-temperature heat can be extracted from the second Joule assembly 400 and coupled into the Rankine cycle 312 downstream of the steam turbine assembly 110 for cooling and/or condensing working fluid.
  • the cold is taken from the low-temperature storage device 416 .
  • the low-temperature storage device 416 is preferably thermally coupled to the low-temperature storage device 210 of the first Joule arrangement 201 .
  • the cold from the second Joule arrangement 400 can thus be coupled into the Rankine process 312 indirectly via the low-temperature storage device 210 on the loading side 200 .
  • the advantageous effect of the thermal coupling of the different processes can be optimized by specifying a greater pressure ratio between the pressure on the high-pressure side 405 and the low-pressure side 409 in the second Joule arrangement 400 during the heat pump process 508 than in the thermal power process 510.
  • This pressure control also referred to as "asymmetric" leads to a shift in the heat loss, for example from the high-pressure side 405 in the second loading process (change of state 4 B - 5 B) to the low-pressure side 409 in the second unloading process (change of state 4B' - 5B ').
  • the aim of the asymmetrical pressure control is to increase the overall efficiency of the storage system 10.
  • the efficiency of the second Joule arrangement 400 can tend to be reduced.
  • the pressure ratio is within of the heat pump process 508 13 and within the thermal power process 510 9.
  • the asymmetry in the pressure conditions of the present 13/9 is designed, for example, in such a way that the heat loss 512 is adapted to the heat requirement for high-pressure preheating and can cover it.
  • Another important aspect is the entry temperature of the Rankine working fluid into the steam generation device 108. This should be chosen to be between 200° C. and 350° C. in order to reduce thermal stresses in the steam generation device.
  • the design z. B. aim to minimize the heat loss on the high pressure side. The design is based on the thermodynamic equations of state of the corresponding processes.
  • FIG. 4 shows a further advantageous variant of the storage system 10 and the method for operating it.
  • the second Joule arrangement is designed as an open circuit.
  • the circuit between the heat exchange device 402 and the low-temperature storage device 416 is open to the environment via openings 420, 422.
  • the surrounding area is used as a heat sink during the second loading process.
  • air from the environment can be sucked in and compressed as working medium.
  • ambient conditions pu , Tu
  • the heat exchange device 412 on the high-pressure side for cooling can be dispensed with (symbolized in FIG. 4 by crossing out the heat exchange device 412), which in turn is associated with a reduction in investment costs and system complexity.
  • the container device 106 that may be present can be used for temperature storage purposes.
  • the method described and the storage device 10 shown are used to provide efficient and/or location-independent storage power plants for storing electrical energy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Speicheranlage (10) zur Speicherung elektrischer Energie unter Umwandlung in thermische Energie, bei dem in einem Beladevorgang über eine Beladeseite (200) mittels einer Belade-Anordnung eine Hochtemperatur-Speichereinrichtung (130) unter Einspeicherung von, insbesondere eingespeister elektrischer, Energie in Form von thermischer Energie beladen wird und in einem Entladevorgang mittels eines Rankine-Prozesses (312) über eine Entladeseite (100) die Hochtemperatur-Speichereinrichtung (130) unter Ausspeicherung der thermischen Energie aus der Hochtemperatur-Speichereinrichtung (130) und Umwandlung in elektrische Energie entladen wird. Eine hohe Anlageneffizienz ist dadurch erzielbar, dass eine zusätzlich zu der Belade-Anordnung in der Speicheranlage (10) vorhandene Energiewandelanordnung der Speicheranlage (10), in Ausbildung einer zweiten Joule-Anordnung (400) der Speicheranlage (10), mit einer Niederdruckseite (405) und einer Hochdruckseite (409) und dazwischen angeordneten Verdichter-/Turbinenanordnungen (406, 414), während des Beladevorgangs und/oder während des Entladevorgangs der Speicheranlage (10) in einem Wärmepumpenprozess (508) und/oder in einem Wärmekraft-Prozess (510) betrieben wird (Fig. 1).

Description

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Verfahren zum Betreiben einer Speicheranlage, Speicheranlage, Steuerungs- programm und computerlesbares Medium
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Speicheranlage zur Speiche rung elektrischer Energie unter Umwandlung in thermische Energie, bei dem in ei- nem Beladevorgang über eine Beladeseite mittels einer Belade-Anordnung eine Hochtemperatur-Speichereinrichtung unter Einspeicherung von, insbesondere einge speister elektrischer, Energie in Form von thermischer Energie beladen wird und in einem Entladevorgang mittels eines Rankine-Prozesses über eine Entladeseite die Hochtemperatur-Speichereinrichtung unter Ausspeicherung der thermischen Energie aus der Hochtemperatur-Speichereinrichtung und Umwandlung in elektrische Ener gie entladen wird.
Der zunehmende Anteil erneuerbarer Energien, wie Strom aus Photovoltaik- oder Windkraftanlagen, erfordert einen deutlichen Ausbau von elektrischen Speicherkapa- zitäten. Speicherkraftwerke in großem Maßstab sowie die Ertüchtigung von Kohle kraftwerken zu Wärmespeicherkraftwerken sind zentrale Lösungsoptionen für die zunehmenden Anforderungen an Netzstabilität und Flexibilität, deren Entwicklung sich Stand der Technik widmet.
Ein Verfahren der oben genannten Art und ein Speicherkraftwerk sind in der EP 3 054 155 A1 angegeben. Dabei ist ein Hochtemperatur-Wärmespeichersystem so wohl auf einer Beladeseite als auch auf einer Entladeseite thermisch eingekoppelt und dient zur Dampferzeugung in einem Entladeprozess.
EP 2 101 051 A1 zeigt eine Kraftwerksanlage zur Nutzung von Überkapazitäten aus einem Stromnetz, wobei elektrische Energie über ein Heizelement direkt in einen Wärmespeicher eingespeichert wird. Zur Entladung und Rückverstromung der Wär me wird ein Rankine-Kreislauf genutzt.
EP 2 653 668 A1 zeigt ein Verfahren und eine Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie basierend auf einem Rankine-Prozess, der dem Ent ladezyklus zugrunde liegt.
In der WO 2021 / 026863 A2 sind ein Verfahren und eine Anlage angegeben, in der ein Wärmespeicher in einem als Wärmepumpen-Prozess ausgestalteten Ladezyklus beladen wird und in einem als Rankine-Prozess ausgestaltetem Entladeprozess ent laden wird.
Die WO 2015 / 131 940 A1 zeigt eine Hochtemperatur-Energiespeicheranlage mit einem als Wärmepumpe ausgestalteten ersten Kreislauf und einem als Wasser- dampfkraft-Kreisprozess ausgestalteten vierten Kreislauf. Der zweite Kreislauf und der dritte Kreislauf sind jeweils thermische Kopplungs-Kreisläufe zwischen dem ers ten bzw. vierten Kreislauf und einem thermischen Energiespeicher. In den ersten Kreislauf und/oder in den vierten Kreislauf kann eine Niedertemperatur-Wärmequelle eingekoppelt werden. Eine zentrale Herausforderung zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit ist die Ver besserung der Energie- und Kosteneffizienz derartiger Speicherkraftwerke.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustel len, mit dem der Gesamtwirkungsgrad (Strom-zu-Strom-Wirkungsgrad) einer Spei cheranlage der eingangs genannten Art erhöht werden kann, sowie eine Speicheran lage mit erhöhtem Gesamtwirkungsgrad, ein entsprechendes Steuerungsprogramm und computerlesbares Medium mit dem Steuerungsprogramm.
Die Aufgabe wird für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, für die Speicheranlage mit den Merkmalen des Anspruchs 13, für das Steuerungsprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 28 und für das computerlesbare Medium mit den Merkmalen des Anspruchs 29 gelöst.
Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass eine zusätzlich zu der Beladeanordnung in der Speicheranlage vorhandene Energiewandelanordnung der Speicheranlage, in Ausbildung einer zweiten Joule-Anordnung (zur Durchführung eines rechts- und/oder linkslaufenden Joule-Kreisprozesses) der Speicheranlage, mit einer Niederdruckseite und einer Hochdruckseite und dazwischen angeordneten Verdichter- /Turbinenanordnungen - zur Verdichtung oder Entspannung des Arbeitsmediums auf das jeweilige Druckniveau, während des Beladevorgangs und/oder während des Ent ladevorgangs der Speicheranlage in einem Wärmepumpenprozess (als linkslaufen der Joule-Kreisprozess) und/oder in einem Wärmekraftprozess (als rechtslaufender Joule-Kreisprozess) betrieben wird.
