EP4607132A1 - Thermischer energiespeicher - Google Patents

Thermischer energiespeicher

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Publication number
EP4607132A1
EP4607132A1 EP25159534.4A EP25159534A EP4607132A1 EP 4607132 A1 EP4607132 A1 EP 4607132A1 EP 25159534 A EP25159534 A EP 25159534A EP 4607132 A1 EP4607132 A1 EP 4607132A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
electrical
thermal energy
storage medium
energy storage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP25159534.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan LACKMANN
Johannes Lackmann
Martin Holzweissig
Jan Bußmann
Christoph Sonntag
Stefan Konrad
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lsf Beteiligungs GmbH
Original Assignee
Lsf Beteiligungs GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lsf Beteiligungs GmbH filed Critical Lsf Beteiligungs GmbH
Publication of EP4607132A1 publication Critical patent/EP4607132A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/08—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being otherwise bent, e.g. in a serpentine or zig-zag
    • F28D7/082—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being otherwise bent, e.g. in a serpentine or zig-zag with serpentine or zig-zag configuration
    • F28D7/085—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being otherwise bent, e.g. in a serpentine or zig-zag with serpentine or zig-zag configuration in the form of parallel conduits coupled by bent portions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/18—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters
    • F01K3/186—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters using electric heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/0056—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using solid heat storage material

Definitions

  • the invention relates to a thermal energy storage device, comprising a heat storage medium and one or more pipes which extend through the heat storage medium and through which a heat transfer fluid can be passed, so that heat stored in the heat storage medium can be released from the heat storage medium through pipe walls of the one or more pipes to the heat transfer fluid.
  • Thermal energy storage systems are easier and more cost-effective to manufacture and require less maintenance and are less prone to failure.
  • Thermal energy storage systems also require some expensive components. These include, for example, a heat storage medium, which can disadvantageously incur high acquisition and processing costs, as well as costs for the acquisition and maintenance of a suitable container, for example, if it must be particularly chemically resistant, pressure-resistant, or liquid- and/or gas-tight. The same applies to components for introducing and extracting thermal energy into such a thermal energy storage system.
  • the invention is based on the object of improving a thermal energy storage device of the type mentioned at the outset, in particular of overcoming the disadvantages mentioned, and further in particular of providing a particularly simple and/or cost-effective possibility of temporarily storing overproduced electrical energy.
  • the pipeline or pipelines are connected, for example, to a first electrical supply line at a first electrical connection point and to a second electrical supply line at a second electrical connection point.
  • These electrical connection points are arranged in such a way, and the pipeline or pipelines therebetween are designed in such a way that an electrical resistance is formed between the connection points by the electrically conductive pipeline or pipelines.
  • the pipeline or pipelines can be made of electrically conductive material, in particular metal or a material containing metal.
  • the electrical resistance between the connection points is dimensioned and matched to a connectable electrical power source for heating the thermal energy storage device in such a way that permanent electrical resistance heating of the pipeline is possible by means of the electrical power source.
  • the level of the electrical resistance can be adjusted, for example, by a wall thickness, a length and the specific electrical resistance of the material of the pipeline or pipelines.
  • electrical power can be converted into thermal heating power along the pipeline(s) and thereby introduced into the thermal energy storage device, or is converted into thermal heating power in a thermal storage process and thereby introduced into the thermal energy storage device.
  • the pipeline(s) are heated directly in the sense of an electrical heating element.
  • the power that can be introduced or is introduced is transferred from the thereby heated pipeline to the heat storage medium.
  • the transfer to the heat storage medium can be carried out in a variety of ways, depending on the heat storage medium, any Cavities and material properties through a contribution of heat conduction, heat radiation and heat convection.
  • the inventive design of the pipeline or pipelines thus enables the simple and cost-effective conversion of electrical power into thermal power directly in the thermal energy storage device according to the invention. This results in particular structural simplicity, mechanical robustness, and low maintenance.
  • the pipeline thus has a dual function.
  • a first function is as a heating device for converting electrical power into thermal power, including its transfer to the heat storage medium.
  • a second function is as a flow channel for the heat transfer fluid to pass through the heat storage medium. This allows thermal energy to be absorbed by the heat storage medium and extracted from the thermal energy storage device using the heat transfer fluid.
  • the transfer of thermal energy from the heat storage medium to the heat transfer fluid can occur through the contribution of thermal conduction, thermal radiation, and thermal convection. It is understood that a transfer of thermal energy from the heat storage medium to the heat transfer fluid is possible as long as the heat transfer medium has a higher temperature than the heat transfer fluid.
  • the thermal energy storage device can be operated such that, within a time window, the entire electrical power is delivered to the electrically conductive material of the pipeline and from there completely to the heat storage medium and stored there. In this case, it is possible that no heat is supplied to the heat transfer fluid in the thermal energy storage device during this time window.
  • the thermal energy storage device can be operated such that, within a time window, the entire electrical power is delivered to the electrically conductive material of the pipeline, with a first part of this power being delivered to the heat storage medium and stored therein, and with a second part of this power being supplied to the heat transfer fluid and withdrawn from the thermal energy storage device.
  • the thermal energy storage device can be operated in such a way that, within a certain time frame, the entire electrical power is transferred to the electrically conductive material of the pipe and from there to the heat transfer fluid. It is possible that no heating power is supplied to the heat storage medium during this time frame.
  • the third operating mode enables the thermal energy storage device to operate as an instantaneous water heater without storing part of the electrical power.
  • the heat transfer fluid can, in particular, be a liquid or a gas.
  • the liquid or gas can also be loaded with particles, droplets, or gas bubbles.
  • the heat transfer fluid can be water or an oil.
  • the heat transfer fluid can also be in a supercritical state.
  • the invention makes it possible to convert electrical power or electrical energy into thermal energy in a structurally simple and cost-effective manner and to store it immediately in order to further use it as thermal power or energy. This further use can take place, for example, as heat for heating. Alternatively or in parallel, energy conversion of a portion of the stored thermal energy to provide mechanical or electrical power is possible using suitable energy conversion technologies.
  • the invention thus opens up a broad spectrum of applications.
  • the energy storage device according to the invention is suitable for temporarily storing excess electrical power available over certain time windows at low cost as thermal energy.
  • the strength of the invention lies in particular in the dispensability of technically more complex, financially more investment-intensive and more maintenance-intensive technologies, such as combined heat and power engines.
  • the problem is also solved by a system comprising one or more electrical power sources and a thermal energy storage device as mentioned above or below.
  • the system consisting of an electrical power source and the energy storage system opens up further usability of the electrical power provided by the electrical power source by temporarily storing surplus power, which is often not needed at a given moment but is provided by the electrical power source, with low investment costs and low maintenance.
  • the system can improve the usability of electrical power or energy that is provided unevenly over time.
  • the system can also make a technically and economically sensible contribution in cases where the system's electrical power source is used as a local electrical power source in addition to a grid connection.
  • the power provided by the electrical power source is not capable of meeting base load requirements, but can be used more economically than the power from the grid connection when available. In these cases, it is certainly technically possible to feed this surplus power into the grid of the grid connection during time windows when the electrical power source is available and unused.
  • the system according to the invention opens up a more economical use by keeping the surplus power within the sphere of influence of the system operator as thermal energy and remaining fully or partially usable.
  • the invention is therefore particularly suitable for applications where the supply of electrical power is uneven and has limited predictability. Most of the aforementioned advantages are particularly evident when the electrical power source is one of the so-called "renewable energies" that are often not suitable for baseload.
  • the system's electrical power source it is possible for the system's electrical power source to be a photovoltaic system, a wind turbine, and/or a hydropower plant.
  • the heat storage medium comprises or consists of one or more mineral materials, in particular concrete, for example old concrete and/or recycled concrete, building rubble, dolomite, limestone, sand, gravel and/or stones.
  • these materials particularly well meet the requirement for effective storage, namely a high specific heat capacity relative to mass and volume.
  • these materials are inexpensive to obtain.
  • old concrete, recycled concrete, and construction rubble can contribute to the realization of the advantages of the invention with low investment costs, as they are particularly inexpensive to obtain or can even be advantageously included in the investment cost balance, since the production of a thermal energy storage device according to the invention can simultaneously involve the disposal of these materials, provided they previously accrued as waste subject to disposal at a cost.
  • the heat storage medium is provided in bulk form, in particular in the form of a heap of pieces, for example, fragments, or consists of such a heap. This allows the heat storage medium to be provided logistically easily and cost-effectively. In particular, this eliminates the complex and cost-intensive production of, for example, a cast mass as a heat storage medium.
  • the heat storage medium comprises two or more materials or material mixtures, of which a first material or a first material mixture has a higher thermal conductivity than a second material or a second material mixture.
  • the materials are arranged around the pipes in such a way that, in the radial direction away from a region of the pipe's outer surface, a first partial region of the heat storage medium adjacent to the pipe's outer surface has a higher thermal conductivity than a second partial region of the heat storage medium arranged at a radial distance from the pipe's outer surface.
  • the first material or the first material mixture it is possible for the first material or the first material mixture to be arranged in a ring-shaped manner around a pipeline in cross-sectional terms. If this is the case on a straight section of the pipeline, this corresponds to a cylindrical sleeve shape of the first material or the first material mixture adjacent to the cylindrical outer surface of the pipeline, which is surrounded by the second material or the second material mixture.
  • the thermal energy storage device has a housing, in particular a silo housing, wherein the heat storage medium and a part of the one or more pipes are arranged in the housing.
  • the thermal energy storage system is simple and cost-effective to implement.
  • the silo can be added to a property to be heated.
  • the thermal energy storage system can be designed with a silo diameter and a silo height.
  • the silo diameter can, for example, be the largest main horizontal dimension, especially the diameter of a circle in the case of a circular base area.
  • the housing has an outer wall comprising a thermal insulation layer, in particular a high-temperature-resistant insulation layer, for example comprising or consisting of one or more of the following insulating materials: perlite, foam glass, ceramic fibers, glass fibers, rock wool.
  • a thermal insulation layer in particular a high-temperature-resistant insulation layer, for example comprising or consisting of one or more of the following insulating materials: perlite, foam glass, ceramic fibers, glass fibers, rock wool.
  • the storage areas it is possible to separate the storage areas from each other by an insulating material. This allows temperature differences between the storage areas to be maintained for a particularly long time.
  • various pipes designed as electrical resistance heating elements extend through or adjacent to various storage areas.
  • this can be achieved in that the storage areas can be heated partially or completely independently of one another and/or in that heat can be released from the storage areas to a or the heat transfer fluid partially or completely independently of one another.
  • the storage areas can be heated differently by different circuits.
