EP4334574B1 - Verfahren zum betreiben einer speicheranlage, speicheranlage, steuerungsprogramm und computerlesbares medium - Google Patents

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EP4334574B1
EP4334574B1 EP22725374.7A EP22725374A EP4334574B1 EP 4334574 B1 EP4334574 B1 EP 4334574B1 EP 22725374 A EP22725374 A EP 22725374A EP 4334574 B1 EP4334574 B1 EP 4334574B1
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EP
European Patent Office
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arrangement
joule
pressure
low
charging
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Sergej Belik
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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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steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating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steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type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steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type the turbines having inter-stage steam heating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 by converting it into thermal energy, in which, in a loading process via a loading side by means of a loading arrangement, a high-temperature storage device is loaded by storing energy, in particular fed-in electrical energy, in the form of thermal energy, and in a discharging process by means of a Rankine process via a discharging side, the high-temperature storage device is discharged by removing the thermal energy from the high-temperature storage device and converting it into electrical energy.
  • a process of the above-mentioned type and a storage power plant are in the EP 2 759 679 A1
  • a thermal storage device for utilizing low-temperature heat is specified, comprising a first heat pump and a circuit 30 configured as a Rankine cycle.
  • a second heat pump 40 can be thermally connected upstream of the first heat pump 10.
  • the EP 3 054 155 A1 shows a high-temperature heat storage system which is thermally coupled on both a loading side and a discharging side and serves to generate steam in a discharging process.
  • the EP 2 101 051 A1 shows a power plant for utilizing excess capacity from a power grid, where electrical energy is stored directly in a heat storage unit via a heating element.
  • a Rankine cycle is used to discharge and reconvert the heat into electricity.
  • the EP 2 653 668 A1 shows a method and a system for storing and releasing thermal energy based on a Rankine process, which underlies the discharge cycle.
  • the WO 2015 / 131 940 A1 shows a high-temperature energy storage system with a first circuit configured as a heat pump and a fourth circuit configured as a steam power cycle.
  • the second and third circuits are thermal coupling circuits between the first and fourth circuits, respectively, and a thermal energy storage device.
  • a low-temperature heat source can be coupled into the first circuit and/or the fourth circuit.
  • the EP 2 942 492 A1 shows an electrical storage and discharge system for storing electrical energy as thermal energy.
  • the system includes a heat pump cycle and a water-steam cycle.
  • the WO 2017 / 065 683 A1 shows a method and a system for storing and generating electrical energy by means of heat, wherein a heat pump and at least one Rankine cycle, but no second heat pump, are present.
  • a key 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 at the outset 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.
  • an energy conversion arrangement present in the storage system in addition to the loading arrangement is designed as a second Joule arrangement (for carrying out a clockwise and/or counterclockwise Joule cycle), with a low-pressure side and a high-pressure side and compressor/turbine arrangements arranged between them - for compressing or expanding the working medium to the respective pressure level, is operated during the loading process and/or during the discharging process of the storage system in a heat pump process (as a counterclockwise Joule cycle) and/or in a thermal power process (as a clockwise Joule cycle).
  • the discharge process can, for example, involve a supercritical process found in modern coal-fired power plants, a conventional process involving evaporation and reheating of steam or organic working fluids, with the steam generation system designed accordingly.
  • the water-steam process is based, in particular, on the Clausius-Rankine cycle (CRC) as a reference process.
  • CRC Clausius-Rankine cycle
  • Other/additional steam processes are based, in particular, on the Organic Rankine cycle (ORC).
  • the Rankine cycle comprises a steam turbine arrangement, a condensing arrangement, conveying devices (feedwater pumps) and a steam generation device.
  • an extremely advantageous increase in efficiency can be achieved by conducting the charging process via a heat pump process within the charging arrangement, wherein the charging arrangement is designed as a first Joule arrangement comprising a low-pressure side and a high-pressure side, with an intermediate compressor arrangement and turbine arrangement.
  • the charging side is designed as a Joule arrangement.
  • the loading side in particular the first Joule arrangement, also has at least one low-temperature storage device on the low-pressure side for storing low-temperature heat, i.e., "cold,” generated by the first Joule arrangement, which is thermally coupled to the discharge side, in particular to the condensation arrangement.
  • This cold can advantageously be used to condense the Rankine working fluid in the discharge process, i.e., in the Rankine cycle.
  • the presence of the first Joule arrangement with the low-temperature storage device achieves advantageous location independence. This can be particularly advantageous in arid regions in conjunction with solar power generation, as cooling options are often rare there.
  • 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 operated as a storage arrangement, wherein a high-pressure-side high-temperature storage device of the second Joule arrangement is charged in a second charging process using the heat pump process and discharged in a second discharging process using the thermal power process.
  • the second Joule arrangement also has a low-temperature storage device on the low-pressure side, in which the generated low-temperature heat is stored. Due to the one or two separate storage devices, the second Joule arrangement can be operated independently of the charging process via the first Joule arrangement and/or the discharging process via the Rankine cycle, apart from an energetic coupling between the charging side and/or the discharging side. 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.
  • the overall efficiency is increased by transferring thermal energy between the second Joule arrangement of the discharge side during the second discharge process and/or the second charging process of the second Joule arrangement and the discharge process via the discharge side.
  • thermal energy can also be transferred between the second Joule arrangement and the loading side via the loading side.
  • the heat from the second Joule arrangement can be extracted on the low-pressure side downstream of the compressor/turbine arrangement, in particular upstream of a low-temperature heat storage unit via a low-pressure side heat exchanger, and fed into the 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 a thermal power process).
  • the heat is extracted on the high-pressure side downstream of the high-temperature storage device, upstream of the compressor/turbine arrangement, and coupled into a condenser arrangement for low-pressure preheating of the Rankine working fluid.
  • the second Joule arrangement is preferably in the second discharge process during the discharge process (Joule or Brayton cycle as a thermal power process).
  • the coupling of heat from the second Joule arrangement into the Rankine cycle makes it possible to dispense with the tapping of working fluid from the steam turbine arrangement for high-pressure preheating, which is common in the prior art. In this way, the power density within the Rankine cycle can be increased along 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 condensing the working fluid can be coupled into the Rankine process downstream of a steam turbine arrangement, for example, the cold being transferred indirectly via at least one low-pressure side low-temperature storage device of the loading side.