Eine beispielhafte zweite Joule-Anordnung, die zur Einkopplung unter angepasster Auslegung geeignet ist, ist in der zum Prioritätstag noch unveröffentlichten DE 10 2020 110560.6, eingereicht am 17. April 2020 beim Deutschen Patent- und Marken amt, angegeben, wobei selbige dort als eigenständige Thermopotentialspeicheranla- ge, ohne Einkopplung in eine umgebende Speicheranlage, entnehmbar ist. Bei dem Entladevorgang kann es sich beispielsweise um einen überkritischen Pro zess moderner Kohlekraftwerke, einen konventionellen Prozess mit Verdampfung und Zwischenüberhitzung von Wasserdampf oder organsicher Arbeitsfluide handeln, wobei die Dampferzeugungseinrichtung entsprechend ausgelegt ist. Dem Wasser- Dampf-Prozess liegt insbesondere der Clausius-Rankine-Prozess (CRC) als Ver gleichsprozess zugrunde. Anderen/Weiteren Dampf-Prozessen liegt insbesondere der Organic-Rankine-Prozess (ORC) als Vergleichsprozess zugrunde.
Der Rankine-Kreislauf umfasst eine Dampfturbinenanordnung, eine Kondensations anordnung, Fördereinrichtungen (Speisewasserpumpen) und eine Dampferzeu gungseinrichtung.
Eine äußerst vorteilhafte Wirkungsgradsteigerung lässt sich erzielen, wenn der Bela devorgang über einen Wärmepumpen-Prozess innerhalb der Belade-Anordnung ab läuft, wobei die Belade-Anordnung als eine erste Joule-Anordnung umfassend eine Niederdruckseite und eine Hochdruckseite, mit einer zwischengeordneten Verdich teranordnung und Turbinenanordnung, ausgebildet ist. Somit ist die Beladeseite als Joule-Anordnung ausgestaltet. Auf diese Weise wird in einer Art Hybridspeicheranla ge die zur Dampferzeugung benötigte Hochtemperatur-Wärme zur Beladung der Hochtemperatur-Speichereinrichtung über einen effizienten Wärmepumpenprozess mittels der ersten Joule-Anordnung generiert, der Entladevorgang nutzt die hohe Leistungsdichte des Rankine-Prozesses.
Vorzugsweise weist die Beladeseite, insbesondere die erste Joule-Anordnung, zu dem auf der Niederdruckseite zumindest eine Niedertemperatur-Speichereinrichtung zur Speicherung von durch die erste Joule-Anordnung generierter Niedertemperatur- Wärme, d. h. “Kälte“, auf, die thermisch mit der Entladeseite, insbesondere mit der Kondensationsanordnung, gekoppelt ist. Diese Kälte kann vorteilhaft zur Kondensa tion des Rankine-Arbeitsfluids in den Entladevorgang, d.h. in den Rankine-Kreislauf, eingekoppelt werden. Somit entfällt eine in der Regel benötigte Kühlumgebung für den Rankine-Kreislauf, die im Stand der Technik z. B. durch Rückkühlanlagen, wel che oftmals an Gewässer angebunden sind, gebildet wird mit einer entsprechenden Standort-Abhängigkeit. Durch Vorhandensein der ersten Joule-Anordnung mit der Niedertemperatur-Speichereinrichtung wird hingegen eine vorteilhafte Standort- Unabhängigkeit erreicht. Dies kann insbesondere in ariden Gebieten in Kopplung mit Solarstromerzeugung vorteilhaft sein, da dort Kühlmöglichkeiten häufig rar sind. Zu dem entsteht durch die Entkopplung der Kühltemperatur von Umgebungsbedingun gen ein zusätzlicher Freiheitsgrad, wobei das Temperaturniveau zur Kühlung auch auf tiefe Temperaturen ausgelegt werden kann (z. B. unterhalb von 0 °C, z. B. auf bis zu -100 °C). Dies erhöht auch den theoretischen Wirkungsgrad (Carnot- Wirkungsgrad) der Speicheranlage.
Besonders bevorzugt wird die zweite Joule-Anordnung als Speicheranordnung be trieben, wobei eine hochdruckseitige Hochtemperatur-Speichereinrichtung der zwei ten Joule-Anordnung in einem zweiten Beladevorgang mittels des Wärmepumpen prozesses beladen wird und in einem zweiten Entladevorgang mittels des Wärme kraftprozesses entladen wird. Vorzugsweise weist die zweite Joule-Anordnung auch eine Niedertemperatur-Speichereinrichtung auf der Niederdruckseite auf, in der die generierte Niedertemperatur-Wärme gespeichert wird. Durch die eine oder beiden eigene/n Speichereinrichtung/en lässt sich die zweite Joule-Anordnung, abgesehen von einer energetischen Kopplung zwischen der Beladeseite und/oder der Entlade seite, unabhängig von dem Beladevorgang über die erste Joule-Anordnung und/oder den Entladevorgang über den Rankine-Prozess betreiben. Dies erlaubt eine optimier te Auslegung des Betriebs der zweiten Joule-Anordnung hinsichtlich der energeti schen Kopplung zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades der Speicheranlage.
Zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades trägt bei, wenn während des zweiten Entladevorgangs und/oder des zweiten Beladevorgangs der zweiten Joule- Anordnung und des Beladevorgangs über die Beladeseite und/oder des Entladevor- gangs über die Entladeseite thermische Energie zwischen der zweiten Joule- Anordnung und der Beladeseite und/oder der Entladeseite übertragen wird.
Eine vorteilhafte Variante der Energieübertragung besteht darin, dass bei dem Ent- ladevorgang über die Entladeseite zumindest zeitweise Wärme, die im Betrieb der zweiten Joule-Anordnung, insbesondere in dem zweiten Entladevorgang, anfällt, zur Vorwärmung des Arbeitsfluids, z. B. zur Hochdruck-Vorwärmung, bei der ein höherer Druck vorliegt als bei der Niederdruck-Vorwärmung, und/oder zur Niederdruck- Vorwärmung, bei der ein geringerer Druck als bei der Hochdruck-Vorwärmung vor- liegt, in den Rankine-Prozess stromauf einer Dampferzeugungseinrichtung einge koppelt wird.
Vorteilhafterweise kann dabei die Wärme aus der zweiten Joule-Anordnung auf der Niederdruckseite stromab der Verdichter-/Turbinenanordnung, insbesondere strom- auf eines Niedertemperatur-Wärmespeichers über eine niederdruckseitige Wärme tauscheinrichtung, ausgekoppelt werden und zur Hochdruck-Vorwärmung des Ran- kine-Arbeitsfluids eingekoppelt werden. Dazu wird vorzugsweise die zweite Joule- Anordnung während des Entladevorgangs der Speicheranlage im zweiten Entlade vorgang (Joule- bzw. Brayton-Prozess als Wärmekraft-Prozess) betrieben.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Wärme auf der Hoch druckseite stromab der Hochtemperatur-Speichereinrichtung, stromauf der Verdich- ter-/Turbinenanordnung, ausgekoppelt wird und zur Niederdruck-Vorwärmung des Rankine-Arbeitsfluids stromab einer Kondensationsanordnung eingekoppelt wird. Dazu befindet sich vorzugsweise die zweite Joule-Anordnung während des Entlade vorgangs im zweiten Entladevorgang (Joule- bzw. Brayton-Prozess als Wärmekraft- Prozess). Die Einkopplung von Wärme aus der zweiten Joule-Anordnung in den Rankine-Prozess erlaubt, auf eine im Stand der Technik gängige Abzapfung von Ar beitsfluids aus der Dampfturbinenanordnung zur Hochdruck-Vorwärmung zu verzich- ten. So kann die Leistungsdichte innerhalb des Rankine-Prozesses zusammen mit dem Gesamtwirkungsgrad der Speichereinrichtung erhöht werden.