  • heat transfer fluid at different temperature levels can be drawn from the different pipes in the different storage areas.
  • two or more of the pipes to be interconnected in a mixing device of the thermal energy storage device in such a way that individual fluid streams of the heat transfer fluid emerging from the pipes at different temperatures are mixed to form an overall fluid stream, so that this overall fluid stream has a mixing temperature.
  • the mixing device it is possible for the mixing device to have actuators.
  • the actuators it is possible for the actuators to be controllable by means of a control device, in particular a control device of a system according to the invention described below, and thus for the mixing temperature to be automatically regulated. This has the advantage that heat consumers with specific operating points, in particular with specific temperature requirements, can be operated particularly reliably and energy-efficiently.
  • the plurality of pipes comprises at least three pipes configured as three electrical resistance heating elements. This has the advantage that three resistance heating elements can be supplied with three-phase alternating current in a star connection.
  • At least one of the one or more electrical power sources is an electrical power source independent of the mains, for example a solar system, a hydroelectric power plant and/or a wind power plant
  • the system comprises a control system for providing electrical power by means of the one or more electrical power sources for electrical consumers outside the system.
  • the control system is configured such that, in time windows in which the electrical power provided by the grid-independent electrical power source exceeds the electrical power drawn by the electrical consumers by an electrical surplus, it feeds this surplus power, in whole or in part, into the thermal energy storage system as electrical heating power.
  • the control system can, for example, be a control electronics unit to which the electrical power source is connected and configured to distribute the available electrical power of the electrical power source to one or more electrical consumers that are also connected to the control electronics.
  • the control system or control electronics unit can have one or more switching devices for opening or closing electrical circuits. These can be, for example, electromechanical relays, semiconductor relays, or thyristors.
  • One of the consumers could, for example, be the thermal energy storage device.
  • Other electrical consumers could be other components of the system itself, i.e., components that serve the system's own function, such as switching devices, display devices, measuring devices, or transmitting devices.
  • Electrical consumers outside the system are those that do not serve the system's own function. In isolated operation of the system, i.e., without an electrical grid connection, the electrical consumers outside the system can be supplied with power via the system.
  • thermal energy storage device in whole or in part as electrical heating power.
  • the excess power generated within a certain time window introduces a quantity of thermal energy into the thermal energy storage device, which can be withdrawn in whole or in part at a later time in a simple and cost-effective manner, as needed, within different time windows.
  • the heat transfer fluid can flow through one or more pipes, whereby the heat transfer fluid is heated to a higher temperature when heat is withdrawn from the thermal energy storage device than the temperature at which it is introduced into the thermal energy storage device.
  • the one or more pipes therefore act as instantaneous water heaters for the heat transfer fluid.
  • At least one of the one or more electrical power sources is a power grid withdrawal point of a power grid.
  • the power grid withdrawal point can be provided alternatively or in addition to the aforementioned possible electrical power sources.
  • the power grid is, for example, a public power grid from which electrical power can be drawn. In addition, electrical power can also be fed into the power grid.
  • the system comprises a control system or the control system for providing electrical power to electrical consumers outside the system using one or more electrical power sources.
  • the control system can be designed as an integral unit or as distributed components. In cases where one or more of the aforementioned off-grid electrical power sources are present, the control system can also be the same control system as the control system in question.
  • the control system is configured in such a way that it takes electrical power from the power grid point in the first selectable time windows and uses it as the electrical heating power or as part of the electrical heating output into the thermal energy storage system.
  • the first selected time windows can be determined according to various criteria. These can, for example, be time windows in which the costs incurred for drawing electricity from the power grid are particularly low.
  • a possible design is one in which the control system is configured to automatically and logically evaluate the time-varying costs for drawing electricity and to determine a start and end of the first selected time windows depending on one or more cost limit values. This enables particularly cost-effective charging of the thermal energy storage system and contributes to a particularly ecologically and economically sound overall balance of the power grid.
  • the system is coupled to at least one heat consumer, in particular a heating system, for example a building heating system, in such a way that heat that can be released or released by the heat storage medium to the heat transfer fluid can be or is supplied in whole or in part to the at least one heat consumer, in particular can be or is transferred from the heat transfer fluid to the heat consumer by means of at least one heat exchanger.
  • a heating system for example a building heating system
  • the energy stored in the thermal energy storage device can be used in later time windows, regardless of the time windows in which the excess electrical power was generated.
  • the system according to the invention can be implemented particularly advantageously, for example, in buildings requiring heating that have an aforementioned electrical power source, in particular a photovoltaic system or a wind turbine.
  • this energy can be temporarily stored as heat energy in the thermal energy storage device and withdrawn from the thermal energy storage device in later time windows, in particular to meet the building's heating energy requirements.
  • the degree of self-sufficiency in the energy supply from the grids for the provision of electrical energy and heating energy in a building can be increased in a straightforward and cost-effective manner.
  • the thermal energy temporarily stored in the thermal energy storage device can be fed to an energy conversion device, in particular a thermal power plant, and converted therein.
  • the thermal power plant can be a turbine in conjunction with an electric generator.
  • This can involve a phase change of the heat transfer fluid in the pipe(s), in particular evaporation. from the liquid state to a gaseous state can be achieved or is achieved.
  • the heat transfer fluid can be pumped into the pipe or pipes by means of a feed pump so that the heat transfer fluid leaves the pipe or pipes with a larger volume flow than that with which it entered the pipe or pipes.
  • mechanical power or work can be performed by means of the heat transfer fluid in a heat engine connected to the pipe or pipes.
  • the usable mechanical power or work can be converted into electrical power by means of a generator, which converts the mechanical power or work into electrical power or work.
  • the heat consumer it is possible for the heat consumer to have or be at least one heat engine.
  • the heat engine is designed to convert a portion of the emitted heat into electrical power.
  • the heat engine is a turbine driving a generator. This enables a portion of the energy stored in the thermal energy storage device to be reconverted into electrical power.
  • the operation of the heat engine can be controlled and monitored, for example, in one of the aforementioned control systems, in particular control electronics.
  • the or a portion of the electrical power generated by the heat engine and the generator to be or be supplied by the control device, in particular the control electronics, to one of the several consumers outside the system.
  • the control device is configured to control this automatically.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a thermal energy storage device 2 as a perspective transparent line drawing.
  • the thermal energy storage device 2 has a housing 4
  • the housing 4 has a cylindrical shape, ie a circular base 6.
  • the housing has outer walls 8, wherein the outer walls 8 delimit the thermal energy storage device 2 towards the outside, towards the environment 9, and delimit an interior space 10 towards the inside.
  • a pipeline 12 is arranged in the interior space 10.
  • the pipeline 12 extends with several straight sections 14 and several bent sections 16.
  • identical components here, for example, the several straight sections 14 and the several bent sections 16—are not individually identified in the figures, but are shown only once or a few times as examples.
  • the pipe 12 is designed as an electrical resistance heating element. This includes the pipe 12 being made of or comprising an electrically conductive material. In its function as an electrical resistance heating element, the pipe 12 can be heated by an electrical current flowing through a pipe wall 18 or a portion of the pipe wall 18 of the pipe 12 in the axial direction 20 of the pipe 12, thereby generating heat at the ohmic resistance of the electrically conductive material, which heats the pipe 12. In this sense, the electrical current flows through an annular cross-section in the axial direction 20 of the pipe 12.
  • the pipe 12 is provided with electrical connections through which the pipe 12 becomes part of an electrical circuit.
  • the pipe 12 has a (in the Figures 1 and 2 only schematically indicated) first electrical connection point 22.
  • the first electrical connection point 22 is a (in the Figures 1 and 2 not shown) first electrical supply line 24.
  • the pipeline 12 has a (in the Figures 1 and 2 only schematically indicated) second electrical connection point 26.
  • the second electrical connection point 26 is a (in the Figures 1 and 2
  • the first electrical connection point 22 is electrically connected to the second electrical supply line 28 (not shown).
  • the first electrical connection point 22 is arranged at a first end section 30 of the pipeline 12.
  • the second electrical connection point 26 is arranged at a second end section 32 of the pipeline 12.
  • the interior space 10 is filled with a heat storage medium 34 in the form of a bed of concrete fragments. This is particularly cost-effective using recycled concrete or Old concrete can be used. The fill or fragments are not shown in the figures for clarity.
  • the outer walls 8 comprise a high-temperature-resistant insulating material.
  • This insulating material is applied in the form of an insulating layer (not shown in the figures) on the side of the outer walls 8 facing the interior 10 and, in the case of a charged thermal energy storage device 2 and thus in the case of a hot interior 10, reduces heat conduction from the interior 10 to the colder environment 9.
  • the bed of the heat storage medium 34 has a void fraction of between 0% and 50%, in particular between 10% and 40%, further in particular between 20% and 35%.
  • the void fraction is that portion of the volume of the bed which is not formed by the material of the heat storage medium 34 itself, but by gas, for example air, located therebetween.
  • a smaller void fraction can result in a greater heat capacity and thus a better storage option for thermal energy.
  • a larger void fraction can offer the advantage of a bed as the heat storage medium 34 which is often particularly inexpensive to produce, in particular with little preparatory work.
  • the pipe 12 By applying electrical power to the pipe 12, which is designed as a heating element, the pipe 12 itself can be heated, so that the temperature of the pipe 12 rises. As a result of the temperature rise of the pipe 12 to a temperature level that exceeds the temperature level of the heat storage medium 34 in the area adjacent to the pipe 12, heat is transferred from the pipe 12 to the heat storage medium 34.
  • This transfer of heat during heating of the thermal energy storage device 2, i.e. during charging, comprises, as described below, the heat transfer mechanisms of thermal radiation, convection heat transfer and heat conduction.
  • the thermal radiation emits the hot pipe 12, wherein the thermal radiation impinges on the fragments of the heat storage medium 34 located in line of sight and heats them.
  • the convection heat transfer involves the freely movable gas present in the hollow portion of the heat storage medium 34 being heated upon contact with the pipe 12 and, due to the resulting heating and reduction of its density, rising against gravity and causing a continuous convection movement of the gas.
  • fragments of the Heat storage medium 34 which have a lower temperature than the already heated gas, in turn transfers heat from the hot gas to these fragments.
  • heat conduction also occurs, whereby, for example, heating of the outer layer of a fragment of the heat storage medium 34 results in the heating of the outer layer leading to heat conduction into the interior of the fragment, where a lower temperature exists.
  • These heat transfer mechanisms are typically implemented in combination when heating the thermal energy storage device 2.
  • the amount of heat introduced into the thermal energy storage device 2 by charging can be stored for an extended period of time.
  • the stored thermal energy can be retained for later use over this period.