  • a larger pressure ratio between the high-pressure and low-pressure sides is specified in the second Joule arrangement in the heat pump process than in the thermal power process.
  • This so-called “asymmetric" pressure control results in a shift in the heat loss within the process control of the second Joule arrangement, which can be designed so that the heat loss is more advantageously utilized for the overall process, as shown below.
  • the initial design is based on the thermodynamic equations of state of the corresponding processes.
  • the pressure ratio can be different in such a way 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 ratios can, for example, be adjusted such that the heat loss is adapted to the heat demand for high-pressure preheating and can cover this at least partially or entirely.
  • the design can, for example, aim to minimize heat loss on the high-pressure side.
  • the pressure ratio can be different in such a way that heat loss occurring between the heat pump process and the thermal power process is matched to the need for high-pressure preheating of the Rankine working fluid and is extracted, for example, via the low-pressure side heat exchange device and/or that heat loss is minimized via a high-pressure side heat exchange device and/or that the heat loss via the high-pressure side heat exchange device is/are matched to the need for low-pressure preheating of the Rankine working fluid.
  • electrical energy can be extracted from the second Joule array during the thermal power process.
  • This energy can be used to meet the storage system's own needs (e.g., for fans, pumps, lighting, etc.) or fed into the power grid for further use.
  • a gaseous working medium e.g. air, argon, carbon dioxide or nitrogen
  • the high-temperature storage device and/or a low-temperature storage device is/are designed to transfer heat to the gaseous working medium and/or is/are integrated on the loading side so that the working medium of the heat pump process can flow through it.
  • the mass flow rate of the first Joule arrangement and/or the second Joule arrangement is preferably a multiple of the mass flow rate of working fluid (e.g. water/steam in the case of the CRC process) within the Rankine process.
  • the factor can e.g. B. between 2 and 10, depending on the process design and boundary conditions such as the amount of additional heat introduced, e.g. via a heating device.
  • recuperator on the loading side to transfer heat between the working fluid on the high-pressure and low-pressure sides.
  • the temperature within the high-temperature storage device is preferably raised to the storage temperature required to generate fresh steam (e.g., 600 °C at 270 to 300 bar). Additional heat can be introduced using the additional energy input device (e.g., a heating and/or burner device) to increase storage density. The remaining heat is recovered by the recuperator.
  • a heat exchanger arrangement in particular a heat exchanger circuit operated or operable with a gaseous heat transfer medium, 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 is/are 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 molten salt storage) and integrated directly into the heat exchange arrangement and the first Joule arrangement (i.e., so that the respective working medium can flow through it).
  • the high-temperature storage device of the second Joule arrangement can advantageously be designed as a high-temperature heat storage device (e.g. regenerator storage or liquid salt storage).
  • Cost advantages can be achieved if, particularly in a design for storing temperatures below 0 °C, two types of low-temperature storage devices are arranged fluidically in series on the loading side, one being designed to store heat at temperatures greater than 0 °C, in particular as a (cost-effective) hot water storage device, and one being designed to store heat at temperatures equal to or less than 0 °C, e.g. as a latent or sensible cold storage device.
  • the storage density in the high-temperature storage device of the first or second Joule arrangement can be further increased if the loading side and/or the second Joule arrangement have/have at least one device for coupling energy in addition to the energy required for compression, e.g., electrical energy and/or fossil energy, such as an electric heating device and/or a burner device.
  • the device is preferably arranged upstream (with respect to the loading process) or within or thermally coupled to the high-temperature storage device.
  • the second Joule arrangement can be designed as an open circuit, which is open 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 exchanger device (depending on the direction of the circuit).
  • This allows the environment to be used as a heat sink during the second charging process.
  • air from the environment can be drawn in and compressed as a working medium. In this case, ambient conditions prevail at the openings.
  • a preheating device of the Rankine cycle is connected upstream or downstream of the opening of the low-pressure side heat exchange device, wherein the preheating device is usable or used for heat storage purposes.
  • Fig. 1 shows a process diagram of a storage power plant designed as a storage facility 10 for storing, in particular, electrical energy by converting it into thermal energy.
  • energy e.g., electrically supplied
  • thermal energy stored in the form of high-temperature heat
  • 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 natural gas.
  • the storage system 10 comprises 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 loading side 200 and on a discharging side 100.
  • the storage system 10 For charging the high-temperature storage device 130, the storage system 10 has the charging side 200, which is designed for efficient charging as a heat pump arrangement, here in particular as a first Joule arrangement 201.
  • 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 integrated on the loading side.
  • two low-temperature storage devices 210, 212 are arranged, as an example, in this case. At least one of the low-temperature storage devices, here the low-temperature storage device 212, can be assigned an additional (feedwater) cooling system 214.
  • a turbine arrangement 208 for expansion and a compressor arrangement 204 for compression of the circulating working fluid 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 charging process of the storage system 10.
  • the Joule arrangement 201 has at least one device for 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, on the high-pressure side 205 upstream of, or alternatively within, the high-pressure storage device 130. This allows the storage density within the high-pressure storage device 130 to be increased.
  • a heating device 206 in the form of a flow heater and/or a burner device
  • the loading side 200 of the storage system 10 also includes a recuperator 202, which is arranged on the high-pressure side downstream of the high-pressure storage device 130 and on the low-pressure side upstream of the compressor arrangement 204.
  • an additional heat exchanger 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 enables additional heat (environmental heat and/or process waste heat) to be incorporated into the process in order to increase overall efficiency and reduce the temperature requirements of the recuperator.
  • the heat required for steam generation is stored in the high-pressure storage device 130.
  • the excess heat can be recovered to preheat the working medium to be compressed.
  • the Joule assembly 200 uses a gaseous working medium, such as air, nitrogen, argon, or carbon dioxide, during operation.
  • a gaseous working medium such as air, nitrogen, argon, or carbon dioxide
  • these are preferably designed for heat transfer to the gaseous working medium, for example as solid storage.
  • the storage system 10 has the discharge side 100, which is designed as a Rankine cycle 101, for operating with, for example, water or steam as the working medium.
  • the Clausius-Rankine cycle 101 comprises, as core components, a steam generator 108 and a steam turbine arrangement 110, which, during operation, drives a generator 118 for extracting electrical energy.