Vorteilhafterweise kann bei dem Entladevorgang über die Entladeseite zumindest zeitweise Kälte aus einer niederdruckseitigen Niedertemperatur-Speichereinrichtung der zweiten Joule-Anordnung zur Kühlung und/oder Kondensation vom Arbeitsfluid in den Rankine-Prozess stromab einer Dampfturbinenanordnung eingekoppelt werden, wobei z. B. die Kälte mittelbar über zumindest eine niederdruckseitige Niedertempe ratur-Speichereinrichtung der Beladeseite übertragen wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens wird bei der zweiten Joule-Anordnung bei dem Wärmepumpen-Prozess ein größeres Druckver hältnis zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite vorgegeben als bei dem Wärmekraft-Prozess. Bei dieser sogenannten „asymmetrischen“ Druckführung kommt es zu einer Verschiebung von Verlustwärme innerhalb der Prozessführung der zweiten Joule-Anordnung, die so ausgelegt werden kann, sodass die Verlust wärme vorteilhafter für den Gesamtprozess nutzbar ist, wie nachfolgend beispielhaft angegeben. Die anfängliche Auslegung erfolgt unter Zugrundelegung der thermody namischen Zustandsgleichungen der entsprechenden Prozesse.
Insbesondere kann das Druckverhältnis derart unterschiedlich sein, dass der Ge samtwirkungsgrad der Speicheranlage gegenüber einem Prozess mit gleichen Druckverhältnissen erhöht wird. Der Wirkungsgrad der zweiten Joule-Anordnung kann tendenziell reduziert werden. Die Asymmetrie in den Druckverhältnissen kann z. B. derart eingestellt werden, dass die Verlustwärme an den Wärmebedarf zur Hochdruck-Vorwärmung angepasst ist und diesen zumindest teilweise oder gänzlich decken kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Auslegung z. B. darauf abzielen, die Verlustwärme auf der Hochdruckseite zu minimieren. Beispielsweise kann das Druckverhältnis derart unterschiedlich sein, dass eine zwi schen dem Wärmepumpenprozess und dem Wärmekraftprozess anfallende Verlust wärme auf den Bedarf zur Hochdruck-Vorwärmung des Rankine-Arbeitsfluids abge stimmt ist und z. B. über die niederdruckseitige Wärmetauscheinrichtung ausgekop pelt wird und/oder dass Verlustwärme über eine hochdruckseitige Wärmetauschein richtung minimiert wird und/oder dass die Verlustwärme über die hochdruckseitige Wärmetauscheinrichtung auf den Bedarf zur Niederdruck-Vorwärmung des Rankine- Arbeitsfluids abgestimmt wird/werden.
Vorteilhafterweise kann während des Wärmekraftprozesses elektrische Energie aus der zweiten Joule-Anordnung ausgekoppelt werden. Diese kann zur Deckung des Eigenbedarfs der Speicheranlage (beispielsweise für Gebläse, Pumpen, Beleuch tung, etc.) verwendet oder zur weiteren Nutzung dem Stromnetz zugeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird während des Beladevorgangs und/oder während des zweiten Beladevorgangs und zweiten Entladevorgangs, d. h. innerhalb der ersten und/oder zweiten Joule-Anordnung, jeweils ein gasförmiges Ar beitsmedium, z. B. Luft, Argon, Kohlendioxid oder Stickstoff, verwendet. Dazu ist/sind die Hochtemperatur-Speichereinrichtung und/oder eine Niedertemperatur- Speichereinrichtung zur Wärmeübertragung an das gasförmige Arbeitsmedium aus gebildet und/oder von dem Arbeitsmedium des Wärmepumpen-Prozesses durch- strömbar auf der Beladeseite eingebunden. Um den Wärmebedarf für die Dampfer zeugung und Überhitzung des Rankine-Arbeitsfluiddampfes zu decken, beträgt vor zugsweise der Massendurchsatz der ersten Joule-Anordnung und/oder der zweiten Joule-Anordnung ein Vielfaches des Massendurchsatzes an Arbeitsfluid (z. B. Was ser/Wasserdampf) im Falle des CRC-Prozesses) innerhalb des Rankine-Prozesses. Der Faktor kann z. B. zwischen 2 und 10 liegen, je nach Prozess-Auslegung und Randbedingungen wie Menge an zusätzlich eingetragener Wärme z. B. über eine Heizeinrichtung. Vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Speicheranlage sind zumindest teilweise in Zusammenhang mit dem Verfahren sinngemäß angege ben. Nachfolgende weitere Beschreibungen vorteilhafter Ausgestaltungsvarianten der Speicheranlage umfassen auch vorteilhafte Verfahrensvarianten.
Zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn auf der Beladeseite ein Rekuperator zur Wärmeübertragung zwischen auf der Hoch druckseite und der Niederdruckseite befindlichem Arbeitsmedium angeordnet ist. Vorzugsweise wird bei dem Beladevorgang die Temperatur innerhalb der Hochtem peratur-Speichereinrichtung auf die notwendige Speichertemperatur zur Erzielung von Frischdampf (z. B. 600 °C bei 270 bar bis 300 bar) angehoben. Dabei kann zu sätzlich Wärme mithilfe der Einrichtung zur zusätzlichen Einbringung von Energie (z. B. Heiz- und/oder Brennereinrichtung) eingebracht werden, um die Speicherdichte zu erhöhen. Die restliche Wärme wird mittels des Rekuperators rekuperiert.
Einer vorteilhaften Ausgestaltung und Einkopplung der Hochtemperatur- Speichereinrichtung ist es zweckdienlich, wenn zwischen der Hochtemperatur- Speichereinrichtung und der Dampferzeugungseinrichtung zu deren thermischer Kopplung eine Wärmetauscheranordnung, insbesondere ein mit einem gasförmigen Wärmeträger betriebener bzw. betreibbarer Wärmetauscherkreislauf, angeordnet ist.
Dabei ist/sind vorzugsweise die Hochtemperatur-Speichereinrichtung und/oder die Niedertemperatur-Speichereinrichtung (der ersten Joule-Anordnung) zur Wärme übertragung an ein gasförmiges Arbeitsmedium ausgebildet und/oder von dem Ar beitsmedium des Wärmepumpen-Prozesses durchströmbar auf der Beladeseite ein gebunden. So kann die Hochtemperatur-Speichereinrichtung beispielsweise als effi zienter Hochtemperatur-Wärmespeicher (z. B. Regeneratorspeicher oder Flüssig salzspeicher) ausgebildet und unmittelbar in die Wärmetauschanordnung und in die erste Joule-Anordnung (d. h. vom jeweiligen Arbeitsmedium durchströmbar) einge bunden sein. Auch die Hochtemperatur-Speichereinrichtung der zweiten Joule- Anordnung kann vorteilhaft als Hochtemperatur-Wärmespeicher (z. B. Regenerator speicher oder Flüssigsalzspeicher) ausgebildet sein.
Kostenvorteile lassen sich erzielen, wenn, insbesondere bei einer Auslegung zur Speicherung von Temperaturen unterhalb von 0 °C, auf der Beladeseite zwei Arten von Niedertemperatur-Speicher-einrichtungen strömungsmechanisch in Reihe ange ordnet sind, wobei eine zur Speicherung von Wärme bei Temperaturen von größer 0 °C, insbesondere als (kostengünstiger) Warmwasserspeicher, und eine zur Spei cherung von Wärme bei Temperaturen von gleich oder kleiner 0 °C, z. B. als latenter oder sensibler Kältespeicher, ausgebildet ist.