  • an increasingly homogenizing temperature field develops throughout the entire heat storage medium 34 in the interior 10 of the thermal energy storage device 2 due to the aforementioned heat transfer mechanisms.
  • Heat stored in the thermal energy storage device 2 can in turn be extracted from it.
  • a heat transfer fluid can be passed through the pipeline 12. As it flows through the pipeline 12, the heat transfer fluid absorbs heat from the pipeline 12, which heat is in turn transferred to it by the heat storage medium 34. This requires that at least some areas of the heat storage medium 34 have a higher temperature than the heat transfer fluid fed into the pipeline 12, so that the heat transfer fluid has a higher temperature when flowing out of the thermal energy storage device 2 than when flowing in.
  • the heat transfer fluid is conveyed through the pipeline 12 and thus through the heat storage medium 34 by a conveying device, in particular a pump.
  • the thermal radiation is emitted from the surfaces of the fragments of the heat storage medium 34.
  • the thermal radiation strikes parts of the pipe wall 18 of the pipe 12 that are in line of sight and heats them.
  • the convection heat transfer involves the freely movable gas present in the hollow portion of the heat storage medium 34 being cooled upon contact with the pipe 12 and, due to the resulting increase in its density, sinking in the direction of gravity and causing a continuous convection movement of the gas.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen thermischen Energiespeicher (2), aufweisend ein Wärmespeichermedium (34) und eine oder mehrere Rohrleitungen (12), die sich durch das Wärmespeichermedium (34) hindurch erstrecken und durch die ein Wärmeträgerfluid hindurchleitbar ist, so dass in dem Wärmespeichermedium (34) gespeicherte Wärme von dem Wärmespeichermedium (34) durch Rohrwandungen (18) der einen oder mehreren Rohrleitungen (12) hindurch an das Wärmeträgerfluid abgebbar ist. Dabei sind die eine oder mehreren Rohrleitungen (12) als ein bzw. mehrere elektrische Widerstandsheizelemente ausgebildet, in die elektrische Leistung einbringbar ist, welche als Heizleistung von der einen oder mehreren Rohrleitungen (12) an das Wärmespeichermedium (34) abgebbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein System aus einer oder mehreren Elektrostromquellen und einem solchen thermischen Energiespeicher (2).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen thermischen Energiespeicher, aufweisend ein Wärmespeichermedium und eine oder mehrere Rohrleitungen, die sich durch das Wärmespeichermedium hindurch erstrecken und durch die ein Wärmeträgerfluid hindurchleitbar ist, so dass in dem Wärmespeichermedium gespeicherte Wärme von dem Wärmespeichermedium durch Rohrwandungen der einen oder mehreren Rohrleitungen hindurch an das Wärmeträgerfluid abgebbar ist.
  • Derartige thermische Energiespeicher können beispielsweise eingesetzt werden, um überschüssige Energie zwischenzuspeichern. Beispielsweise bei dezentralen Energiequellen, insbesondere wenn diese auch oder ausschließlich für den Inselbetrieb eingerichtet sind, kommt es mitunter in etlichen Zeitfenstern zu Überproduktion bzw. einer Abrufbarkeit von Leistung, die jedoch in diesen Zeitfenstern mangels Bedarf der angeschlossenen Verbraucher nicht abgerufen wird. Bei z.B. einer dezentralen Stromproduktion, die nicht grundlastfähig ist, kann es besonders häufig dazu kommen, dass eine potentiell zur Verfügung stehende Leistung nicht zeitlich übereinstimmend auch von den dabei dezentral vorhandenen Verbrauchern vor Ort genutzt wird. Demgegenüber besteht häufig umgekehrt Bedarf nach elektrischer Leistung von ortsnah abgeschlossenen elektrischen Verbrauchern in Zeitfenstern, in denen die volatile elektrische Energiequelle nur weniger produzieren kann. Eine Zwischenspeicherung ist zwar grundsätzlich derart möglich, dass wiederum elektrische Leistung zu späteren Zeiten abrufbar ist, beispielsweise mittels elektrochemischer Speicher wie z.B. Akkumulatoren. Diese sind jedoch kostenintensiv in der Bereitstellung und unterliegen durch Lade- und Entladezyklen einem jedenfalls auf lange Sicht nennenswerten Verschleiß. Thermische Energiespeicher sind demgegenüber einfacher und kostengünstiger herstellbar und weniger wartungsintensiv und fehleranfällig. Auch thermische Energiespeicher bedürfen teils kostenintensiver Komponenten. Hierunter fallen beispielsweise ein Wärmespeichermedium, für das nachteiligerweise hohe Anschaffungskosten und Verarbeitungskosten anfallen können, teils auch Kosten für die Anschaffung und Wartung eines darauf abgestimmten Behältnissen, etwa soweit dies besonders geeignet chemisch beständig, druckfest oder flüssigkeits- und/oder gasdicht sein muss. Entsprechendes gilt für Komponente zum Einbringen und Entnehmen thermischer Energie in einen solchen thermischen Energiespeicher.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermischen Energiespeicher der eingangs genannten Art zu verbessern, insbesondere die genannten Nachteile zu überwinden, weiter insbesondere eine besonders einfach und/oder kostengünstig realisierbare Möglichkeit der Zwischenspeicherung von überproduzierter elektrischer Energie bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem thermischen Energiespeicher der eingangs genannten Art die eine oder mehreren Rohrleitungen als ein bzw. mehrere elektrische Widerstandsheizelemente ausgebildet sind, in die elektrische Leistung einbringbar ist, welche als Heizleistung von der einen oder mehreren Rohrleitungen an das Wärmespeichermedium abgebbar ist. Die über einen Zeitraum einbringbare Heizleistung ist somit als Wärme in dem Wärmespeichermedium speicherbar.
  • Hierdurch wird ein thermischer Energiespeicher bereitgestellt, der besonders einfach und besonders kostengünstig herstellbar ist und besonders geringen Wartungsbedarf über seine Betriebsdauer mit sich bringt. Insbesondere bedarf es bei dem erfindungsgemäßen thermischen Energiespeicher nicht mehr zwingend einer separaten elektrischen Beheizungseinrichtung. Dies ergibt sich dadurch, dass eine elektrische Beheizungseinrichtung baulich in der Rohrleitung bzw. den Rohrleitungen ausgebildet ist.
  • Die Rohrleitung bzw. die Rohrleitungen sind hierzu beispielsweise an einer ersten elektrischen Anschlussstelle mit einer ersten elektrischen Zuleitung und an einer zweiten elektrischen Anschlussstelle mit einer zweiten elektrischen Zuleitung verbunden. Diese elektrischen Anschlussstellen sind dabei derart angeordnet und die Rohrleitung bzw. die Rohrleitungen dazwischen derart ausgebildet, dass zwischen den Anschlussstellen ein elektrischer Widerstand durch die elektrisch leitende Rohrleitung bzw. Rohrleitungen gebildet wird. Insbesondere kann hierzu die Rohrleitung bzw. die Rohrleitungen aus elektrisch leitendem Werkstoff, insbesondere aus Metall oder einen Metall aufweisenden Werkstoff ausgebildet sein. Der elektrische Widerstand zwischen den Anschlussstellen ist dabei derart dimensioniert und auf eine anschließbare Elektrostromquelle zur Beheizung des thermischen Energiespeichers abgestimmt, dass mittels der Elektrostromquelle eine dauerhafte elektrische Widerstandsbeheizung der Rohrleitung möglich ist. Die Höhe des elektrischen Widerstands kann hierbei beispielsweise durch eine Wanddicke, eine Länge und den spezifischen elektrischen Widerstand des Materials der Rohrleitung bzw. der Rohrleitungen angepasst werden.
  • Somit ist elektrische Leistung in thermische Heizleistung entlang der Rohrleitung bzw. der Rohrleitungen wandelbar und hierdurch in den thermischen Energiespeicher einbringbar bzw. wird in einem Verfahren zum thermischen Speichern in thermische Heizleistung gewandelt und hierdurch in den thermischen Energiespeicher eingebracht. Bei einem solchen elektrischen Beheizen erhitzt sich die Rohrleitung bzw. die Rohrleitungen somit direkt im Sinne eines elektrischen Heizelementes. Die einbringbare bzw. eingebrachte Leistung wird von der sich dabei erhitzenden Rohrleitung an das Wärmespeichermedium übertragen. Das Übertragen an das Wärmespeichermedium kann dabei je nach Wärmespeichermedium, etwaigen Hohlräumen und Materialbeschaffenheit durch einen Beitrag von Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Wärmekonvektion erfolgen.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Rohrleitung bzw. der Rohrleitungen ist somit auf einfache und kostengünstige Weise eine Umwandlung von elektrischer Leistung in thermische Leistung direkt in dem erfindungsgemäßen thermischen Energiespeicher möglich. Dabei ergibt sich eine besondere Einfachheit im Aufbau, mechanische Robustheit und Wartungsarmut. Die Rohrleitung weist somit eine Doppelfunktion auf. Eine erste Funktion ist die als Heizeinrichtung zur Wandlung elektrischer Leistung in thermische Leistung einschließlich deren Übertragung an das Wärmespeichermedium. Eine zweite Funktion ist die Funktion eines Strömungskanals für die Hindurchführbarkeit des Wärmeträgerfluids durch das Wärmespeichermedium. Hierdurch ist mittels des Wärmeträgerfluids thermische Energie von dem Wärmespeichermedium aufnehmbar und aus dem thermischen Energiespeicher entnehmbar. Das Übertragen der Wärmeenergie von dem Wärmespeichermedium an das Wärmeträgerfluid kann dabei je nach Wärmespeichermedium, etwaigen Hohlräumen darin und dessen Materialbeschaffenheit durch einen Beitrag von Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Wärmekonvektion erfolgen. Es versteht sich, dass eine Übertragung von Wärmeenergie von dem Wärmespeichermedium an das Wärmeträgerfluid möglich ist, soweit das Wärmeträgermedium eine höhere Temperatur als das Wärmeträgerfluid aufweist.