  • the steam turbine arrangement 110 in the present example, has a high-pressure turbine stage 112, a medium-pressure turbine stage 114, and a low-pressure turbine stage 116.
  • the steam generating device 108 serves to generate steam by coupling heat from the high-temperature storage device 130 during the discharge process.
  • the heat transfer from the high-temperature storage device 130 to the steam generating device 108 takes place, for example, via a heat exchange arrangement 124 in the form of a heat exchanger circuit, which comprises a conveying 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 designed as a solid-state storage device, can advantageously be directly through which the working medium of the heat exchange arrangement 124 flows.
  • the high-temperature storage device 130 can comprise 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 operation of the second Joule arrangement 400 can take place both in a heat pump process (charging of the second Joule arrangement 400, hereinafter also referred to as the "second charging process") and in a thermal power process (discharging of the second Joule arrangement 400, hereinafter also referred to as the "second discharging 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 therebetween.
  • a second high-temperature storage device 410 is arranged on the high-pressure side 405, and a second low-temperature storage device 416 is arranged on the low-pressure side 409.
  • 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 comprise a heating device 408 for the 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 incorporates additional heat (environmental heat or process waste heat) into the process in order to increase the overall efficiency.
  • thermodynamic states of the working media during the process are shown in the Fig. 2 and Fig. 3 shown temperature (T)-entropy (s) phase diagrams 300 and 500.
  • T temperature
  • s temperature-entropy
  • the temperatures in [°C] 302, 502 are plotted against the specific entropy s in [kJ/kgK] 304, 504.
  • states 1A - 7A (regarding the loading 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 (regarding operation of the second Joule arrangement 400 in the heat pump process 508) and 1B' - 6B' (regarding operation of the second Joule arrangement 400 in the thermal power process 510) shown in the state diagram 500 are shown at the corresponding procedural point in Fig. 1 specified.
  • 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 unloading process of the storage system 10, ie during the Rankine process 312 within the Rankine cycle 101.
  • a supercritical water-steam process is shown, as is operated, for example, in modern coal-fired power plants.
  • Fig. 3 includes the states within the second Joule arrangement 400, which is operated as a storage arrangement in the second charging process, the heat pump process 508, for charging the high-temperature storage device 410, and a second discharging process, the thermal power process 510, for discharging the high-temperature storage device 410.
  • the illustrated processes 508, 510 include real effects such as heat loss due to irreversibility.
  • an isobaric heating 1A-2A of approximately 20 °C to just under 200 °C takes place from state 1A by means of the recuperator 202.
  • the additional heat exchange device 220 can be integrated at point 1A-2A (cf. Fig. 1 ), which incorporates additional heat (environmental heat or accumulating process waste heat) at a temperature level between, for example, 60 °C and 100 °C into the process in order to increase overall efficiency and to reduce the temperature requirements of the recuperator.
  • the low-temperature heat, i.e., "cold,” subsequently generated by polytropic expansion (5A-6A) via the turbine arrangement 208 to a temperature of, for example, -100°C is temporarily stored in the low-temperature storage devices 210, 212 for use during the discharge process (6A-7A, 7A-1A).
  • the storage device 210 can be configured as a latent or sensible cold storage device for temperatures less than or equal to 0°C
  • the second storage device 212 can be configured, for example, as a cost-effective hot water storage device for temperatures greater than 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 fresh steam, at, for example, 600 °C and 270 bar to 300 bar.
  • the corresponding Rankine process 312 is shown in relation to a bell-shaped curve 308 representing the characteristic behavior of the working fluid water for the change of state of water above the wet steam region 310.
  • the Rankine process 312 which is based on the Clausius-Rankine process as a comparison process, in state changes 1-2 and 2-3, the pressure of the working medium—in this state, the working fluid in liquid form—is increased via the conveying devices 102 and/or 103.
  • the working fluid is then preheated via the condensation arrangement 119 in state changes 2-3 (low-pressure preheating) and 3-4 (high-pressure preheating).
  • the heat required for this purpose is provided in particular at least largely by means of the second Joule arrangement 400, as described in connection with Fig. 3 explained.
  • 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 approximately 600 °C and 270 bar to 300 bar in state changes 4-5.
  • the superheated steam generated is then expanded via the steam turbine arrangement 110 in the individual stages (state changes 5 - 9).
  • intermediate superheating can advantageously occur between the high-pressure turbine stage 112 and the medium-pressure turbine stage 114 via further supply of heat from the high-temperature storage device 130, Q 130 .
  • the electrical power generated is coupled out via the generator 118.
  • a significant increase in current-to-current efficiency from, for example, 60% to 70% can be achieved by energetically coupling the loading side 200 and/or discharging side 100 of the storage system 10 with the second Joule arrangement 400, as described below.
  • Fig. 3 shows in the state diagram 500 the sequence of the second charging process (heat pump process 508) and the second discharging process (thermal power process 510), which are initially described separately from the first charging process and discharging process of the storage system 10.
  • the types of state changes via the 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.
  • an isobaric heating 1B-2B takes place from state 1B by means of the low-temperature storage device 416.
  • the additional heat exchanger device 424 can be integrated at the point 1B-2B downstream of the low-temperature storage device 416, which heat exchanger device 424 can exchange additional heat (environmental heat or accumulating process waste heat) with a temperature level between, for example, B. 60 °C and 100 °C are incorporated into the process in order to increase the overall efficiency and to reduce the temperature requirements of the recuperator.
  • the compression 2B - 3B, here polytropic, takes place to a pressure of 13 bar and a temperature between 400 °C and 600 °C.
  • an optional isobaric heating via the heating device 480 to a state 3b takes place. This high-temperature heat is temporarily stored in the high-temperature storage device 410.
  • the heat exchanger device 412 offers the option of extracting waste heat Q 412 (state change 4B-5B), which is not used here, however.
  • state 6B 1B
  • the temperature is between -100 °C and -20 °C and the pressure is 1 bar.
  • the low-temperature heat carried in the working medium is then stored in the low-temperature storage device 416 (5B' - 1B').
  • the second Joule arrangement 400 is operated both in the second charging process, the heat pump process 508, for charging the high-temperature storage device 410, and in the second discharging process, the thermal power process 510, for discharging the high-temperature storage device 410.
  • the second Joule arrangement 400 apart from the energetic Coupling, operating independently of the Rankine cycle 101.