Die Speicherdichte in der Hochtemperatur-Speichereinrichtung der ersten bzw. zwei ten Joule-Anordnung lässt sich zusätzlich erhöhen, wenn die Beladeseite und/oder die zweite Joule-Anordnung zumindest eine Einrichtung zur Einkopplung von Energie zusätzlich zu der zur Verdichtung benötigten Energie, z. B. elektrischer Energie und/oder fossiler Energie, aufweist/aufweisen, z. B. eine elektrische Heizeinrichtung und/oder eine Brennereinrichtung. Die Einrichtung ist vorzugsweise stromauf (bezüg lich des Beladevorgangs) bzw. innerhalb oder in thermische Kopplung zu der Hoch temperatur-Speichereinrichtung angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante kann die zweite Joule-Anordnung als offener Kreislauf ausgestaltet sein, der stromab bzw. stromauf der Niedertemperatur- Speichereinrichtung und stromab bzw. stromauf der niederdruckseitigen Wärmetau scheinrichtung (je nach Richtung des Kreislaufes) jeweils über eine Öffnung zu der Umgebung hin geöffnet ist. So kann als Wärmesenke während des zweiten Belade vorgangs die Umgebung genutzt werden. Bei dem zweiten Entladevorgang kann Luft aus der Umgebung als Arbeitsmedium angesaugt und verdichtet werden. An den Öffnungen liegen in diesem Falle Umgebungsbedingungen vor. Vorteilhafterweise kann so auf die Wärmetauscheinrichtung auf der Hochdruckseite zur Kühlung ver- zichtet werden, was mit einer Reduktion des Investitionskostenaufwands und der System komplexität einhergeht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Variante ist eine Vorwärmeinrichtung des Rankine-Kreislaufes der Öffnung stromauf bzw. stromab der niederdruckseitigen Wärmetauscheinrichtung vor- bzw. nachgeschaltet, wobei die Vorwärmeinrichtung zu Wärmespeicherzwecken nutzbar bzw. genutzt ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug- nähme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Verfahrensschema einer erfindungsgemäßen Speicheranlage mit einer als Clausius-Rankine-Kreislauf ausgestalteten Entladeseite und einer als Joule-Anordnung ausgestalteten Beladeseite, gekoppelt mit einer zweiten Joule-Anordnung,
Fig. 2 ein T-s-Zustandsdiagramm mit einem beispielhaft während des Betriebs in der Speicheranlage gemäß Fig. 1 ablaufenden Joule-Prozess (Beladevor gang) und Clausius-Rankine-Prozess (Entladevorgang),
Fig. 3 ein T-s-Zustandsdiagramm mit einem beispielhaft während des Betriebs in der Speicheranlage gemäß Fig. 1 in der zweiten Joule-Anordnung ablau fenden Joule-Prozesses während des Beladevorgangs und des Entlade vorgangs, und
Fig. 4 ein Verfahrensschema eines weiteren Beispiels einer erfindungsgemäßen Speicheranlage, mit der zweiten Joule-Anordnung als offener Kreispro zess. Fig. 1 zeigt ein Verfahrensschema eines Speicherkraftwerks in Ausbildung als Spei cheranlage 10 zur Speicherung insbesondere elektrischer Energie unter Umwand lung in thermische Energie. Dabei wird, z. B. elektrisch eingebrachte, Energie, in thermische Energie umgewandelt, in Form von Flochtemperatur-Wärme eingespei chert und bei Entnahme wiederum in elektrische Energie umgewandelt. Bei der zu speichernden Energie kann es sich insbesondere um Energie aus erneuerbaren Quellen, beispielsweise aus Solarstrom- und/oder Windkraft-Anlagen, und/oder fossi len Quellen, beispielsweise aus Umsetzung eines brennbaren Energieträgers wie z. B. Erdgas, handeln.
Wie Fig. 1 zeigt, umfasst die Speicheranlage 10 eine Hochtemperatur-Speicherein richtung 130 zur Speicherung der zugeführten Energie in Form von Hochtempera turwärme (bei Temperaturen von z. B. mehr als ca. 400 °C). Die Hochtemperatur- Speichereinrichtung 130 ist auf einer Beladeseite 200 und auf einer Entladeseite 100 thermisch eingekoppelt.
Zur Beladung der Hochtemperatur-Speichereinrichtung 130 weist die Speicheranlage 10 die Beladeseite 200 auf, die für eine effiziente Beladung als Wärmepumpenano rdnung, hier insbesondere als erste Joule-Anordnung 201, ausgebildet ist. Die Joule- Anordnung 201 umfasst einen Kreislauf zur Durchführung eines Joule-Prozesses, mit einer Hochdruckseite 205 und eine Niederdruckseite 209.
Auf der Hochdruckseite 205 ist die Hochtemperatur-Speichereinrichtung 130 belade seitig angeordnet bzw. eingebunden. Auf der Niederdruckseite 205 sind vorliegend beispielhaft zwei Niedertemperatur-Speichereinrichtungen 210, 212 angeordnet. Zu mindest einer der Niedertemperatur-Speichereinrichtungen, hier der Niedertempera tur-Speichereinrichtung 212, kann eine zusätzliche (Speisewasser-) Kühlung 214 zugeordnet sein. Durch die hochdruckseitig- und niederdruckseitig verwendeten Speichereinrichtungen 130, 210, 212 kann der Beladevorgang zeitlich von dem Ent ladevorgang entkoppelt werden. Zwischen der Hochdruckseite 205 und der Niederdruckseite 209 sind eine Turbinen anordnung 208 zur Entspannung und eine Verdichteranordnung 204 zur Verdichtung von in Kreislauf geführtem Arbeitsmedium angeordnet. Über die Verdichteranord nung 204 kann während des Beladevorgangs der Speicheranlage 10 zu speichernde Energie eingekoppelt werden.
Weiterhin weist die Joule-Anordnung 201 auf der Hochdruckseite 205 stromauf, al ternativ innerhalb, der Hochdruck-Speichereinrichtung 130 zumindest eine Einrich tung zur zusätzlichen isobaren Einbringung von (elektrischer und/oder fossiler) Ener gie, beispielsweise eine Heizeinrichtung 206 in Form eines Strömungserhitzers und/oder einer Brennereinrichtung, auf. So kann die Speicherdichte innerhalb der Hochdruck-Speichereinrichtung 130 erhöht werden.
Zur Erhöhung der Eintrittstemperatur in der Hochdruck-Speichereinrichtung 130 um fasst die Beladeseite 200 der Speicheranlage 10 zudem einen Rekuperator 202, der hochdruckseitig stromab der Hochdruck-Speichereinrichtung 130 und niederdruck seitig stromauf der Verdichteranordnung 204 angeordnet ist. Optional kann auf der Beladeseite 200 stromauf des Rekuperators 202 (und stromab Niedertemperatur- Speichereinrichtung 212) eine zusätzliche Wärmetauscheinrichtung 220 integriert sein, welche es ermöglicht, zusätzliche Wärme (Umweltwärme und/oder anfallende Prozess-Abwärme) in den Prozess einzubinden, um die Gesamteffizienz zu steigern und um die Temperaturanforderungen an den Rekuperator zu senken.
Im Betrieb wird die zur Dampferzeugung erforderliche Wärme in der Hochdruck- Speichereinrichtung 130 gespeichert. Die überschüssige Wärme kann zur Vorwär mung des zu verdichtenden Arbeitsmediums rekuperiert werden.
Die Joule-Anordnung 200 verwendet im Betrieb ein gasförmiges Arbeitsmedium, bei spielsweise Luft, Stickstoff, Argon oder Kohlendioxid. Um die Speichereinrichtungen 130, 210, 212 unmittelbar in den Kreislauf einbinden zu können, sind diese vorzugs weise zur Wärmeübertragung an das gasförmige Arbeitsmedium ausgebildet, bei spielsweise als Feststoffspeicher.
Zur Entladung in dem Entladevorgang weist die Speicheranlage 10 die Entladeseite 100 auf, die als Rankine-Kreislauf 101, zur Arbeit mit beispielsweise Wasser bzw. Dampf als Arbeitsmedium, ausgebildet ist. Der Clausius-Rankine-Kreislauf 101 um fasst als Kernkomponenten eine Dampferzeugungseinrichtung 108 und eine Dampf turbinenanordnung 110, die im Betrieb einen Generator 118 zur Auskopplung von elektrischer Energie betreibt. Die Dampfturbinenanordnung 110 weist vorliegend bei spielhaft eine Hochdruckturbinenstufe 112, Mitteldruckturbinenstufe 114 und eine Niederdruckturbinenstufe 116 auf.
Stromab der Dampfturbinenanordnung 110 ist eine Kondensationsanordnung 119 vorhanden, die vorliegend beispielhaft zwei Kondensationsstufen 120, 122 aufweist. Stromab der Kondensationsanordnung 119 sind Mittel zur Vorwärmung des Rankine- Arbeitsfluids vor der Dampferzeugung angeordnet, hier beispielhaft eine Wärmetau scheinrichtung 104 zur Niederdruck-Vorwärmung, eine Behältereinrichtung 106 und eine Wärmetauscheinrichtung 402 zur Hochdruck-Vorwärmung. Eine Fördereinrich tung 102 fördert im Betrieb das Arbeitsfluid im Kreislauf.