  • In einer ersten Betriebsweise des Aufladens ist der thermische Energiespeicher derart betreibbar, dass in einem Zeitfenster die vollständige elektrische Leistung an das elektrisch leitende Material der Rohrleitung und von dieser vollständig an das Wärmespeichermedium abgegeben und gespeichert wird. Hierbei ist möglich, dass in dem Zeitfenster dem Wärmeträgerfluid in dem thermischen Energiespeicher keine Wärme zugeführt wird. In einer zweiten Betriebsweise ist der thermische Energiespeicher derart betreibbar, dass in einem Zeitfenster die vollständige elektrische Leistung an das elektrisch leitende Material der Rohrleitung abgegeben wird, wobei ein erster Teil dieser Leistung an das Wärmespeichermedium abgegeben wird und in diesem gespeichert wird, und wobei ein zweiter Teil dieser Leistung dem Wärmeträgerfluid zugeführt wird und dem thermischen Energiespeicher entnommen wird. In der zweiten Betriebsweise findet somit ein Speichern eines ersten Teils der Leistung in dem Wärmespeichermedium und zugleich ein Beheizen des Fluidstroms des Wärmeträgerfluids mit enem zweiten Teil der Leistung im Sinne einer Durchlauferhitzung des Wärmeträgerfluids statt. In einer dritten Betriebsweise ist der thermische Energiespeicher derart betreibbar, dass in einem Zeitfenster die vollständige elektrische Leistung an das elektrisch leitende Material der Rohrleitung und von dieser an das Wärmeträgerfluid abgegeben wird. Hierbei ist möglich, dass in dem Zeitfenster dem Wärmespeichermedium keine Heizleistung zugeführt wird. Die dritte Betriebsweise ermöglicht einen Betrieb des thermischen Energiespeichers als Durchlauferhitzer ohne zugleich einen Teil der elektrischen Leistung zu speichern.
  • Das Wärmeträgerfluid kann insbesondere eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Die Flüssigkeit oder das Gas können dabei zudem mit Partikeln, Tröpfchen oder Gasbläschen beladen sein. Insbesondere ist möglich, dass das Wärmeträgerfluid Wasser oder ein Öl ist. Das Wärmeträgerfluid kann sich dabei auch in einem überkritischen Zustand befinden.
  • Durch die Erfindung ist es möglich, auf baulich einfache sowie kostengünstige Weise elektrische Leistung bzw. elektrische Energie in thermische Energie umzuwandeln und sogleich zu speichern, um diese als thermische Leistung bzw. Energie weiterzuverwenden. Das Weiterverwenden kann beispielsweise als Wärme zum Heizen erfolgen. Alternativ oder parallel dazu ist eine Energiewandlung eines Teils der gespeicherten thermischen Energie zur Bereitstellung mechanischer oder elektrischer Leistung mittels geeigneter Energiewandlungstechniken möglich. Hierdurch eröffnet die Erfindung ein breites Anwendungsspektrum. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Energiespeicher geeignet, über manche Zeitfenster überschüssig verfügbare elektrische Leistung kostengünstig als thermische Energie zwischenzuspeichern. Die Stärke der Erfindung liegt hierbei insbesondere in der Entbehrlichkeit technisch komplizierterer, finanziell investitionsintensiverer und wartungsintensiverer Techniken, wie etwa Kraftwärmemaschinen.
  • Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein System aus einer oder mehreren Elektrostromquellen und einem vorstehend oder nachstehend genannten thermischen Energiespeicher.
  • Das System aus einer Elektrostromquelle und dem Energiespeicher eröffnet eine weitergehende Nutzbarkeit der von der Elektrostromquelle bereitgestellten elektrischen Leistung, indem eine oftmals situativ gerade nicht benötigte, aber von der Elektrostromquelle bereitgestellte Überschussleistung mit geringen Investitionskosten und wartungsarm zwischenspeicherbar ist. Beispielsweise bei Elektrostromquellen im Inselbetrieb ist durch das System die Verwertbarkeit zeitlich ungleichmäßig verteilt bereitgestellter elektrischer Leistung bzw. Energie verbesserbar. Aber auch in Fällen, in denen die Elektrostromquelle des Systems als eine lokale Elektrostromquelle ergänzend zu einem Netzanschluss verwendet wird, kann das System einen technisch und wirtschaftlich sinnvollen Beitrag leisten, beispielsweise in Fällen, in denen eine von der Elektrostromquelle bereitgestellte Leistung nicht grundlastfähig ist, jedoch bei Verfügbarkeit wirtschaftlicher als der Strom des Netzanschlusses genutzt werden kann. In diesen Fällen kann zwar durchaus technisch in Zeitfenstern einer vorhandenen und nicht genutzten Überschussleistung der Elektrostromquelle diese Überschussleistung in das Netz des Netzanschlusses eingespeist werden.
  • Je nach mitunter aber sehr gering oder nicht gegebenen Vergütung des Netzbetreiber des Netzanschlusses eröffnet das erfindungsgemäße System eine demgegenüber wirtschaftlichere Nutzung, indem die Überschussleistung im Einflussbereich des Betreibers des Systems als thermische Energie behalten und ganz oder teilweise nutzbar bleibt.
  • Die Erfindung eignet sich daher insbesondere zum bei ungleichmäßig und eingeschränkt vorhersagbarer Bereitstellung elektrischer Leistung. Insbesondere kommen die meisten der besagten Vorteile besonders zum Tragen, falls die Elektrostromquelle eine der sogenannten Kategorie der oft nicht grundlastfähigen "erneuerbaren Energien" ist. Insbesondere ist möglich, dass die Elektrostromquelle des Systems eine Photovoltaikanlage und/oder eine Windkraftanlage und/oder eine Wasserkraftanlage ist.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich weiterhin aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung einschließlich Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wärmespeichermedium ein oder mehrere mineralische Materialien, insbesondere Beton, beispielsweise Altbeton und/oder Recyclingbeton, Bauschutt, Dolomit, Kalkstein, Sand, Kies und/oder Steine aufweist oder aus diesen besteht.
  • Diese Materialien werden einerseits dem für eine effektive Speicherung gegebenen Bedürfnis besonders gut gerecht, eine hohe spezifische Wärmekapazität bezogen auf die Masse und auf das Volumen aufzuweisen. Zugleich sind diese Materialien kostengünstig erhältlich. Insbesondere Altbeton, Recyclingbeton und Bauschutt können insofern einen Beitrag zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Vorteile mit geringen Investitionskosten tragen, als diese besonders günstig erhältlich sind oder sogar vorteilhaft in die Bilanz der Investitionskosten eingehen können, indem mit der Herstellung eines erfindungsgemäßen thermischen Energiespeicher zugleich eine Entsorgung dieser Materialien einhergehen kann, soweit diese zuvor als kostenpflichtig zu entsorgender Abfall angefallen sind.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wärmespeichermedium eine Schüttgutform aufweist, insbesondere ein Haufwerk aus Stücken, beispielsweise Bruchstücken, aufweist oder aus diesem besteht. Hierdurch ist das Wärmespeichermedium logistisch einfach und kostengünstig bereitstellbar. Insbesondere erspart dies die aufwändige und kostenintensive Herstellung beispielsweise einer vergossenen Masse als Wärmespeichermedium.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wärmespeichermedium zwei oder mehr Materialien oder Materialmischungen aufweist, von denen ein erstes Material bzw. eine erste Materialmischung eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als ein zweites Material bzw. eine zweite Materialmischung. Hierdurch ist je nach Geometrie des thermischen Energiespeichers und insbesondere der Anordnung des Wärmespeichermediums eine Optimierung der Wärmeübergangsvorgänge innerhalb des Wärmespeichermediums erzielbar. Insbesondere ist möglich, dass das erste Material bzw. die erste Materialmischung in Bereichen mit beim Speichern oder Entnehmen besonders hohen auftretenden Wärmestromdichten und Temperaturgradienten angeordnet ist und das zweite Material bzw. die zweite Materialmischung in anderen Bereichen. Hierdurch ist beim Vorliegen verschiedener Materialien bzw. Materialmischungen eine besonders schnelle Speicherung oder Entnahme thermischer Energie in den thermischen Energiespeicher hinein bzw. aus diesem heraus möglich.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Materialien derart um die Rohrleitungen herum angeordnet sind, dass in radialer Richtung von einem Bereich der Rohraußenfläche der Rohrleitungen weg gerichtet ein an die Rohraußenfläche angrenzender erster Teilbereich des Wärmespeichermediums eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als ein mit einem radialen Abstand von der Rohraußenfläche angeordneter zweiter Teilbereich des Wärmespeichermediums. Hierdurch ist ein besonders effektives thermisches Speichern der Energie bzw. Leistung möglich. Insbesondere ist das Einleiten einer bestimmten Leistung von der Rohrleitung bzw. den Rohrleitungen in das Wärmespeichermedium hinein hiermit mit geringeren Temperaturgradienten und geringeren Maximaltemperaturen der Rohrleitung bzw. der Rohrleitungen möglich. Entsprechend ist unter Einhaltung einer Maximaltemperatur ein besonders schnelles Übertragen von Wärme von der Rohrleitung bzw. den Rohrleitungen in das Wärmespeichermedium hinein möglich. Auch sind bei der Entnahme von Wärme mittels des Wärmeträgerfluids besonders hohe Wärmeleistungen erzielbar.
  • Beispielsweise ist möglich, dass das erste Material bzw. die erste Materialmischung in Querschnittshinsicht ringförmig um eine Rohrleitung angeordnet ist. Soweit dies auf einem geraden Abschnitt der Rohrleitung der Fall ist, entspricht dies einer an die eine zylindrische Rohraußenfläche der Rohrleitung angrenzenden Zylinderhülsenform des ersten Materials bzw. der ersten Materialmischung, die von dem zweiten Material bzw. der zweiten Materialmischung umgeben ist.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der thermische Energiespeicher ein Gehäuse, insbesondere ein Silogehäuse, aufweist, wobei in dem Gehäuse das Wärmespeichermedium und ein Teil der einen oder mehreren Rohrleitungen angeordnet sind. Hierdurch ist der thermische Energiespeicher einfach und kostengünstig realisierbar. Beispielsweise ist der Silo zu einer zu beheizenden Immobilie ergänzbar. Dabei kann der thermische Energiespeicher mit einem Silodurchmesser und einer Silohöhe ausgebildet sein. Der Silodurchmesser kann dabei beispielsweise die größte Hauptabmessung in waagerechter Richtung sein, insbesondere der Kreisdurchmesser im Falle einer kreisrunden Grundfläche.