  • the execution of the second charging and discharging process is coordinated with the operation of the first Joule arrangement 201 (charging process) and/or the Rankine cycle 101 (discharging process), e.g., as described below.
  • This allows for optimized energy coupling, accompanied by an increase in the overall efficiency of the storage system 10.
  • the adjustment of the operation for coupling thermal energy from the second Joule arrangement 400 can be carried out via different (alternative or complementary) mechanisms.
  • Fig. 1 , 2 and 3 In the exemplary coupling of the processes shown, the thermal energy from the second Joule arrangement 400, as described, is extracted in the form of heat loss 512 (4B' - 5B') on the low-pressure side 409 and coupled into the Rankine cycle 101 on the discharge side 100. There, it serves for the high-pressure preheating of the working fluid upstream of the steam generating device 108.
  • the second discharge process of the Joule arrangement 400 preferably runs parallel to the discharge process via the Rankine cycle 101. Intermediate storage of the heat loss 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 extracted via the heat exchange device 412 (4B - 5B) and used for low-pressure preheating of the working fluid ( Fig. 2 : State change 2-3), e.g., via the heat exchanger device 104.
  • the waste heat is compression waste heat from the compressor, which may therefore have a lower efficiency.
  • the second discharge process of the Joule arrangement 400 preferably runs parallel to the discharge process via the Rankine cycle 100. Intermediate storage of the waste heat would also be conceivable.
  • "cold,” ie, low-temperature heat, can be extracted from the second Joule arrangement 400 and coupled into the Rankine cycle 312 downstream of the steam turbine arrangement 110 for cooling and/or condensing working fluid.
  • the cold is extracted from the low-temperature storage device 416.
  • the low-temperature storage device 416 is preferably, as in Fig. 1 shown, thermally coupled to the low-temperature storage device 210 of the first Joule arrangement 201.
  • the cold from the second Joule arrangement 400 can be indirectly coupled into the Rankine cycle 312 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 larger 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 "asymmetrical" leads to a shift of the heat loss, in this case for example, from the high-pressure side 405 in the second loading process (state change 4B-5B) to the low-pressure side 409 in the second discharging process (state change 4B'-5B').
  • the aim of the asymmetric 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 asymmetry in the pressure ratios of 13/9 in this case is designed, for example, such that the heat loss 512 is adapted to the heat demand for high-pressure preheating and can cover it.
  • Another important aspect is the inlet temperature of the Rankine working fluid into the steam generation device 108. This should be selected between 200 °C and 350 °C to reduce thermal stresses in the steam generation device.
  • the design can aim, for example, to minimize 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 its operation.
  • the second Joule arrangement is designed as an open circuit.
  • the circuit between the heat exchanger device 402 and the low-temperature storage device 416 is open to the environment via openings 420, 422.
  • the environment is used as a heat sink during the second charging process.
  • air can be sucked in from the environment as a working medium and compressed.
  • ambient conditions p u , T u
  • the heat exchanger device 412 on the high-pressure side for cooling can be dispensed with (in Fig. 4 symbolized by the cross-connection of the heat exchanger device 412), which in turn is accompanied by a reduction in investment costs and system complexity.
  • the container device 106 if present, can be used for temperature storage purposes.
  • the described method and the storage device 10 shown serve to provide efficient and/or location-independent storage power plants for storing electrical energy.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Speicheranlage zur Speicherung elektrischer Energie unter Umwandlung in thermische Energie, bei dem in einem Beladevorgang über eine Beladeseite mittels einer Belade-Anordnung eine Hochtemperatur-Speichereinrichtung unter Einspeicherung von, insbesondere eingespeister 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 Energie entladen wird.
  • Der zunehmende Anteil erneuerbarer Energien, wie Strom aus Photovoltaik- oder Windkraftanlagen, erfordert einen deutlichen Ausbau von elektrischen Speicherkapazitäten. Speicherkraftwerke in großem Maßstab sowie die Ertüchtigung von Kohlekraftwerken 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 2 759 679 A1 angegeben. Dabei ist eine thermische Speichereinrichtung zur Nutzung von Niedertemperatur-Wärme mit einer ersten Wärmepumpe und einem als Rankine-Kreislauf ausgestalteten Kreislauf 30 angegeben. Der ersten Wärmepumpe 10 kann eine zweite Wärmepumpe 40 wärmetechnisch vorgeschaltet sein.
  • Die EP 3 054 155 A1 zeigt ein Hochtemperatur-Wärmespeichersystem, welches sowohl auf einer Beladeseite als auch auf einer Entladeseite thermisch eingekoppelt ist und zur Dampferzeugung in einem Entladeprozess dient.
  • Die 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 Wärme wird ein Rankine-Kreislauf genutzt.
  • Die 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 Entladezyklus zugrunde liegt.
  • In der WO 2021 / 026 863 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 entladen wird.
  • Die WO 2015 / 131 940 A1 zeigt eine Hochtemperatur-Energiespeicheranlage mit einem als Wärmepumpe ausgestalteten ersten Kreislauf und einem als Wasserdampfkraft-Kreisprozess ausgestalteten vierten Kreislauf. Der zweite Kreislauf und der dritte Kreislauf sind jeweils thermische Kopplungs-Kreisläufe zwischen dem ersten bzw. vierten Kreislauf und einem thermischen Energiespeicher. In den ersten Kreislauf und/oder in den vierten Kreislauf kann eine Niedertemperatur-Wärmequelle eingekoppelt werden.
  • Die EP 2 942 492 A1 zeigt ein elektrisches Speicher- und Entladungssystem zur Speicherung elektrischer Energie als thermische Energie. Das System umfasst einen Wärmepumpenzyklus und einen Wasser-Dampf-Zyklus.
  • Die WO 2017 / 065 683 A1 zeigt ein Verfahren und ein System zur Speicherung und Erzeugung von elektrischer Energie mittels Wärme, wobei eine Wärmepumpe und zumindest ein Rankine-Zyklus, jedoch keine zweite Wärmepumpe, vorhanden sind.