Die Dampferzeugungseinrichtung 108 dient zur Dampferzeugung unter Wärmeein kopplung aus der Hochtemperatur-Speichereinrichtung 130 während des Entlade vorgangs. Die Wärmeübertragung aus der Hochtemperatur-Speichereinrichtung 130 in die Dampferzeugungseinrichtung 108 erfolgt hierbei beispielhaft über eine Wärme tauschanordnung 124 in Form eines Wärmetauscherkreislaufs, der eine Förderein richtung 126 sowie, zur genauen Steuerung bzw. Regelung, einen Bypass 132 mit einem Ventilmittel 128 umfasst. Als Wärmeträgermedium wird vorzugsweise ein Gas, beispielsweise Luft, verwendet. Auf diese Weise kann vorteilhaft die ggf. als Fest stoff-Speicher ausgebildete Hochtemperatur-Speichereinrichtung 130 unmittelbar von dem Arbeitsmedium der Wärmetauschanordnung 124 durchströmt werden. Al ternativ kann die Hochtemperatur-Speichereinrichtung 130 eine Hochtemperatur- Speicherkomponente und eine Wärmetauscheinrichtung aufweisen, mittels der im Betrieb Hochtemperatur-Wärme zwischen dem Arbeitsmedium und der Hochtempe ratur-Speicherkomponente übertragen wird.
Erfindungsgemäß umfasst die Speicheranlage 10 einen weiteren Kreislauf in Ausbil dung einer zweiten Joule-Anordnung 400, die während des Beladevorgangs und/oder Entladevorgangs der Speicheranlage 10 betrieben werden kann. Der Be trieb der zweiten Joule-Anordnung 400 kann sowohl in einen Wärmepumpenprozess (Beladung der zweiten Joule-Anordnung 400, im Weiteren auch „zweiter Beladevor gang“) als auch in einem Wärmekraft-Prozess (Entladung der zweiten Joule- Anordnung 400, im Weiteren auch “zweiter Entladevorgang“) erfolgen. Die zweite Joule-Anordnung 400 ist energetisch in die Speicheranlage 10 eingekoppelt.
Die zweite Joule-Anordnung 400 umfasst eine Hochdruckseite 405 und eine Nieder druckseite 409, sowie dazwischen angeordnete Verdichter-/ Turbinenanordnungen 404, 414. Auf der Hochdruckseite 405 ist eine zweite Hochtemperatur-Speicher einrichtung 410 und auf der Niederdruckseite 409 eine zweite Niedertemperatur- Speichereinrichtung 416 angeordnet. Zur Auskopplung irreversibel erzeugter Wärme weist die zweite Joule-Anordnung 400 auf der Hochdruckseite 405 eine Wärmetau scheinrichtung 412 und/oder auf der Niederdruckseite 409 eine Wärmetauscheinrich tung 402 auf. Zudem kann die zweite Joule-Anordnung 400 eine Heizeinrichtung 408 zur isobaren Einkopplung elektrischer und/oder fossiler Energie bzw. Wärme umfas sen.
Optional kann zwischen der Niedertemperatur-Speichereinrichtung 416 und der Wärmetauscheinrichtung 402 eine zusätzliche Wärmetauscheinrichtung 424 inte griert sein, welche zusätzliche Wärme (Umweltwärme oder anfallende Prozess- Abwärme) in den Prozess einbindet, um die Gesamteffizienz zu steigern. Nachfolgend wird ein beispielhafter Betrieb der Speicheranlage 10 erläutert. Die thermodynamischen Zustände der Arbeitsmedien während des Verfahrens sind da bei in den in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Temperatur(T)-Entropie(s)-Zustands- diagrammen 300 und 500 angegeben. In den Zustandsdiagrammen 300, 500 sind jeweils die Temperaturen in [°C] 302, 502 über der spezifischen Entropie s in [kJ/kgK] 304, 504 aufgetragen. Die in dem Zustandsdiagramm 300 dargestellten Zu stände 1A -7A (bzgl. des Beladevorgangs über den Wärmepumpenprozess 314) und 1 - 9 (bzgl. des Entladevorgangs über den Clausius-Rankine-Prozess 312) sowie in dem Zustandsdiagramm 500 dargestellten Zustände 1B - 6B (bzgl. Betrieb der zwei ten Joule-Anordnung 400 im Wärmepumpenprozess 508) bzw. 1B‘ - 6B‘ (bzgl. Be trieb der zweiten Joule-Anordnung 400 im Wärmekraftprozess 510) sind an verfah renstechnisch entsprechender Stelle in Fig. 1 angegeben. Fig. 2 umfasst die Zustände während des Beladevorgangs der Speicheranlage 10, d. h. während des Wärmepumpenprozesses 314 innerhalb der ersten Joule- Anordnung 201, und während des Entladevorgangs der Speicheranlage 10, d. h. während des Rankine-Prozesses 312 innerhalb des Rankine-Kreislaufs 101. Als bei spielhafter Rankine-Prozess 312 ist ein überkritischer Wasser-Dampf-Prozess ge- zeigt, wie er beispielsweise in aktuell modernen Kohlekraftwerken gefahren wird.
Fig. 3 umfasst die Zustände innerhalb der zweiten Joule-Anordnung 400, die als Speicheranordnung in dem zweiten Beladevorgang, dem Wärmepumpenprozess 508, zur Beladung der Flochtemperatur-Speichereinrichtung 410 und einem zweiten Entladevorgang, dem Wärmekraft-Prozess 510, zur Entladung der Hochtemperatur- Speichereinrichtung 410 betrieben wird. Die dargestellten Prozesse 508, 510 umfas sen Realeffekte wie Verlustwärme aufgrund von Irreversibilität. In dem in Fig. 2 dargestellten Wärmepumpenprozess 314 erfolgt von dem Zustand 1A eine isobare Erwärmung 1A-2A von etwa 20 °C auf knapp unter 200 °C mittels des Rekuperators 202. Optional kann an der Stelle 1A-2A die zusätzliche Wärmetau scheinrichtung 220 integriert sein (vgl. Fig. 1), welche zusätzliche Wärme (Umwelt- wärme oder anfallende Prozess-Abwärme) mit einem Temperaturniveau zwischen z. B. 60 °C und 100 °C in den Prozess einbindet, um die Gesamteffizienz zu steigern und um die Temperaturanforderungen an den Rekuperator zu senken. Nach einer anschließenden polytropen Verdichtung (Zustandsänderung 2A-3A) über die Ver dichteranordnung 204 auf einen Druck von beispielhaft 12 bar kann zur Erhöhung der Leistungsdichte zusätzliche Energie beispielsweise über die Heizeinrichtung 206 zugeführt werden (hier nicht gezeigt). In einer isobaren Zustandsänderung 3A-4A wird generierte, zur Dampferzeugung benötigte Hochtemperaturwärme von vorlie gend beispielhaft rund 650 °C an die Hochtemperatur-Speichereinrichtung 130 über tragen, wo sie bis zur Entnahme über den Entnahmevorgang gespeichert wird. Wei- tere Wärme wird über den Rekuperator 202 an niederdruckseitiges Arbeitsmedium abgegeben (4A - 5A). In dem Zustand 5A beträgt die Temperatur des Arbeitsmedi ums hier beispielhaft etwa 60 °C.
Die anschließend mittels polytroper Entspannung (5A - 6A) über die Turbinenanord nung 208 erzeugte Niedertemperatur-Wärme, d. h. „Kälte“, auf eine Temperatur von z. B. -100 °C wird in den Niedertemperatur-Speichereinrichtungen 210, 212, zur Verwendung innerhalb des Entladevorgangs zwischengespeichert (6A - 7A, 7A - 1A). Insbesondere bei Entspannung auf Temperaturen von unterhalb 0 °C, wie vorlie gend, kann in einer möglichst kostengünstigen Ausbildung die Speichereinrichtung 210 aus einem latenten bzw. sensiblen Kältespeicher für Temperaturen von kleiner gleich 0 °C ausgebildet sein und die zweite Speichereinrichtung 212 z. B. als kosten günstiger Warmwasserspeicher für Temperaturen von größer 0 °C.