  • Besonders zum Tragen kommen diese Vorteile, wenn der thermische Energiespeicher eine bereits bestehende Immobilie, die mit einer nicht grundlastfähigen dezentralen Elektrostromquelle, beispielsweise einer Photovoltaikanlage oder einer Windkraftanlage, als Energiequelle verbunden ist, zu einem erfindungsgemäßen System ergänzt. Beispielsweise kann der thermische Energiespeicher als zylindrischer Körper ausgestaltet sein, insbesondere als ein Nebengebäude zu einer zu beheizenden Immobilie oder Immobilienanlage. Möglich sind auch Ausgestaltungen, bei denen der thermische Energiespeicher ortsveränderlich gestaltet ist. Beispielsweis ist möglich, dass der thermische Energiespeicher in oder befestigt an einem Transportcontainer, insbesondere einem ISO-Container, angeordnet ist oder baulich mit einem solchen integriert ist.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse eine Außenwandung aufweist, welche eine thermische Isolierschicht aufweist, insbesondere eine hochtemperaturfeste Isolierschicht, beispielsweise aufweisend oder bestehend aus einem oder mehreren der folgenden Isoliermaterialien: Perlit, Schaumglas, Keramikfasern, Glasfasern, Steinwolle. Hierdurch wird die Energieeffizienz des thermischen Energiespeichers und des Systems verbessert. Zudem wird die Eignung des thermischen Energiespeichers und des Systems zum Speichern von Energie für besonders volatile Elektrostromquellen verbessert, insbesondere über einen besonders langen Zeitraum.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wärmespeichermedium in mehrere Speicherbereiche unterteilt ausgebildet ist. Dies ermöglicht beispielsweise, den thermischen Energiespeicher in den verschiedenen Speicherbereichen auf unterschiedliche Temperaturniveaus zu beheizen oder beim bis auf verschiedene Temperaturniveaus beim Entnehmen von Wärme abzukühlen.
  • Beispielsweise ist möglich, dass die Speicherbereiche durch ein Isoliermaterial voneinander getrennt sind. Hierdurch sind Temperaturunterschiede zwischen den Speicherbereichen besonders lange aufrechterhaltbar. Alternativ oder zusätzlich ist möglich, dass Speicherbereiche durch einen oder mehrere Hohlräume oder einen höheren Hohlraumanteil in einer oder der Schüttung gebildet wird. Dies lässt sich in besonders einfacher und kostengünstiger Weise realisieren.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich durch verschiedene Speicherbereiche hindurch oder an diese angrenzend verschiedene als elektrische Widerstandsheizelemente ausgebildete Rohrleitungen erstrecken, Insbesondere kann dies dadurch erzielt werden, dass die Speicherbereiche teilweise oder völlig unabhängig voneinander beheizbar sind und/oder dass aus den Speicherbereichen teilweise oder völlig unabhängig voneinander Wärme an ein bzw. das Wärmeträgerfluid abgebbar ist.
  • Hierdurch sind die Speicherbereiche somit durch verschiedene Stromkreise unterschiedlich beheizbar. Ebenso ist aus den verschiedenen Speicherbereichen im Falle unterschiedlicher darin vorherrschender Temperaturen Wärmeträgerfluid mit verschiedenen Temperaturniveaus aus den verschiedenen Rohrleitungen entnehmbar. In einer Ausgestaltung ist möglich, dass zwei oder mehr der Rohrleitungen in einer Mischeinrichtung des thermischen Energiespeichers derart miteinander verschaltet sind, dass mit unterschiedlichen Temperaturen aus den Rohrleitungen austretende Einzelfluidströme des Wärmeträgerfluids zu einem Gesamtfluidstrom vermischt werden, so dass dieser eine Mischungstemperatur aufweist. Hierbei ist möglich, dass die Mischeinrichtung Aktoren aufweist. Insbesondere ist möglich, dass die Aktoren mittels einer Regeleinrichtung, insbesondere einer nachstehend beschriebenen Regeleinrichtung eines erfindungsgemäßen Systems, steuerbar und hierdurch die Mischungstemperatur automatisiert regelbar ist. Dies hat den Vorteil, dass Wärmeverbraucher mit bestimmten Arbeitspunkten, insbesondere mit bestimmten Temperaturanforderungen, besonders zuverlässig und energieeffizient betreibbar sind.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mehreren Rohrleitungen wenigstens drei Rohrleitungen umfassen, die als drei elektrische Widerstandsheizelemente ausgebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass drei Widerstandsheizelemente in einer Sternschaltung durch Dreiphasenwechselstrom versorgbar sind.
  • Beispielsweise sind die drei Rohrleitungen als drei Widerstandsheizelemente mit gleichen elektrischen Eigenschaften ausgebildet, beispielsweise mit gleichen elektrischen Widerständen. Dies hat den weiteren Vorteil, dass am Sternpunkt der Sternschaltung lediglich ein Neutralleiterpotential vorliegt. Beispielsweise sind hierdurch an dem Sternpunkt der elektrischen Sternschaltung mit besonders geringen von Elektrizität ausgehenden Gefahren fluideinleitende oder fluidausleitende Anschlüsse für das Wärmeträgerfluid realisierbar.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei dem System wenigstens eine der einen oder mehreren Elektrostromquellen eine stromnetzunabhängige Elektrostromquelle, beispielsweise eine Solaranlage, eine Wasserkraftanlage oder/und eine Windkraftanlage, aufweist oder ist. Das System weist eine Regelanlage zur Bereitstellung elektrischer Leistung mittels der einen oder mehreren Elektrostromquellen für elektrische Verbraucher außerhalb des Systems auf. Die Regelanlage ist dabei derart konfiguriert, dass sie in Zeitfenstern, in denen die mittels der stromnetzunabhängigen Elektrostromquelle bereitstellbare elektrische Leistung die von den elektrischen Verbrauchern abgerufene elektrische Leistung um eine elektrische Überschussleistung überschreitet, diese Überschussleistung ganz oder teilweise als die elektrische Heizleistung in den thermischen Energiespeicher einbringt.
  • Die Regelanlage kann beispielsweise eine Regelelektronik sein, an die die Elektrostromquelle angeschlossen ist und derart eingerichtet ist, dass durch sie die bereitstellbare elektrische Leistung der Elektrostromquelle auf einen oder mehrere ebenfalls an die Regelelektronik abgeschlossene elektrische Verbraucher verteilbar ist. Für das Verteilen der Leistung kann die Regelanlage bzw. Regelelektronik ein oder mehrere Schaltvorrichtungen zum Öffnen oder Schließen von Stromkreisen aufweisen. Dies können beispielsweise elektromechanische Relais, Halbleiterrelais oder Thyristoren sein.
  • Einer der Verbraucher kann beispielsweise der thermische Energiespeicher sein. Weitere elektrische Verbraucher können andere Komponenten des Systems selber sein, d.h. der Funktionsweise des Systems selber dienen, beispielsweise Schaltvorrichtungen, Anzeigevorrichtungen, Messvorrichtungen oder Sendevorrichtungen des Systems. Elektrische Verbraucher außerhalb des Systems sind Verbraucher, die nicht einem solchen Funktionieren des Systems selber dienen. In einem Inselbetrieb des Systems, d. h. ohne elektrischen Netzanschluss, sind die Verbraucher außerhalb des Systems mittels des Systems elektrisch versorgbar.
  • Die bereitstellbare elektrische Leistung der Elektrostromquelle ist dabei häufig zeitabhängig verlaufend unterschiedlich hoch. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Elektrostromquelle eine Photovoltaikanlage oder einer Windkraftanlage ist.
  • Hierdurch ist möglich, dass je nach Betriebszustand, insbesondere je nach derzeitiger Leistungsfähigkeit der Elektrostromquelle in Verbindung mit der derzeitigen von den elektrischen Verbrauchern außerhalb des Systems abgerufenen elektrischen Leistung eine Überschussleistung bereitstellbar ist, die von den Verbrauchern auch abberufen werden könnte, derzeit jedoch nicht abgerufen wird. In Fällen, in denen das System an ein Elektrostromnetz angeschlossen ist, ist in Zeitfenstern, in denen eine solche Überschussleistung bereitstellbare ist, diese Überschussleistung in das Elektrostromnetz, insbesondere das öffentliche Elektrostromnetz, einspeisbar.
  • Ein solches Einspeisen ist in der technischen und wirtschaftlichen Realität jedoch häufig mit sehr geringen und mitunter völlig entfallenden wirtschaftlichen Vorteilen aufgrund geringer bis vollständig entfallender Vergütungen seitens vieler öffentlicher Elektrostromnetz verbunden. Hierdurch ist ein Einspeisen in ein Elektrostromnetz in vielen Szenarien für einen Investor und Unterhalter einer solchen Elektrostromquelle wirtschaftlich wenig attraktiv oder gar unattraktiv.
  • Bei dem System ist eine derartige Überschussleistung ganz oder teilweise als elektrische Heizleistung in den thermischen Energiespeicher einbringbar. Hierbei kommen insbesondere die erfindungsgemäßen Vorteile des thermischen Energiespeichers mit seinem einfach zu realisierenden und sowohl in Investitionen und im Unterhalt kostengünstigen Aufbau zum Tragen. Die innerhalb eines bestimmten Zeitfensters anfallende Überschussleistung bringt dabei eine Wärmeenergiemenge in den thermischen Energiespeicher ein, die zu einem späteren Zeitpunkt auf einfache und kostengünstige Art und Weise je nach Bedarf in unterschiedlichen Zeitfenstern ganz oder teilweise entnehmbar ist. Zum Entnehmen ist die eine oder mehrere Rohrleitungen mittels des Wärmeträgerfluid durchströmbar, wobei das Wärmeträgerfluid beim Entnehmen von Wärme aus dem thermischen Energiespeicher auf eine höhere Temperatur erhitzt wird, als diejenige Temperatur, mit der es in den thermischen Energiespeicher eingeleitet wird. Die eine oder mehrere Rohrleitungen wirken bei der Entnahme von Wärmeenergie aus dem thermischen Energiespeicher insofern als Durchlauferhitzer für das Wärmeträgerfluid.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine der einen oder mehreren Elektrostromquellen eine Stromnetzentnahmestelle eines Stromnetzes ist. Die Stromnetzentnahmestelle kann dabei alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend genannten möglichen Elektrostromquellen gegeben sein. Das Stromnetz ist dabei beispielsweise ein öffentliches Stromnetz, aus welchem elektrische Leistung entnehmbar ist. Ergänzend kann auch elektrische Leistung in das Stromnetz einspeisbar sein.
  • Dabei weist das System eine oder die Regelanlage zur Bereitstellung elektrischer Leistung mittels der einen oder mehreren Elektrostromquellen für elektrische Verbraucher außerhalb des Systems auf. Die Regelanlage kann als integrale Einheit ausgebildet sein oder ebenso als verteilte Komponenten ausgestaltet sein. Die Regelanlage kann in Fällen vorhandener einer oder mehrerer vorgenannter stromnetzunabhängiger Elektrostromquellen zudem dieselbe Regelanlage sein wie die diese betreffende Regelanlage.