  • Eine zentrale Herausforderung zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit ist die Verbesserung der Energie- und Kosteneffizienz derartiger Speicherkraftwerke.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem der Gesamtwirkungsgrad (Strom-zu-Strom-Wirkungsgrad) einer Speicheranlage der eingangs genannten Art erhöht werden kann, sowie eine Speicheranlage 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 7, für das Steuerungsprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und für das computerlesbare Medium mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
  • Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass eine zusätzlich zu der Beladeanordnung in der Speicheranlage vorhandene Energiewandelanordnung in Ausbildung einer zweiten Joule-Anordnung (zur Durchführung eines rechts- und/oder linkslaufenden Joule-Kreisprozesses), 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 Entladevorgangs der Speicheranlage in einem Wärmepumpenprozess (als linkslaufender 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 110 560.6, eingereicht am 17. April 2020 beim Deutschen Patent- und Markenamt, angegeben, wobei selbige dort als eigenständige Thermopotentialspeicheranlage, ohne Einkopplung in eine umgebende Speicheranlage, entnehmbar ist.
  • Bei dem Entladevorgang kann es sich beispielsweise um einen überkritischen Prozess 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 Vergleichsprozess zugrunde. Anderen/Weiteren Dampf-Prozessen liegt insbesondere der Organic-Rankine-Prozess (ORC) als Vergleichsprozess zugrunde.
  • Der Rankine-Kreislauf umfasst eine Dampfturbinenanordnung, eine Kondensationsanordnung, Fördereinrichtungen (Speisewasserpumpen) und eine Dampferzeugungseinrichtung.
  • Eine äußerst vorteilhafte Wirkungsgradsteigerung lässt sich erfindungsgemäß dadurch erzielen, dass der Beladevorgang über einen Wärmepumpen-Prozess innerhalb der Belade-Anordnung abläuft, wobei die Belade-Anordnung als eine erste Joule-Anordnung umfassend eine Niederdruckseite und eine Hochdruckseite, mit einer zwischengeordneten Verdichteranordnung und Turbinenanordnung, ausgebildet ist. Somit ist die Beladeseite als Joule-Anordnung ausgestaltet. Auf diese Weise wird in einer Art Hybridspeicheranlage 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, zudem 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 Kondensation 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, welche 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. Zudem entsteht durch die Entkopplung der Kühltemperatur von Umgebungsbedingungen 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 betrieben, wobei eine hochdruckseitige Hochtemperatur-Speichereinrichtung der zweiten Joule-Anordnung in einem zweiten Beladevorgang mittels des Wärmepumpenprozesses beladen wird und in einem zweiten Entladevorgang mittels des Wärmekraftprozesses 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 Entladeseite, unabhängig von dem Beladevorgang über die erste Joule-Anordnung und/oder den Entladevorgang über den Rankine-Prozess betreiben. Dies erlaubt eine optimierte Auslegung des Betriebs der zweiten Joule-Anordnung hinsichtlich der energetischen Kopplung zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades der Speicheranlage.
  • Zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades trägt erfindungsgemäß bei, dass während des zweiten Entladevorgangs und/oder des zweiten Beladevorgangs der zweiten Joule-Anordnung und des Entladevorgangs über die Entladeseite thermische Energie zwischen der zweiten Joule-Anordnung der Entladeseite übertragen wird. Vorzugsweise kann zudem während des zweiten Entladevorgangs und/oder des zweiten Beladevorgangs der zweiten Joule-Anordnung und des Beladevorgangs über die Beladeseite thermische Energie zwischen der zweiten Joule-Anordnung und der Beladeseite übertragen wird.
  • Eine vorteilhafte Variante der Energieübertragung besteht darin, dass bei dem Entladevorgang 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 vorliegt, in den Rankine-Prozess stromauf einer Dampferzeugungseinrichtung eingekoppelt wird.
  • Vorteilhafterweise kann dabei die Wärme aus der zweiten Joule-Anordnung auf der Niederdruckseite stromab der Verdichter-/Turbinenanordnung, insbesondere stromauf eines Niedertemperatur-Wärmespeichers über eine niederdruckseitige Wärmetauscheinrichtung, ausgekoppelt werden und zur Hochdruck-Vorwärmung des Rankine-Arbeitsfluids eingekoppelt werden. Dazu wird vorzugsweise die zweite Joule-Anordnung während des Entladevorgangs der Speicheranlage im zweiten Entladevorgang (Joule- bzw. Brayton-Prozess als Wärmekraft-Prozess) betrieben.
  • Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Wärme auf der Hochdruckseite stromab der Hochtemperatur-Speichereinrichtung, stromauf der Verdichter-/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 Entladevorgangs 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 Arbeitsfluids aus der Dampfturbinenanordnung zur Hochdruck-Vorwärmung zu verzichten. 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 Niedertemperatur-Speichereinrichtung der Beladeseite übertragen wird.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens wird bei der zweiten Joule-Anordnung bei dem Wärmepumpen-Prozess ein größeres Druckverhältnis 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 Verlustwärme vorteilhafter für den Gesamtprozess nutzbar ist, wie nachfolgend beispielhaft angegeben. Die anfängliche Auslegung erfolgt unter Zugrundelegung der thermodynamischen Zustandsgleichungen der entsprechenden Prozesse.