Die Niedertemperatur-Speichereinrichtungen 210, 212 sind mit der Beladeseite 200 über zwei Wärmetauscherkreisläufe 217, 219 thermisch gekoppelt, die jeweils För dereinrichtungen 216, 218 aufweisen. Bei dem Entladevorgang wird die in der Hochtemperatur-Speichereinrichtung ge speicherte Wärme zur Erzeugung von Frischdampf von hier beispielsweise 600 °C und 270 bar bis 300 bar verwendet. Der entsprechende Rankine-Prozess 312 ist in Relation zu einer das charakteristische Verhalten von Arbeitsfluid Wasser abbilden den Glockenkurve 308 für die Zustandsänderung von Wasser über dem Nassdampf gebiet 310 dargestellt. Dabei erfolgt gemäß dem Rankine-Prozess 312, dem der Clausius-Rankine-Prozess als Vergleichsprozess zu Grunde liegt, in der Zustands änderung 1-2 sowie 2-3 eine Druckerhöhung des Arbeitsmediums, in diesem Zu stand flüssig vorliegendes Arbeitsfluid, über die Fördereinrichtungen 102 und/oder 103. Über die Kondensationsanordnung 119 erfolgt anschließend die Vorwärmung des Arbeitsfluids in den Zustandsänderungen 2-3 (Niederdruck-Vorwärmung) und 3- 4 (Hochdruck-Vorwärmung). Die hierfür benötigte Wärme wird insbesondere zumin dest großteils mittels der zweiten Joule-Anordnung 400 bereitgestellt, wie im Zu sammenhang mit Fig. 3 erläutert wird. Das erwärmte Arbeitsfluid gelangt in die Dampferzeugungseinrichtung 108. In der Dampferzeugungseinrichtung 108 wird über die Wärmetauschanordnung 124 Wärme aus der Hochtemperatur- Speichereinrichtung 130 zur Verdampfung und Überhitzung auf und ca. 600 °C und 270 bar bis 300 bar in der Zustandsänderung 4-5 zugeführt. Anschließend wird der erzeugte überhitzte Dampf über die Dampfturbinenanordnung 110 in den einzelnen Stufen entspannt (Zustandsänderungen 5 - 9). Dabei kann, wie hier gezeigt, vorteil hafterweise eine Zwischenüberhitzung zwischen der Hochdruckturbinenstufe 112 und der Mitteldruckturbinenstufe 114 über weitere Zufuhr von Wärme aus der Hoch temperatur-Speichereinrichtung 130, Qi3o, erfolgen. Die erzeugte elektrische Leis tung wird über den Generator 118 ausgekoppelt.
Zur Schließung des Kreisprozesses erfolgt anschließend die Kondensation (Zu standsänderung 9-1). Die hierfür benötigte Kälte wird aus den Niedertemperatur- Speichereinrichtungen 210, 212 in den Kreisprozess eingekoppelt. Eine erhebliche Strom-zu-Strom-Wirkungsgradsteigerung von z. B. 60 % auf 70 % kann durch die energetische Kopplung der Beladeseite 200 und/oder Entladeseite 100 der Speicheranlage 10 mit der zweiten Joule-Anordnung 400 erreicht werden, wie nachfolgend beschrieben.
Fig. 3 zeigt in dem Zustandsdiagramm 500 den Ablauf des zweiten Beladevorgangs (Wärmepumpenprozess 508) und des zweiten Entladevorgangs (Wärmekraft- Prozess 510), die zunächst losgelöst von dem ersten Beladevorgang und Entlade vorgang der Speicheranlage 10 beschrieben werden. Die Arten der Zustandsände rungen über die Zustände 1B - 6B im zweiten Beladevorgang zur Beladung der Hochtemperatur-Speichereinrichtung 410 und der Niedertemperatur-Speicher einrichtung 416 entsprechen prinzipiell denen der ersten Joule-Anordnung 201. Im dargestellten Wärmepumpenprozess 508 erfolgt von dem Zustand 1B eine isobare Erwärmung 1B-2B mittels der Niedertemperatur-Speichereinrichtung 416. Optional kann an der Stelle 1B-2B stromab der Niedertemperatur-Speichereinrichtung 416 die zusätzliche Wärmetauscheinrichtung 424 integriert sein, welche zusätzliche Wärme (Umweltwärme oder anfallende Prozess-Abwärme) mit einem Temperaturniveau zwischen z. B. 60 °C und 100 °C in den Prozess einbindet, um die Gesamteffizienz zu steigern und um die Temperaturanforderungen an den Rekuperator zu senken. Die, hier polytrope, Verdichtung 2B - 3B erfolgt dabei auf einen Druck von 13 bar und eine Temperatur zwischen 400 °C und 600 °C. Abschließend erfolgt optional eine isobare Erwärmung über die Heizeirichtung 480 auf einen Zustand 3b. Diese Hoch temperaturwärme wird in der Hochtemperatur-Speichereinrichtung 410 zwischenge speichert. Über die Wärmetauscheinrichtung 412 besteht die Möglichkeit der Aus kopplung von Verlustwärme Q412 (Zustandsänderung 4B-5B), die vorliegend jedoch nicht genutzt wird. In dem Zustand 6B = 1B herrscht eine Temperatur zwischen -100 °C und -20 °C sowie ein Druck von 1 bar.
In dem zweiten Entladevorgang erfolgt die Entladung der Hochtemperatur- Speichereinrichtung 410 und der Niedertemperatur-Speichereinrichtung 416 über den Wärmekraftprozess 510 gegenläufig zu dem zweiten Beladevorgang über die Zustände 1B‘ bis 6B‘. Ausgehend von dem Zustand 1B‘ = 6B wird das Arbeitsmedi um mittels der Verdichter-/Turbinenanordnung 414 unter Zufuhr von Energie bzw. Verdichterarbeit, die vorzugsweise zumindest teilweise als Turbinenenergie aus der Verdichter-/Turbinenanordnung 404 ausgekoppelt wird, auf Hochdruck in dem Zu stand 2B‘ mit einem Druck von beispielsweise 9 bar gebracht. Anschließend wird mit tels des Arbeitsmediums in einer isobaren Zustandsänderung 2B‘ - 3B‘ Hochtempe ratur-Wärme aus der Hochtemperatur-Speichereinrichtung 410 entnommen, wobei das Arbeitsmedium eine Temperatur von hier zwischen 500 °C und 700 °C aufweist. In einer polytropen Entspannung bzw. Expansion 3B‘ - 4B‘ mittels der ersten Verdich- ter-/Turbinenanordnung 404 kann unter Wirken der Motor-/ Generatoranordnung 406 elektrische Nutzenergie aus der Speicheranlage 10 freigesetzt werden.
In dem vorliegenden Beispiel besteht eine energetische Kopplung der zweiten Joule- Anordnung 400 mit dem Rankine-Kreislauf 101 über bei der Zustandsänderung 4B‘- 5B‘ anfallender Wärme. Dabei wird Verlustwärme 512, generiert aufgrund von Real effekten bzw. Irreversibilität, die aus der zweiten Joule-Anordnung 400 abzuführen ist, in den Rankine-Kreislauf 101 zur Hochdruck-Vorwärmung 3 - 4 des Arbeitsfluids über die Wärmetauscheinrichtung 402 eingekoppelt (vgl. auch Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 4). Die in dem Arbeitsmedium mitgeführte Niedertemperatur-Wärme wird anschließend in der Niedertemperatur-Speichereinrichtung 416 gespeichert (5B‘ - 1B‘).
Im Gegensatz zu der ersten Joule-Anordnung 201, die nur im Beladevorgang, in dem Wärmepumpenprozess 314, betrieben wird, wobei der Entladevorgang über den Rankine-Prozess 312 erfolgt, wird die zweite Joule-Anordnung 400 sowohl im zwei ten Beladevorgang, dem Wärmepumpenprozess 508, zur Beladung der Hochtempe ratur-Speichereinrichtung 410 betrieben, als auch im zweiten Entladevorgang, dem Wärmekraftprozess 510, zur Entladung der Hochtemperatur-Speichereinrichtung 410. Somit kann die zweite Joule-Anordnung 400, abgesehen von der energetischen Kopplung, losgelöst von dem Rankine-Kreislauf 101 arbeiten. Dabei sind vorzugs weise die Durchführung des zweiten Belade- und Entladevorgangs auf den Betrieb der ersten Joule-Anordnung 201 (Beladevorgang) und/oder des Rankine-Kreislaufes 101 (Entladevorgang) abgestimmt, z. B. wie nachfolgend beschreiben. So ist eine optimierte energetische Kopplung einhergehend mit einer Steigerung des Gesamt wirkungsgrades der Speicheranlage 10 erreichbar.