  • Die Regelanlage ist derart konfiguriert, dass sie in ersten auswählbaren Zeitfenstern elektrische Leistung aus der Stromnetzentnahmestelle entnimmt und als die elektrische Heizleistung oder als Teil der elektrischen Heizleistung in den thermischen Energiespeicher einbringt. Die ersten ausgewählten Zeitfenster können dabei nach verschiedenen Kriterien bestimmt werden. Dies können beispielsweise Zeitfenster sein, in denen anfallende Kosten für Stromentnahme aus dem Stromnetz besonders niedrig ausfallen. Möglich ist dabei eine Ausgestaltung, bei der die Regelanlage dazu konfiguriert ist, dass sie die zeitveränderlichen Kosten für eine Stromentnahme automatisiert logisch auswertet und in Abhängigkeit eines oder mehrerer Grenzwerte für die Kosten einen Beginn und ein Ende der ersten ausgewählten Zeitfenster bestimmt. Hierdurch wird ein besonders kostensparendes Aufladen des thermischen Energiespeichers und ein Beitrag zu einer besonders ökologisch und ökonomische Gesamtbilanz des Stromnetzes ermöglicht.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das System mit wenigstens einem Wärmeverbraucher, insbesondere einer Heizungsanlage, beispielsweise einer Gebäudeheizungsanlage, derart gekoppelt ist, dass von dem Wärmespeichermedium an das Wärmeträgerfluid abgebbare oder abgegebene Wärme ganz oder teilweise dem wenigstens einen Wärmeverbraucher zuführbar ist oder zugeführt wird, insbesondere mittels wenigstens eines Wärmeübertragers von dem Wärmeträgerfluid zu dem Wärmeverbraucher hin übertragbar ist oder übertragen wird.
  • Hierdurch ist die in dem thermischen Energiespeicher gespeicherte Energie unabhängig von den Zeitfenstern, in denen die elektrische Überschussleistung angefallen ist, in späteren Zeitfenstern nutzbar. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße System beispielsweise bei heizbedürftigen Gebäuden realisierbar, die über eine vorgenannte Elektrostromquelle, insbesondere eine Photovoltaikanlage oder eine Windkraftanlage, verfügen. Hierdurch ist in Zeitfenstern mit einer etwaig anfallenden elektrischen Überschussleistung diese als Wärmeenergie in den thermischen Energiespeicher zwischenspeicherbar und in späteren Zeitfenstern, insbesondere zum Bedienen eines Heizenergiebedarfs des Gebäudes, aus dem thermischen Energiespeicher entnehmbar. Hierdurch ist insbesondere der Grad an Autarkie bei der Energieversorgung von den Netzen zur Bereitstellung von elektrischer Energie und Heizenergie bei einem Gebäude auf unkomplizierte und kostensparende Art und Weise steigerbar.
  • Alternativ zu der Nutzung als Heizenergie, z.B. mittels Übertragens in eine Heizungsanlage, ist die in dem thermischen Energiespeicher zwischengespeicherte thermische Energie einer Energiewandlungseinrichtung, insbesondere einer Wärmekraftanlage, zuführbar und darin wandelbar. Insbesondere kann die Wärmekraftanlage eine Turbine in Verbindung mit einem elektrischen Generator sein. Damit kann verbunden sein, dass in der Rohrleitung bzw. den Rohrleitungen ein Phasenwechsel des Wärmeträgerfluids, insbesondere eine Verdampfung vom flüssigen Aggregatzustand zu einem gasförmigen Aggregatzustand erzielbar ist bzw. erzielt wird. Beispielsweise ist das Wärmeträgerfluid mittels einer Förderpumpe in die Rohrleitung bzw. die Rohrleitungen hinein förderbar, so dass das Wärmeträgerfluid die Rohrleitung bzw. die Rohrleitungen als größerer Volumenstrom verlässt, als den, mit dem es in die Rohrleitung bzw. die Rohrleitungen eingetreten ist. Hierdurch ist mittels des Wärmeträgerfluids mechanische Leistung bzw. Arbeit in einer mit der Rohrleitung bzw. den Rohrleitungen verbundenen Wärmekraftmaschine verrichtbar. Die dabei nutzbare mechanische Leistung bzw. Arbeit ist in elektrische Leistung mittels eines Generators wandelbar, welcher die mechanische Leistung bzw. Arbeit in elektrische Leistung bzw. Arbeit wandelt.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist möglich, dass der Wärmeverbraucher wenigstens eine Wärmekraftmaschine aufweist oder ist. Die Wärmekraftmaschine ist zur Energiewandlung eines Teils der abgegebenen Wärme in elektrischen Strom eingerichtet. Beispielsweise ist die Wärmekraftmaschine eine einen Generator antreibende Turbine. Dies ermöglicht eine Rückverstromung eines Teils der in dem thermischen Energiespeicher gespeicherten Energie. Der Betrieb der Wärmekraftmaschine ist hierbei beispielsweise in einer der vorgenannten Regelanlagen, insbesondere Regelelektroniken, steuerbar und von dieser überwachbar. Weiterhin ist möglich, dass der oder ein Teil des von der Wärmekraftmaschine und dem Generator erzeugten elektrischen Stroms von der Regeleinrichtung, insbesondere der Regelelektronik, einem der mehreren der Verbraucher außerhalb des Systems zuführbar ist oder zugeführt wird. Insbesondere ist die Regeleinrichtung dazu konfiguriert, dies automatisiert zu regeln.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele und den dazugehörenden Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1:
    eine perspektivische durchsichtige Linienzeichnung eines thermischen Energiespeichers,
    Fig. 2:
    eine durchsichtige Seitenansicht als Linienzeichnung des thermischen Energiespeichers aus Figur 1,
    Fig. 3:
    eine Darstellung einer elektrischen Anschlussstelle des thermischen Energiespeichers mit einer Fluidanschlussstelle.
  • Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines thermischen Energiespeichers 2 als perspektivische durchsichtige Linienzeichnung. Der thermische Energiespeicher 2 weist ein Gehäuse 4 auf. Das Gehäuse 4 hat eine Zylinderform, d.h. eine kreisförmige Grundfläche 6. Das Gehäuse weist Außenwandungen 8 auf, wobei die Außenwandungen 8 den thermischen Energiespeicher 2 nach außen zur Umgebung 9 hin begrenzen und nach innen hin einen Innenraum 10 begrenzen.
  • In dem Innenraum 10 ist eine Rohrleitung 12 angeordnet. Die Rohrleitung 12 erstreckt sich mit mehreren geraden Abschnitten 14 und mehreren Biegeabschnitten 16. Gleiche Komponenten, hier beispielsweise die mehreren geraden Abschnitte 14 und die mehreren Biegeabschnitte 16, werden in den Figuren der besseren Übersichtlichkeit halber nicht jeweils einzeln gekennzeichnet, sondern lediglich ein oder wenige Male exemplarisch.
  • Die Rohrleitung 12 ist als elektrisches Widerstandsheizelement ausgebildet. Dies umfasst, dass die Rohrleitung 12 aus einem elektrisch leiteten Werkstoff ausgebildet ist oder einen solchen aufweist. Die Rohrleitung 12 ist in ihrer Funktion als elektrisches Widerstandsheizelement dadurch erhitzbar, dass elektrischer Strom eine Rohrwandung 18 oder einen Teil der Rohrwandlung 18 der Rohrleitung 12 in axialer Richtung 20 der Rohrleitung 12 durchfließt und hierbei am ohmschen Widerstand des elektrisch leitenden Werkstoffs Wärme erzeugt, die die Rohrleitung 12 erhitzt. In diesem Sinne durchfließt der elektrische Strom in axialer Richtung 20 der Rohrleitung 12 einen ringförmigen Querschnitt.
  • Die Rohrleitung 12 ist für ihre Funktion als elektrisches Widerstandsheizelement mit elektrischen Anschlüssen versehen, durch die die Rohrleitung 12 Teil eines elektrischen Stromkreises wird. Die Rohrleitung 12 weist eine (in den Figuren 1 und 2 nur schematisch angedeutete) erste elektrische Anschlussstelle 22 auf. Mit der ersten elektrischen Anschlussstelle 22 ist eine (in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellte) erste elektrische Zuleitung 24 elektrisch leitend verbunden. Weiterhin weist die Rohrleitung 12 eine (in den Figuren 1 und 2 nur schematisch angedeutete) zweite elektrische Anschlussstelle 26 auf. Mit der zweiten elektrischen Anschlussstelle 26 ist eine (in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellte) zweite elektrische Zuleitung 28 elektrisch leitend verbunden. Durch Beaufschlagen der ersten elektrischen Anschlussstelle 22 und der zweiten elektrischen Anschlussstelle 26 mit einer elektrischen Spannungsdifferenz ist ein Stromfluss durch die Rohrleitung 12 und somit das Beheizen des thermischen Energiespeichers 2 bewirkbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die erste elektrische Anschlussstelle 22 an einem ersten Endabschnitt 30 der Rohrleitung 12 angeordnet. Die zweite elektrische Anschlussstelle 26 ist an einem zweiten Endabschnitt 32 der Rohrleitung 12 angeordnet.
  • Der Innenraum 10 ist mit einem Wärmespeichermedium 34 in Form einer Schüttung aus Bruchstücken von Beton gefüllt. Besonders kostengünstig ist dies durch Recyclingbeton oder Altbeton realisierbar. Die Schüttung bzw. die Bruchstücke sind in den Figuren für eine bessere Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
  • Zum Vermeiden eines ungewünschten Temperaturausgleichs zwischen dem Innenraum 10 und der Umgebung 9 weisen die Außenwandungen 8 ein hochtemperaturbeständiges Isoliermaterial auf. Dieses ist in Form einer (in den Figuren nicht dargestellten) Isolierschicht auf der zu dem Innenraum 10 gerichteten Seite der Außenwandungen 8 aufgebracht und reduziert im Falle eines aufgeladenen thermischen Energiespeichers 2 und somit im Falle eines heißen Innenraums 10 eine Wärmeleitung aus dem Innenraum 10 zu der kälteren Umgebung 9 hin.
  • Die Schüttung des Wärmespeichermediums 34 weist einen Hohlraumanteil zwischen 0 % und 50 %, insbesondere zwischen 10 % und 40 %, weiter insbesondere zwischen 20 % und 35 % auf. Der Hohlraumanteil ist hierbei derjenige Anteil an dem Volumen der Schüttung, welcher nicht durch das Material des Wärmespeichermediums 34 selber gebildet wird, sondern durch dazwischen befindliches Gas, beispielsweise Luft. Ein geringerer Hohlraumanteil kann hierbei eine größere Wärmekapazität und damit eine bessere Speichermöglichkeit für thermische Energie mit sich bringen. Ein größerer Hohlraumanteil kann den Vorteil einer oft besonders wenig aufwändigen, insbesondere mit wenigen Vorarbeiten herstellbarem, Schüttung als Wärmespeichermedium 34 mit sich bringen.