  • Insbesondere kann das Druckverhältnis derart unterschiedlich sein, dass der Gesamtwirkungsgrad 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 zwischen dem Wärmepumpenprozess und dem Wärmekraftprozess anfallende Verlustwärme auf den Bedarf zur Hochdruck-Vorwärmung des Rankine-Arbeitsfluids abgestimmt ist und z. B. über die niederdruckseitige Wärmetauscheinrichtung ausgekoppelt wird und/oder dass Verlustwärme über eine hochdruckseitige Wärmetauscheinrichtung 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, Beleuchtung, 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 Arbeitsmedium, 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 ausgebildet und/oder von dem Arbeitsmedium des Wärmepumpen-Prozesses durchströmbar auf der Beladeseite eingebunden. Um den Wärmebedarf für die Dampferzeugung und Überhitzung des Rankine-Arbeitsfluiddampfes zu decken, beträgt vorzugsweise der Massendurchsatz der ersten Joule-Anordnung und/oder der zweiten Joule-Anordnung ein Vielfaches des Massendurchsatzes an Arbeitsfluid (z. B. Wasser/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 angegeben. 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 Hochdruckseite und der Niederdruckseite befindlichem Arbeitsmedium angeordnet ist. Vorzugsweise wird bei dem Beladevorgang die Temperatur innerhalb der Hochtemperatur-Speichereinrichtung auf die notwendige Speichertemperatur zur Erzielung von Frischdampf (z. B. 600 °C bei 270 bar bis 300 bar) angehoben. Dabei kann zusätzlich 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 Wärmeübertragung an ein gasförmiges Arbeitsmedium ausgebildet und/oder von dem Arbeitsmedium des Wärmepumpen-Prozesses durchströmbar auf der Beladeseite eingebunden. So kann die Hochtemperatur-Speichereinrichtung beispielsweise als effizienter Hochtemperatur-Wärmespeicher (z. B. Regeneratorspeicher oder Flüssigsalzspeicher) ausgebildet und unmittelbar in die Wärmetauschanordnung und in die erste Joule-Anordnung (d. h. vom jeweiligen Arbeitsmedium durchströmbar) eingebunden sein. Auch die Hochtemperatur-Speichereinrichtung der zweiten Joule-Anordnung kann vorteilhaft als Hochtemperatur-Wärmespeicher (z. B. Regeneratorspeicher 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 angeordnet sind, wobei eine zur Speicherung von Wärme bei Temperaturen von größer 0 °C, insbesondere als (kostengünstiger) Warmwasserspeicher, und eine zur Speicherung 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. zweiten 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 (bezüglich des Beladevorgangs) bzw. innerhalb oder in thermische Kopplung zu der Hochtemperatur-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 Wärmetauscheinrichtung (je nach Richtung des Kreislaufes) jeweils über eine Öffnung zu der Umgebung hin geöffnet ist. So kann als Wärmesenke während des zweiten Beladevorgangs 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 verzichtet werden, was mit einer Reduktion des Investitionskostenaufwands und der Systemkomplexität 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 Bezugnahme 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 (Beladevorgang) 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 ablaufenden Joule-Prozesses während des Beladevorgangs und des Entladevorgangs, und
    Fig. 4
    ein Verfahrensschema eines weiteren Beispiels einer erfindungsgemäßen Speicheranlage, mit der zweiten Joule-Anordnung als offener Kreisprozess.
  • Fig. 1 zeigt ein Verfahrensschema eines Speicherkraftwerks in Ausbildung als Speicheranlage 10 zur Speicherung insbesondere elektrischer Energie unter Umwandlung in thermische Energie. Dabei wird, z. B. elektrisch eingebrachte, Energie, in thermische Energie umgewandelt, in Form von Hochtemperatur-Wärme eingespeichert 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 fossilen Quellen, beispielsweise aus Umsetzung eines brennbaren Energieträgers wie z. B. Erdgas, handeln.
  • Wie Fig. 1 zeigt, umfasst die Speicheranlage 10 eine Hochtemperatur-Speichereinrichtung 130 zur Speicherung der zugeführten Energie in Form von Hochtemperaturwärme (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 Wärmepumpenanordnung, 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 beladeseitig angeordnet bzw. eingebunden. Auf der Niederdruckseite 209 sind vorliegend beispielhaft zwei Niedertemperatur-Speichereinrichtungen 210, 212 angeordnet. Zumindest einer der Niedertemperatur-Speichereinrichtungen, hier der Niedertemperatur-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 Entladevorgang entkoppelt werden.
  • Zwischen der Hochdruckseite 205 und der Niederdruckseite 209 sind eine Turbinenanordnung 208 zur Entspannung und eine Verdichteranordnung 204 zur Verdichtung von in Kreislauf geführtem Arbeitsmedium angeordnet. Über die Verdichteranordnung 204 kann während des Beladevorgangs der Speicheranlage 10 zu speichernde Energie eingekoppelt werden.
  • Weiterhin weist die Joule-Anordnung 201 auf der Hochdruckseite 205 stromauf, alternativ innerhalb, der Hochdruck-Speichereinrichtung 130 zumindest eine Einrichtung zur zusätzlichen isobaren Einbringung von (elektrischer und/oder fossiler) Energie, 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 umfasst die Beladeseite 200 der Speicheranlage 10 zudem einen Rekuperator 202, der hochdruckseitig stromab der Hochdruck-Speichereinrichtung 130 und niederdruckseitig 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 Vorwärmung des zu verdichtenden Arbeitsmediums rekuperiert werden.
  • Die Joule-Anordnung 200 verwendet im Betrieb ein gasförmiges Arbeitsmedium, beispielsweise Luft, Stickstoff, Argon oder Kohlendioxid. Um die Speichereinrichtungen 130, 210, 212 unmittelbar in den Kreislauf einbinden zu können, sind diese vorzugsweise zur Wärmeübertragung an das gasförmige Arbeitsmedium ausgebildet, beispielsweise 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 umfasst als Kernkomponenten eine Dampferzeugungseinrichtung 108 und eine Dampfturbinenanordnung 110, die im Betrieb einen Generator 118 zur Auskopplung von elektrischer Energie betreibt. Die Dampfturbinenanordnung 110 weist vorliegend beispielhaft 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 Wärmetauscheinrichtung 104 zur Niederdruck-Vorwärmung, eine Behältereinrichtung 106 und eine Wärmetauscheinrichtung 402 zur Hochdruck-Vorwärmung. Eine Fördereinrichtung 102 fördert im Betrieb das Arbeitsfluid im Kreislauf.
  • Die Dampferzeugungseinrichtung 108 dient zur Dampferzeugung unter Wärmeeinkopplung aus der Hochtemperatur-Speichereinrichtung 130 während des Entladevorgangs. Die Wärmeübertragung aus der Hochtemperatur-Speichereinrichtung 130 in die Dampferzeugungseinrichtung 108 erfolgt hierbei beispielhaft über eine Wärmetauschanordnung 124 in Form eines Wärmetauscherkreislaufs, der eine Fördereinrichtung 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 Feststoff-Speicher ausgebildete Hochtemperatur-Speichereinrichtung 130 unmittelbar von dem Arbeitsmedium der Wärmetauschanordnung 124 durchströmt werden. Alternativ kann die Hochtemperatur-Speichereinrichtung 130 eine Hochtemperatur-Speicherkomponente und eine Wärmetauscheinrichtung aufweisen, mittels der im Betrieb Hochtemperatur-Wärme zwischen dem Arbeitsmedium und der Hochtemperatur-Speicherkomponente übertragen wird.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Speicheranlage 10 einen weiteren Kreislauf in Ausbildung einer zweiten Joule-Anordnung 400, die während des Beladevorgangs und/oder Entladevorgangs der Speicheranlage 10 betrieben werden kann. Der Betrieb der zweiten Joule-Anordnung 400 kann sowohl in einen Wärmepumpenprozess (Beladung der zweiten Joule-Anordnung 400, im Weiteren auch "zweiter Beladevorgang") 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 Niederdruckseite 409, sowie dazwischen angeordnete Verdichter-/ Turbinenanordnungen 404, 414. Auf der Hochdruckseite 405 ist eine zweite Hochtemperatur-Speichereinrichtung 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 Wärmetauscheinrichtung 412 und/oder auf der Niederdruckseite 409 eine Wärmetauscheinrichtung 402 auf. Zudem kann die zweite Joule-Anordnung 400 eine Heizeinrichtung 408 zur isobaren Einkopplung elektrischer und/oder fossiler Energie bzw. Wärme umfassen.