Die Abstimmung des Betriebs zur Einkopplung thermischer Energie aus der zweiten Joule-Anordnung 400 kann über unterschiedliche (alternative oder einander ergän zende) Mechanismen erfolgen. Bei der in Fig. 1, 2 und 3 gezeigten, beispielhaften Kopplung der Prozesse wird die thermische Energie aus der zweiten Joule- Anordnung 400, wie beschrieben, in Form von Verlustwärme 512 (4B‘ - 5B‘) auf der Niederdruckseite 409 ausgekoppelt und in den Rankine-Kreislauf 101 auf der Entla deseite 100 eingekoppelt. Dort dienst sie zur Flochdruck-Vorwärmung des Arbeitsflu ids stromauf der Dampferzeugungseinrichtung 108. Bei dieser Variante läuft vor zugsweise der zweite Entladevorgang der Joule Anordnung 400 parallel zu dem Ent ladevorgang über den Rankine-Kreislauf 101 ab. Denkbar wäre auch eine Zwischen speicherung der Verlustwärme 512.
Alternativ oder zusätzlich kann in einer hier nicht gezeigten Ausführungsvariante Verlustwärme aus der zweiten Joule-Anordnung 400 auf der Hochdruckseite 405 stromab der Hochtemperatur-Speichereinrichtung 410 und stromauf der Turbinen- A/erdichteranordnung 414 über die Wärmetauscheinrichtung 412 (4B - 5B) ausge koppelt und zur Niederdruck-Vorwärmung des Arbeitsfluids (Fig. 2: Zustandsände rung 2-3) z. B. über die Wärmetauscheinrichtung 104 eingekoppelt werden. In die sem Fall handelt es sich bei der Verlustwärme um Kompressionsabwärme des Ver dichters, welcher aufgrund dessen einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen darf. Bei dieser Variante läuft vorzugsweise der zweite Entladevorgang der Joule Anord nung 400 parallel zu dem Entladevorgang über den Rankine-Kreislauf 100 ab. Denk bar wäre auch eine Zwischenspeicherung der Verlustwärme. Aufgrund der Einkopplung von Wärme aus der zweiten Joule Anordnung 400 kann vorteilhaft auf eine Abzapfung aus der Dampfturbinenanordnung 110 zur Vorwär mung des Arbeitsfluids vor Verdampfung, wie im Stand der Technik üblich, verzichtet werden. So ist eine möglichst hohe Leistungsdichte bei dem Entladevorgang über den Rankine-Kreislauf 101 erreichbar.
Alternativ oder zusätzlich kann „Kälte“, d. h. Niedertemperatur-Wärme, aus der zwei ten Joule-Anordnung 400 ausgekoppelt und zur Kühlung und/oder Kondensation von Arbeitsfluid in den Rankine-Prozess 312 stromab der Dampfturbinenanordnung 110 eingekoppelt werden. Die Kälte wird aus der Niedertemperatur-Speichereinrichtung 416 entnommen. Die Niedertemperatur-Speichereinrichtung 416 ist vorzugsweise, wie in Fig. 1 gezeigt, mit der Niedertemperatur-Speichereinrichtung 210 der ersten Joule-Anordnung 201 thermisch gekoppelt. So kann die Kälte aus der zweiten Joule- Anordnung 400 mittelbar über die Niedertemperatur-Speichereinrichtung 210 auf der Beladeseite 200 in den Rankine-Prozess 312 eingekoppelt werden.
Der vorteilhafte Effekt der thermischen Kopplung der unterschiedlichen Prozesse kann dadurch optimiert werden, dass bei der zweiten Joule-Anordnung 400 während des Wärmepumpen-Prozesses 508 ein größeres Druckverhältnis zwischen dem Druck auf der Hochdruckseite 405 und der Niederdruckseite 409 vorgegeben wird als bei dem Wärmekraft-Prozess 510. Diese auch als „asymmetrisch“ bezeichnete Druckführung führt zu einer Verschiebung der Verlustwärme vorliegend beispielhaft von der Hochdruckseite 405 in dem zweiten Beladevorgang (Zustandsänderung 4 B- 5 B) hin auf die Niederdruckseite 409 in dem zweiten Entladevorgang (Zustandsän derung 4B‘ - 5B‘).
Ziel der asymmetrischen Druckführung ist die Steigerung des Gesamtwirkungsgra des der Speicheranlage 10. Der Wirkungsgrad der zweiten Joule-Anordnung 400 kann tendenziell reduziert werden. Vorliegend beträgt das Druckverhältnis innerhalb des Wärmepumpenprozesses 508 13 und innerhalb des Wärmekraftprozesses 510 9. Die Asymmetrie in den Druckverhältnissen von vorliegend 13/9 ist beispielhaft derart ausgelegt, dass die Verlustwärme 512 an den Wärmebedarf zur Hochdruck- Vorwärmung angepasst ist und diesen decken kann. Ein weiterer, wichtiger Aspekt ist die Eintrittstemperatur des Rankine-Arbeitsfluids in die Dampferzeugungseinrich tung 108. Diese sollte zur Reduktion thermischer Spannungen in der Dampferzeu gungseinrichtung zwischen 200 °C und 350 °C gewählt werden. Zusätzlich oder al ternativ kann die Auslegung z. B. darauf abzielen, die Verlustwärme auf der Hoch druckseite zu minimieren. Die Auslegung erfolgt unter Zugrundelegung der thermo dynamischen Zustandsgleichungen der entsprechenden Prozesse.
Fig. 4 zeigt eine weitere vorteilhafte Variante der Speicheranlage 10 bzw. des Ver fahrens zu deren Betrieb. Dabei ist die zweite Joule-Anordnung als offener Kreislauf ausgestaltet. Der Kreislauf zwischen der Wärmetauscheinrichtung 402 und der Nie dertemperatur-Speichereinrichtung 416 ist über Öffnungen 420, 422 zur Umgebung hin geöffnet. Als Wärmesenke während des zweiten Beladevorgangs wird die Umge bung genutzt. Bei dem zweiten Entladevorgang kann Luft aus der Umgebung als Ar beitsmedium angesaugt und verdichtet werden. An den Öffnungen 420, 422 liegen in diesem Falle Umgebungsbedingungen (pu, Tu) vor. Vorteilhafterweise kann so auf die Wärmetauscheinrichtung 412 auf der Hochdruckseite zur Kühlung verzichtet werden (in Fig. 4 symbolisiert durch Auskreuzung der Wärmetauscheinrichtung 412), was wiederum mit einer Reduktion des Investitionskostenaufwands und der Systemkom plexität einhergeht. Die ggf. vorhandene Behältereinrichtung 106 kann zu Tempera turspeicherzwecken genutzt werden.