  • Durch das Verrichten elektrischer Leistung an der als Heizelement ausgebildeten Rohrleitung 12 ist die Rohrleitung 12 selber beheizbar, sodass die Temperatur der Rohrleitung 12 ansteigt. Infolge des Temperaturanstiegs der Rohrleitung 12 auf ein Temperaturniveau, das das Temperaturniveau des Wärmespeichermediums 34 in dem an die Rohrleitung 12 angrenzenden Bereich übersteigt, wird Wärme von der Rohrleitung 12 an das Wärmespeichermedium 34 übertragen.
  • Dieses Übertragen der Wärme beim Beheizen des thermischen Energiespeichers 2, d. h. beim Aufladen, umfasst wie nachfolgend beschrieben die Wärmeübergangsmechanismen der Wärmestrahlung, der Konvektionswärmeübertragung und der Wärmeleitung. Die Wärmestrahlung emittiert die heiße Rohrleitung 12, wobei die Wärmestrahlung auf den in Sichtverbindung liegenden Bruchstücken des Wärmespeichermediums 34 auftrifft und diese beheizt. Die Konvektionswärmeübertragung beinhaltet, dass das in dem Hohlraumanteil des Wärmespeichermediums 34 vorliegende und frei bewegliche Gas bei Kontakt mit der Rohrleitung 12 erhitzt wird und aufgrund der dadurch erfolgenden Erhitzung und Reduzierung von dessen Dichte entgegen der Gravitation aufsteigt und eine kontinuierliche Konvektionsbewegung des Gases bewirkt. Bei Kontakt des bereits erhitzten Gases mit Bruchstücken des Wärmespeichermediums 34, die eine geringere Temperatur als das bereits erhitzte Gas aufweisen, wird wiederum Wärme von dem heißen Gas an diese Bruchstücke übertragen. Innerhalb der Bruchstücke des Wärmespeichermedium 34 findet zudem Wärmeleitung statt, durch die beispielsweise eine Erhitzung der äußeren Schicht eines Bruchstücks des Wärmespeichermediums 34 dazu führt, dass die Erhitzung der äußeren Schicht zu einer Wärmeleitung in das Innere des Bruchstücks führt, wo eine niedrigere Temperatur gegeben ist. Üblicherweise verwirklichen sich diese Wärmeübergangsmechanismen beim Beheizen des thermischen Energiespeichers 2 kombiniert.
  • Eine auf diese Weise in den thermischen Energiespeicher 2 mittels Aufladen eingebrachte Wärmemenge ist über einen längeren Zeitraum speicherbar. Somit kann die gespeicherte thermische Energie über diesen Zeitraum für eine spätere Entnahme vorgehalten werden. Während des Zeitraums des Speicherns stellt sich in den Innenraum 10 des thermischen Energiespeichers 2 durch die vorgenannten Wärmeübergangsmechanismen ein sich immer weiter homogenisierendes Temperaturfeld in dem gesamten Wärmespeichermedium 34 ein.
  • In dem thermischen Energiespeicher 2 gespeicherte Wärme ist wiederum aus diesem entnehmbar. Hierzu ist ein Wärmeträgerfluid durch die Rohrleitung 12 hindurchführbar. Bei dem Durchströmen der Rohrleitung 12 nimmt das Wärmeträgerfluid Wärme aus der Rohrleitung 12 auf, welche an diese wiederum von dem Wärmespeichermedium 34 abgegeben wird. Dies setzt voraus, dass zumindest in einigen Bereichen des Wärmespeichermediums 34 eine höhere Temperatur vorliegt als in dem in die Rohrleitung 12 hineingeleiteten Wärmeträgerfluid, sodass dieses beim Herausströmen aus dem thermischen Energiespeicher 2 eine höhere Temperatur als beim Hineinströmen aufweist. Das Wärmeträgerfluid wird dabei mit einer Fördereinrichtung, insbesondere einer Pumpe, durch die Rohrleitung 12 und somit durch das Wärmespeichermedium 34 hindurch gefördert.
  • Dieses Übertragen der Wärme beim Entnehmen von Wärme aus dem thermischen Energiespeicher 2, d. h. beim Entladen, umfasst ebenfalls die Wärmeübergangsmechanismen der Wärmestrahlung, der Konvektionswärmeübertragung und der Wärmeleitung. Die Wärmestrahlung wird dabei von den Oberflächen der Bruchstücke des Wärmespeichermediums 34 emittiert. Die Wärmestrahlung trifft auf in Sichtverbindung liegende Teile der Rohrwandung 18 der Rohrleitung 12 auf und beheizt diese. Die Konvektionswärmeübertragung beinhaltet, dass das in dem Hohlraumanteil des Wärmespeichermediums 34 vorliegende und frei bewegliche Gas bei Kontakt mit der Rohrleitung 12 abgekühlt wird und aufgrund des dadurch erfolgenden Anstiegs von dessen Dicht in Gravitationsrichtung absinkt und eine kontinuierliche Konvektionsbewegung des Gases bewirkt. Bei Kontakt des abgekühlten Gases mit Bruchstücken des Wärmespeichermediums 34, die eine höhere Temperatur als das bereits abgekühlte Gas aufweisen, wird wiederum Wärme von diesen Bruchstücken an das heiße Gas übertragen. Hierbei kühlt der Randbereich der betroffenen Bruchstücke ab. Innerhalb der Bruchstücke des Wärmespeichermediums 34 findet zudem Wärmeleitung statt, durch die beispielsweise eine wie vorgenannt erfolgende Abkühlung der äußeren Schicht eines Bruchstücks des Wärmespeichermediums 34 dazu führt, dass die höhere Temperatur im Inneren des Bruchstücks zu einer Wärmeleitung aus dem Inneren des Bruchstücks zu dessen Randbereich führt, wo durch die bereits erfolgte Abkühlung eine niedrigere Temperatur gegeben ist. Üblicherweise verwirklichen sich diese Wärmeübergangsmechanismen beim Entladen des thermischen Energiespeichers 2 kombiniert.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel weist das Wärmespeichermedium 34 zwei Materialien auf. Das erste Material weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als das zweite Material. Grundsätzlich ist möglich, dass das erste Material und das zweite Material ohne besondere Sortierung oder andere geometrische Besonderheiten in dem Innenraum 10 vorliegt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind das erste Material und das zweite Material derart in dem Innenraum 10 angeordnet, dass das erste Material an der Rohraußenfläche 38 der Rohrleitungen 12 angeordnet ist und das zweite Material um das erste Material herum angeordnet ist. Somit weist in radialer Richtung von einem Bereich der Rohraußenfläche 38 der Rohrleitungen 12 weggerichtet ein an die Rohraußenfläche 38 angrenzender erster Teilbereich des Wärmespeichermediums 34 in Form des ersten Materials eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als ein mit einem radialen Abstand von der Außenwandung angeordneter zweiter Teilbereich des Wärmespeichermediums 34 in Form des zweiten Materials. Bei gleichmäßiger Anordnung des ersten Materials rund um die Rohraußenfläche 38 der Rohrleitung 12, d. h. mit gleicher auftragender Materialdicke des ersten Materials, entspricht der radiale Abstand, um den der zweite Teilbereich des Wärmespeichermediums 34 von den Rohraußenflächen 38 beabstandet ist, dieser auftragenden Materialdicke des ersten Materials. Eine derartige Anordnung kann beispielsweise den Vorteil haben, das insbesondere bei instationären Vorgängen wie dem Aufladen oder Entladen des thermischen Energiespeichers 2 geringere Temperaturspitzen in dem Wärmespeichermedium 34 auftreten und/oder höhere Wärmestromdichten ermöglicht werden. Hierdurch wird der Anwendungsbereich erweitert und teilweise die Haltbarkeit und Lebensdauer von Komponenten des thermischen Energiespeichers 2 erhöht.
  • Auch mit anderen Materialien oder Materialmischungen sind diverse Ausgestaltungen der vorgenannten Art möglich, sofern das erste Material bzw. die erste Materialmischung eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das zweite Material bzw. die zweite Materialmischung und eine Anordnung in Teilbereichen wie vorgenannt gegeben ist.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Wärmespeichermedium 34 in mehrere Speicherbereiche unterteilt ausgebildet. Beispielsweise ist möglich, dass zwei Rohrleitungen 12 übereinander in einem entsprechend höher ausgebildeten Gehäuse angeordnet sind. Jeder Bereich des Innenraums um einee der beiden als Heizelemente ausgebildeten Rohrleitungen herum stellt in diesem Sinne einen Speicherbereich dar. Diese Speicherbereiche können beispielsweise durch eine Zwischenwand aus Isoliermaterial getrennt sein. Alternativ können sie durch einen dazwischenliegenden Bereich mit besonders hohem Hohlraumanteil getrennt sein. Alternativ können die Speicherbereiche ohne besondere mechanische Trennung ausgebildet sein, sondern sich lediglich dadurch als getrennte Speicherbereiche ergeben, dass die Bereiche des Innenraums, die näher an einer ersten Rohrleitung als an einer zweiten Rohrleitung oder einer weiteren Rohrleitung angeordnet sind, als Teil eines entsprechenden ersten Speicherbereichs angesehen werden. In diversen Ausführungsbeispielen ist möglich dass sich durch verschiedene Speicherbereiche hindurch oder an diese angrenzend verschiedene als elektrische Widerstandsheizelemente ausgebildete Rohrleitungen erstrecken. Dies kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass die Speicherbereiche teilweise oder völlig unabhängig voneinander beheizbar sind und/oder dass aus den Speicherbereichen teilweise oder völlig unabhängig voneinander Wärme mittels eines Wärmeträgerfluids entnehmbar ist. Je besser die Speicherbereiche voneinander thermisch isoliert sind, umso größer ist diese unabhängige Aufladbarkeit und Entladbarkeit.
  • In einem besonderen weiteren Ausführungsbeispiel weist der thermische Energiespeicher drei Rohrleitungen auf, die als drei elektrische Widerstandsheizelemente ausgebildet sind. Die drei Rohrleitungen weisen dabei die gleichen elektrischen Eigenschaften auf, insbesondere auch gleiche elektrische Widerstände. Jede der Rohrleitungen weist eine eigene erste elektrische Anschlussstelle und eine eigene zweite elektrische Anschlussstelle auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind die drei Rohrleitungen elektrisch als Sternschaltung miteinander verbunden. Dabei sind alle ersten elektrischen Anschlussstellen der Rohrleitungen elektrisch leitend zu einem Sternpunkt verbunden. Jede der drei zweiten elektrischen Anschlussstellen der drei Rohrleitungen ist mit einem anderen der drei Außenleiter einer Elektrostromquelle von Dreiphasen-Wechselstrom verbunden bzw. mittels einer vorgenannten Regelanlage verbindbar. Der Sternpunkt liegt somit bei den gleichen elektrischen Widerständen der drei Rohrleitungen auf dem Neutralleiter-Potenzial des Dreiphasen-Wechselstroms.