  • Optional kann zwischen der Niedertemperatur-Speichereinrichtung 416 und der Wärmetauscheinrichtung 402 eine zusätzliche Wärmetauscheinrichtung 424 integriert 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 dabei in den in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Temperatur(T)-Entropie(s)-Zustandsdiagrammen 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 Zustände 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 zweiten Joule-Anordnung 400 im Wärmepumpenprozess 508) bzw. 1B' - 6B' (bzgl. Betrieb der zweiten Joule-Anordnung 400 im Wärmekraftprozess 510) sind an verfahrenstechnisch 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 beispielhafter Rankine-Prozess 312 ist ein überkritischer Wasser-Dampf-Prozess gezeigt, 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 Hochtemperatur-Speichereinrichtung 410 und einem zweiten Entladevorgang, dem Wärmekraft-Prozess 510, zur Entladung der Hochtemperatur-Speichereinrichtung 410 betrieben wird. Die dargestellten Prozesse 508, 510 umfassen 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 Wärmetauscheinrichtung 220 integriert sein (vgl. Fig. 1), 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. Nach einer anschließenden polytropen Verdichtung (Zustandsänderung 2A-3A) über die Verdichteranordnung 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 vorliegend beispielhaft rund 650 °C an die Hochtemperatur-Speichereinrichtung 130 übertragen, wo sie bis zur Entnahme über den Entnahmevorgang gespeichert wird. Weitere Wärme wird über den Rekuperator 202 an niederdruckseitiges Arbeitsmedium abgegeben (4A - 5A). In dem Zustand 5A beträgt die Temperatur des Arbeitsmediums hier beispielhaft etwa 60 °C.
  • Die anschließend mittels polytroper Entspannung (5A - 6A) über die Turbinenanordnung 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 vorliegend, 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 kostengünstiger 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 Fördereinrichtungen 216, 218 aufweisen.
  • Bei dem Entladevorgang wird die in der Hochtemperatur-Speichereinrichtung gespeicherte 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 abbildenden Glockenkurve 308 für die Zustandsänderung von Wasser über dem Nassdampfgebiet 310 dargestellt. Dabei erfolgt gemäß dem Rankine-Prozess 312, dem der Clausius-Rankine-Prozess als Vergleichsprozess zu Grunde liegt, in der Zustandsänderung 1-2 sowie 2-3 eine Druckerhöhung des Arbeitsmediums, in diesem Zustand 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 zumindest großteils mittels der zweiten Joule-Anordnung 400 bereitgestellt, wie im Zusammenhang 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, vorteilhafterweise eine Zwischenüberhitzung zwischen der Hochdruckturbinenstufe 112 und der Mitteldruckturbinenstufe 114 über weitere Zufuhr von Wärme aus der Hochtemperatur-Speichereinrichtung 130, Q130, erfolgen. Die erzeugte elektrische Leistung wird über den Generator 118 ausgekoppelt.
  • Zur Schließung des Kreisprozesses erfolgt anschließend die Kondensation (Zustandsänderung 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 Entladevorgang der Speicheranlage 10 beschrieben werden. Die Arten der Zustandsänderungen über die Zustände 1B - 6B im zweiten Beladevorgang zur Beladung der Hochtemperatur-Speichereinrichtung 410 und der Niedertemperatur-Speichereinrichtung 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 Hochtemperaturwärme wird in der Hochtemperatur-Speichereinrichtung 410 zwischengespeichert. Über die Wärmetauscheinrichtung 412 besteht die Möglichkeit der Auskopplung 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 Arbeitsmedium 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 Zustand 2B' mit einem Druck von beispielsweise 9 bar gebracht. Anschließend wird mittels des Arbeitsmediums in einer isobaren Zustandsänderung 2B' - 3B' Hochtemperatur-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 Verdichter-/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 Realeffekten 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 zweiten Beladevorgang, dem Wärmepumpenprozess 508, zur Beladung der Hochtemperatur-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 vorzugsweise 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 Gesamtwirkungsgrades der Speicheranlage 10 erreichbar.
  • Die Abstimmung des Betriebs zur Einkopplung thermischer Energie aus der zweiten Joule-Anordnung 400 kann über unterschiedliche (alternative oder einander ergänzende) 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 Entladeseite 100 eingekoppelt. Dort dienst sie zur Hochdruck-Vorwärmung des Arbeitsfluids stromauf der Dampferzeugungseinrichtung 108. Bei dieser Variante läuft vorzugsweise der zweite Entladevorgang der Joule Anordnung 400 parallel zu dem Entladevorgang über den Rankine-Kreislauf 101 ab. Denkbar wäre auch eine Zwischenspeicherung 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-/Verdichteranordnung 414 über die Wärmetauscheinrichtung 412 (4B - 5B) ausgekoppelt und zur Niederdruck-Vorwärmung des Arbeitsfluids (Fig. 2: Zustandsänderung 2-3) z. B. über die Wärmetauscheinrichtung 104 eingekoppelt werden. In diesem Fall handelt es sich bei der Verlustwärme um Kompressionsabwärme des Verdichters, welcher aufgrund dessen einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen darf. Bei dieser Variante läuft vorzugsweise der zweite Entladevorgang der Joule Anordnung 400 parallel zu dem Entladevorgang über den Rankine-Kreislauf 100 ab. Denkbar 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 Vorwärmung 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 zweiten 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 (Zustandsänderung 4B' - 5B').