Zusammenfassend dienen das beschriebene Verfahren und die gezeigte Speicher einrichtung 10 der Bereitstellung von effizienten und/oder standortunabhängigen Speicherkraftwerken zur Speicherung von elektrischer Energie.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Speicheranlage (10) zur Speicherung elektri scher Energie unter Umwandlung in thermische Energie, bei dem
- in einem Beladevorgang über eine Beladeseite (200) mittels einer Belade- Anordnung eine Hochtemperatur-Speichereinrichtung (130) unter Einspei cherung von, insbesondere eingespeister elektrischer, Energie in Form von thermischer Energie beladen wird und
- in einem Entladevorgang mittels eines Rankine-Prozesses (312) über eine Entladeseite (100) die Hochtemperatur-Speichereinrichtung (130) unter Aus speicherung der thermischen Energie aus der Hochtemperatur- Speichereinrichtung (130) und Umwandlung in elektrische Energie entladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzlich zu der Belade-Anordnung in der Speicheranlage (10) vor handene Energiewandelanordnung der Speicheranlage (10), in Ausbildung ei ner zweiten Joule-Anordnung (400) der Speicheranlage (10), mit einer Nieder druckseite (405) und einer Hochdruckseite (409) und dazwischen angeordneten Verdichter-/Turbinenanordnungen (406, 414), während des Beladevorgangs und/oder während des Entladevorgangs der Speicheranlage (10) in einem Wärmepumpenprozess (508) und/oder in einem Wärmekraft-Prozess (510) be trieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beladevorgang über einen Wärmepumpen-Prozess (314) innerhalb der Belade-Anordnung abläuft, wobei die Belade-Anordnung als eine erste Joule-Anordnung (201), umfassend eine Niederdruckseite (205) und eine Hochdruckseite (209), mit einer zwischengeordneten Verdichteranordnung (204) und Turbinenanordnung (208), ausgebildet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Joule-Anordnung (400) als Speicheranordnung betrieben wird, wobei eine hochdruckseitige Hochtemperatur-Speichereinrichtung (410) der zweiten Joule-Anordnung (400) in einem zweiten Beladevorgang mittels des Wärmepumpenprozesses (508) beladen wird und in einem zweiten Entladevor gang mittels des Wärmekraftprozesses (510) entladen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des zweiten Entladevorgangs und/oder des zweiten Beladevor gangs der zweiten Joule-Anordnung (400) und des Beladevorgangs über die Beladeseite (200) und/oder des Entladevorgangs über die Entladeseite (100) thermische Energie zwischen der zweiten Joule-Anordnung (200) und der Bela deseite (200) und/oder der Entladeseite (100) übertragen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Entladevorgang über die Entladeseite (100) zumindest zeitweise Wärme, die im Betrieb der zweiten Joule-Anordnung (400), insbesondere in dem zweiten Entladevorgang, anfällt, zur Vorwärmung von Arbeitsfluid in den Rankine-Prozess (314) stromauf einer Dampferzeugungseinrichtung (108) ein gekoppelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme aus der zweiten Joule-Anordnung (400) auf der Niederdruckseite (405) stromab der Verdichter-/Turbinenanordnung (404), insbesondere stromauf einer Niedertemperatur-Speichereinrichtung (416) über eine niederdruckseitige Wärmetauscheinrichtung (402), ausgekoppelt wird und zur Hochdruck-Vorwärmung des Arbeitsfluids eingekoppelt wird und/oder auf der Hochdruckseite (409) stromab der Hochtemperatur-Speichereinrichtung (410), stromauf der Verdichter-/Turbinenanordnung (414), ausgekoppelt wird und zur Niederdruck-Vorwärmung des Arbeitsfluids stromab einer Kondensa tionsanordnung (119) eingekoppelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Entladevorgang über die Entladeseite (100) zumindest zeitweise Kälte aus einer niederdruckseitigen Niedertemperatur-Speichereinrichtung (416) der zweiten Joule-Anordnung (400) zur Kühlung und/oder Kondensation von Arbeitsfluid in den Rankine-Prozess (312) stromab einer Dampfturbinenan ordnung (110) eingekoppelt wird, wobei z. B. die Kälte mittelbar über zumindest eine niederdruckseitige Niedertemperatur-Speichereinrichtung (210) der Bela deseite (200) übertragen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der zweiten Joule-Anordnung (400) bei dem Wärmepumpen-Prozess (508) ein größeres Druckverhältnis zwischen der Hochdruckseite (405) und der Niederdruckseite (409) vorgegeben wird als bei dem Wärmekraft-Prozess (510), wobei insbesondere das Druckverhältnis derart unterschiedlich ist, dass der Gesamtwirkungsgrad der Speicheranlage (10) gegenüber einem Prozess mit gleichen Druckverhältnissen erhöht wird, wobei insbesondere - zwischen dem Wärmepumpenprozess (508) und dem Wärmekraftprozess (510) anfallende Verlustwärme (512) auf den Bedarf zur Hochdruck- Vorwärmung des Arbeitsfluids abgestimmt wird und z. B. über die nieder druckseitige Wärmetauscheinrichtung (402) ausgekoppelt wird und/oder
- Verlustwärme über eine hochdruckseitige Wärmetauscheinrichtung (412) minimiert wird und/oder
- Verlustwärme über die hochdruckseitige Wärmetauscheinrichtung (412) auf den Bedarf zur Niederdruck-Vorwärmung des Arbeitsfluids abgestimmt wird.
9. Speicheranlage (10) zur Speicherung elektrischer Energie unter Umwandlung in thermische Energie, die insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, mit
- einer Hochtemperatur-Speichereinrichtung (130),
- einer Beladeseite (200) zur Beladung der Hochtemperatur-Speicher einrichtung (130) in einem Beladevorgang unter Einspeicherung von, insbe sondere eingespeister elektrischer, Energie in Form von thermischer Ener gie,
- einer Entladeseite (100), die zur Entladung der Hochtemperatur- Speichereinrichtung (130) unter Ausspeicherung der thermischen Energie und Umwandlung in elektrische Energie in einem Rankine-Prozess (312) ausgebildet ist, wobei die Entladeseite als Rankine-Kreislauf (101) umfas send eine Dampfturbinenanordnung (110), eine Kondensationsanordnung (119), Fördereinrichtungen (102, 103) und eine Dampferzeugungseinrichtung (108) ausgestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Speicheranlage (10) eine zweite Joule-Anordnung (400) in energetischer, insbesondere thermischer, Kopplung zu der Beladeseite (200) und/oder der Entladeseite (100) zum Betrieb während des Beladevorgangs und/oder während des Entladevorgangs als Wärmepumpenprozess und/oder als Wärmekraft-Prozess angeordnet ist.
10. Speicheranlage (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Beladeseite (200) ein Rekuperator (202) zur Wärmeübertragung zwischen auf der Hochdruckseite (205) und der Niederdruckseite (209) befindli chem Arbeitsmedium angeordnet ist.
11. Speicheranlage (10) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hochtemperatur-Speichereinrichtung (130) und der Dampf erzeugungseinrichtung (108) zu deren thermischer Kopplung eine Wärmetau scheranordnung (124), insbesondere ein mit einem gasförmigen Wärmeträger betriebener bzw. betreibbarer Wärmetauscherkreislauf, angeordnet ist.
12. Speicheranlage (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Beladeseite (200) zwei Arten von Niedertemperatur- Speichereinrichtungen (210, 212) strömungsmechanisch in Reihe angeordnet sind, wobei eine zur Speicherung von Wärme bei Temperaturen von größer 0 °C, insbesondere als Warmwasserspeicher, und eine zur Speicherung von Wärme bei Temperaturen von gleich oder kleiner 0 °C, z. B. als latenter oder sensibler Kältespeicher, ausgebildet ist.
13. Speicheranlage (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Joule-Anordnung (400) und/oder die Beladeseite (200) zumin dest eine Einrichtung zur Einkopplung von Energie zusätzlich zu der zur Ver dichtung benötigten Energie, z. B. elektrischer Energie und/oder fossiler Ener gie, aufweist/aufweisen, z. B. eine elektrische Heizeinrichtung (206) und/oder eine Brennereinrichtung (408).
14. Speicheranlage (10) nach Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Joule-Anordnung (400) auf der Niederdruckseite (405) eine Niedertemperatur-Speichereinrichtung (416) aufweist, wobei insbesondere die Niedertemperatur-Speichereinrichtung (416) der zweiten Joule-Anordnung (400) thermisch mit der Entladeseite (100) zur Kühlung des Arbeitsfluiddampfes stromab der Dampfturbinenanordnung (110) gekoppelt ist, insbesondere über thermische Kopplung mit der zumindest einen Niedertemperatur- Speichereinrichtung (210, 212) auf der Beladeseite (200).
15. Speicheranlage (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Joule-Anordnung (400) zur Vorwärmung des Arbeitsfluids stromauf der Dampferzeugungseinrichtung (108), insbesondere über eine Wärmetauscheinrichtung (402) z. B. zur Hochdruck-Vorwärmung des Arbeitsflu ids und/oder über eine Wärmetauscheinrichtung (412, 104) z. B. zur Nieder druck-Vorwärmung des Arbeitsfluids, thermisch mit der Entladeseite (100) ge koppelt ist.
16. Speicheranlage (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Joule-Anordnung (400) als offener Kreislauf ausgestaltet ist, der stromab bzw. stromauf der Niedertemperatur-Speichereinrichtung (416) und stromauf bzw. stromab der niederdruckseitigen Wärmetauscheinrichtung (402) jeweils über eine Öffnung (420, 422) zu der Umgebung hin geöffnet ist, wobei insbesondere die eine Behältereinrichtung (106) des Rankine-Kreislaufes (101) der Öffnung (420) stromauf bzw. stromab der niederdruckseitigen Wärmetau scheinrichtung (402) vor- bzw. nachgeschaltet ist, wobei die Behältereinrichtung (106) zu Wärmespeicherzwecken nutzbar bzw. genutzt ist.
17. Steuerungsprogramm für eine Steuereinrichtung umfassend Funktionen, die bewirken, dass eine Steuereinrichtung eine Speicheranlage nach einem der An sprüche 9 bis 16 derart steuert und/oder regelt, dass ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchgeführt wird.
18. Computerlesbares Medium, auf dem ein Steuerungsprogramm nach Anspruch 17 gespeichert ist.
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