  • Ziel der asymmetrischen Druckführung ist die Steigerung des Gesamtwirkungsgrades 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 Dampferzeugungseinrichtung 108. Diese sollte zur Reduktion thermischer Spannungen in der Dampferzeugungseinrichtung zwischen 200 °C und 350 °C gewählt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Auslegung z. B. darauf abzielen, die Verlustwärme auf der Hochdruckseite zu minimieren. Die Auslegung erfolgt unter Zugrundelegung der thermodynamischen Zustandsgleichungen der entsprechenden Prozesse.
  • Fig. 4 zeigt eine weitere vorteilhafte Variante der Speicheranlage 10 bzw. des Verfahrens zu deren Betrieb. Dabei ist die zweite Joule-Anordnung als offener Kreislauf ausgestaltet. Der Kreislauf zwischen der Wärmetauscheinrichtung 402 und der Niedertemperatur-Speichereinrichtung 416 ist über Öffnungen 420, 422 zur Umgebung hin geöffnet. Als Wärmesenke während des zweiten Beladevorgangs wird die Umgebung genutzt. Bei dem zweiten Entladevorgang kann Luft aus der Umgebung als Arbeitsmedium 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 Systemkomplexität einhergeht. Die ggf. vorhandene Behältereinrichtung 106 kann zu Temperaturspeicherzwecken genutzt werden.
  • Zusammenfassend dienen das beschriebene Verfahren und die gezeigte Speichereinrichtung 10 der Bereitstellung von effizienten und/oder standortunabhängigen Speicherkraftwerken zur Speicherung von elektrischer Energie.

Claims (16)

  1. 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, wobei der Beladevorgang über einen Wärmepumpen-Prozess (314) innerhalb der Belade-Anordnung abläuft, die als eine erste Joule-Anordnung (201), umfassend eine Niederdruckseite (205) und eine Hochdruckseite (209), mit einer zwischengeordneten Verdichteranordnung (204) und Turbinenanordnung (208), ausgebildet ist, 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,
    wobei eine zusätzlich zu der Belade-Anordnung in der Speicheranlage (10) vorhandene Energiewandelanordnung in Ausbildung einer zweiten Joule-Anordnung (400), 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, wobei insbesondere während des zweiten Entladevorgangs und/oder des zweiten Beladevorgangs der zweiten Joule-Anordnung (400) und des Beladevorgangs über die Beladeseite (200) thermische Energie zwischen der zweiten Joule-Anordnung (200) und der Beladeseite (200) übertragen wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass während des zweiten Entladevorgangs und/oder des zweiten Beladevorgangs der zweiten Joule-Anordnung (400) und des Entladevorgangs über die Entladeseite (100) thermische Energie zwischen der zweiten Joule-Anordnung (200) und der Entladeseite (100) übertragen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    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 Entladevorgang mittels des Wärmekraftprozesses (510) entladen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    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 (312) stromauf einer Dampferzeugungseinrichtung (108) eingekoppelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    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 Kondensationsanordnung (119) eingekoppelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
    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 Dampfturbinenanordnung (110) eingekoppelt wird, wobei z. B. die Kälte mittelbar über zumindest eine niederdruckseitige Niedertemperatur-Speichereinrichtung (210) der Beladeseite (200) übertragen wird.
  6. 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 niederdruckseitige 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.
  7. 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-Speichereinrichtung (130) in einem Beladevorgang unter Einspeicherung von, insbesondere eingespeister elektrischer, Energie in Form von thermischer Energie, mit einer Belade-Anordnung, die als eine erste Joule-Anordnung (201), umfassend eine Niederdruckseite (205) und eine Hochdruckseite (209), mit einer zwischengeordneten Verdichteranordnung (204) und Turbinenanordnung (208), ausgebildet ist,
    - 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 (100) als Rankine-Kreislauf (101) umfassend eine Dampfturbinenanordnung (110), eine Kondensationsanordnung (119), Fördereinrichtungen (102, 103) und eine Dampferzeugungseinrichtung (108) ausgestaltet ist,
    wobei 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,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die zweite Joule-Anordnung (400) mit der Entladeseite (100) thermisch gekoppelt ist, zur Übertragung thermischer Energie zwischen der zweiten Joule-Anordnung (200) und der Entladeseite (100) während des zweiten Entladevorgangs und/oder des zweiten Beladevorgangs und des Entladevorgangs über die Entladeseite (100).
  8. Speicheranlage (10) nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass auf der Beladeseite (200) ein Rekuperator (202) zur Wärmeübertragung zwischen auf der Hochdruckseite (205) und der Niederdruckseite (209) befindlichem Arbeitsmedium angeordnet ist.
  9. Speicheranlage (10) nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen der Hochtemperatur-Speichereinrichtung (130) und der Dampferzeugungseinrichtung (108) zu deren thermischer Kopplung eine Wärmetauscheranordnung (124), insbesondere ein mit einem gasförmigen Wärmeträger betriebener bzw. betreibbarer Wärmetauscherkreislauf, angeordnet ist.
  10. Speicheranlage (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
    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.
  11. Speicheranlage (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die zweiten Joule-Anordnung (400) und/oder die Beladeseite (200) 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 (206) und/oder eine Brennereinrichtung (408).
  12. Speicheranlage (10) nach Anspruch 7 bis 11,
    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).
  13. Speicheranlage (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 12,
    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 Arbeitsfluids und/oder über eine Wärmetauscheinrichtung (412, 104) z. B. zur Niederdruck-Vorwärmung des Arbeitsfluids, thermisch mit der Entladeseite (100) gekoppelt ist.
  14. Speicheranlage (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 13,
    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 Wärmetauscheinrichtung (402) vor- bzw. nachgeschaltet ist, wobei die Behältereinrichtung (106) zu Wärmespeicherzwecken nutzbar bzw. genutzt ist.
  15. Steuerungsprogramm für eine Steuereinrichtung umfassend Funktionen, die bewirken, dass eine Steuereinrichtung eine Speicheranlage nach einem der Ansprüche 7 bis 14 derart steuert und/oder regelt, dass ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchgeführt wird.
  16. Computerlesbares Medium, auf dem ein Steuerungsprogramm nach Anspruch 15 gespeichert ist.
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