  • Figur 3 zeigt eine beispielhaft mögliche Realisierung für das Einleiten des Wärmeträgerfluids in eine Rohrleitung 12 hinein und/oder für das Herausleiten aus einer Rohrleitung 12 heraus in Verbindung mit dem Einleiten und Herausleiten des elektrischen Stroms für das Einbringen der elektrischen Leistung zum Beheizen des thermischen Energiespeichers 2. Diese Realisierung ist bei allen vorgenannten Ausführungen für die eine oder die mehreren Rohrleitungen 12 realisiert. Der thermische Energiespeicher 2 weist hierzu eine Stromübergangseinrichtung 36 auf. Die Stromübergangseinrichtung 36 stellt eine galvanische Verbindung zwischen der Rohraußenfläche 38 und einer ersten elektrischen Zuleitung 24 oder einer zweiten elektrischen Zuleitung 28, insbesondere einem Stromkabel, her. Die erste elektrische Zuleitung 24 und/oder zweite elektrische Zuleitung 28 weist einen Kabelschuh 41 auf, mit welchem die Zuleitung 24 28 an der Stromübergangseinrichtung 36 elektrisch leitend verbunden ist. Jede Rohrleitung 12, die als Widerstandsheizelement ausgebildet ist, weist an einer oder ihrer ersten elektrischen Anschlussstelle 22 eine erste Stromübergangseinrichtung 36 und an ihrer zweiten elektrischen Anschlussstelle 26 eine zweite Stromübergangseinrichtung 36 auf. Durch Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der ersten Stromübergangseinrichtung 36 und der zweiten Stromübergangseinrichtung 36 ist ein elektrischer Stromfluss zwischen diesen durch die Rohrleitung 12 hindurch bewirkbar und die elektrische Leistung in die Rohrleitung 12 einbringbar. Die galvanische Verbindung von der einen oder mehreren Stromübergangseinrichtungen 36 mit der Rohraußenfläche 38 und somit auch mit der elektrischen Zuleitung 24 28 ist an einem Stromübergangsabschnitt 42 der Stromübergangseinrichtung 36 ausgebildet. Der Stromübergangsabschnitt 42 weist eine Innenfläche 44 auf. Die Innenfläche 44 korrespondiert in ihren Abmessungen derart mit den Abmessungen der Rohraußenfläche 38, dass die Innenfläche 44 und die Rohraußenfläche 38 eine flächige elektrisch leitende Verbindung bilden, durch die der elektrische Stromfluss der Heizleistung hindurch leitbar ist. Nicht zwingend, jedoch üblicherweise, ist die Rohraußenfläche 38 und entsprechend die Innenfläche 44 zylindrisch und mit gleichen Durchmessern ausgebildet. An dem Stromübergangsabschnitt 42 weist die elektrisch leitende Verbindung eine derart große Fläche auf, dass bei einem Stromübergang wesentlich geringere elektrische Stromdichten vorliegen als die sich dabei einstellende Stromdichte in der Rohrleitung 12 in axialer Richtung 20 zwischen den Stromübergangseinrichtungen 36. Weiterhin kann die Stromübergangseinrichtung 36 einen Isolierabschnitt 46 aufweisen, in welchem keine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Rohraußenfläche 38 und der Stromübergangseinrichtung vorliegt. Dies kann durch einen Entlang des Isolierabschnitts 46 vorliegenden Isolierspalt 48 zwischen der Rohraußenfläche und der Innenfläche 44 verwirklicht sein, welcher thermisch und/oder elektrisch isolierend ausgebildet ist.
  • Mittels einer oder mehrerer der Stromübergangseinrichtungen 36 ist die Heizleistung in eine Rohrleitung 12 einleitbar, wobei lediglich in Bereichen der Rohrleitung zwischen den Stromübergangseinrichtungen 36 derart hohe Stromdichten in der Rohrleitung 12 auftreten, dass es dort zu einer nennenswerten Erhitzung der Rohrleitung 12 im Sinne eines Widerstandsheizelementes kommt. Die Stromübergangseinrichtung 36 ist somit tauglich, einen Stromübergang zwischen Stromzuleitungen 40 und den Rohrleitungen 12 herzustellen und sicherzustellen, dass der sich stark erhitzenden Bereich der Rohrleitung außerhalb der Stromübergangseinrichtung 36 liegt.
  • Die Stromübergangseinrichtung 36, insbesondere der Stromübergangsabschnitt 42 und, soweit vorhanden, der Isolierabschnitt 44, erstreckt sich ganz oder teilweise durch die Außenwandung 8 des thermischen Energiespeichers 2 hindurch. Somit sind die elektrischen Zuleitungen 24 28 außerhalb der Außenwandungen 8 an der Stromübergangseinrichtung angeschlossen und bleiben somit thermisch wenig belastet. Jeder Stromübergangsabschnitt 36 erstreckt sich durch Durchbrüche, insbesondere Löcher, der Außenwandungen 8 hindurch bis an den Innenraum 10 heran oder bis in den Innenraum 10 hinein. Somit ist der beheizte Bereich der Rohrleitungen 12 vollständig in dem Innenraum 10 angeordnet.
  • Das Wärmeträgerfluid wird durch ein Isolierelement 50 hindurch in die Rohrleitung 12 hinein oder aus der Rohrleitun 12 hinaus geleitet. Das Isolierelement 50 weist ein elektrisch isolierendes Material auf oder besteht aus diesem. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist das Isolierelement ein Keramikrohr. Das Isolierelement 50 verbindet eine Fluidzuleitung 52 in fluidführender Weise mit einem Endabschnitt 30 32 der Rohrleitung 12. Dabei sind die Rohrleitung 12, insbesondere dessen Endabschnitt 30 32, und die Fluidzuleitung 52 elektrisch voneinander mittels des Isolierelements 50 isoliert.
  • Der thermische Energiespeicher 2 ist für das Speichern thermischer Energie bei Temperaturen auf mehr als 700 °C, bevorzugt auf mehr als 800 °C, ausgelegt. Entsprechend ist vorgesehen, dass der thermische Energiespeicher in dem Innenraum 12 nur bauliche Komponenten mit einer solchen Temperaturdauerfestigkeit aufweist.
  • Der thermische Energiespeicher 2 ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel Teil eines Systems, welches neben dem thermischen Energiespeicher mehrere (nicht in den Figuren dargestellte) Elektrostromquellen aufweist. Dies können stromnetzunabhängige Elektrostromquellen mit ungleichmäßig anfallender abgebbarer Leistung sein, beispielsweise eine Solaranlage, eine Windkraftanlage oder eine Wasserkraftanlage. Soweit diese ungleichmäßig bereitstehende Leistung in einem Zeitfenster nicht oder nicht vollständig von Verbrauchern abgerufen wird, übersteigt somit die bereitgestellte Leistung die abgerufene Leistung um eine Überschussleistung. Diese wird bei dem System dem thermischen Energiespeicher 2 als Heizleistung zugeführt. Somit wird in dem Zeitfenster die anfallende Überschussleistung dem thermischen Energiespeicher 2 zugeführt und thermische Energie in diesem gespeichert. Somit sind einerseits Verbraucher, die nicht Teil des Systems sind, mit elektrischer Energie von den stromnetzunabhängigen Elektrostromquellen versorgbar, wobei von den Verbrauchern derzeit nicht benötigte elektrische Leistung als Heizleistung nutzbar und in dem thermischen Energiespeicher zwischenspeicherbar ist.
  • In dem thermischen Energiespeicher 2 gespeicherte thermische Energie ist bei Bedarf entnehmbar. Hierzu wird das Wärmeträgerfluid durch die eine oder mehrere Rohrleitungen 12 hindurchgefördert und durch Wärmeabgabe von dem Wärmespeichermedium 34 erhitzt. Das erhitzt wieder aus der oder den Rohrleitungen 12 austretende Wärmeträgerfluid kann entweder direkt als wärmeabgebendes Medium einem Wärmeverbraucher zugeführt werden und dort Wärme abgeben. Alternativ ist die Wärme von dem Wärmeträgerfluid an einen Wärme-übertrager abgebbar und von diesem mittels eines weiteren Wärmeträgerfluids weiterleitbar.
  • Eine Regelanlage ist mit den Elektrostromquellen verbunden und ist dazu eingerichtet, die zeitabhängig anfallende elektrische Leistung auf die elektrischen Verbraucher zu verteilen und eine etwaig anfallende Überschussleistung dem thermischen Energiespeicher 2 zuzuführen.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das System alternativ oder zusätzlich einen (in den Figuren nicht dargestellten) Wärmeverbraucher in Form einer Gebäudeheizungsanlage auf. Der Wärmeverbraucher ist mittels eines Wärmeübertragers mit dem thermischen Energiespeicher derart gekoppelt, dass an das Wärmeträgerfluid abgegebene Wärme einem zu beheizenden Gebäude zur Anpassung des Raumklimas zuführbar ist.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das System alternativ oder zusätzlich einen (in den Figuren nicht dargestellten) Wärmeverbraucher in Form einer Rückverstromungseinrichtung auf. Die Rückverstromungseinrichtung weist eine Wärmekraftmaschine in Form einer Turbine auf, welche einen elektrischen Generator antreibt. Die dabei von dem Generator erzeugte elektrische Leistung wird der Regelanlage zugeführt und ist dem oder den elektrischen Verbrauchern zuführbar.
  • Soweit der thermische Energiespeicher 2 mehrere Rohrleitungen 12 aufweist und aus diesen verschiedene Ströme des Wärmeträgerfluids auf verschiedenen Temperaturniveaus entnehmbar ist, kann das System eine Mischvorrichtung zum Mischen der Ströme zu einem Gesamtstrom aufweisen. Hierdurch ist besonders passend auf einen Wärmeverbraucher abgestimmt und zeitlich stabiler als ohne eine solche Mischvorrichtung eine oder mehrere thermodynamische Eigenschaften des Gesamtstroms aufrechterhaltbar.
  • Die Regelanlage ist dazu konfiguriert, dass ein Aufladen und Entladen des thermischen Energiespeichers 2 über einen in dem Innenraum (10) gemittelten Temperaturbereich zwischen 150 °C bis wenigstens 600 °C automatisiert realisierbar ist.
  • Das Wärmespeichermedium (34) weist in einigen bevorzugten Ausgestaltungen, insbesondere in Ausgestaltungen in einem System mit einer Gebäudeheizungsanlage und/oder einer Wärmekraftmaschine als ein Wärmeverbraucher, eine Wärmekapazität auf, mit welcher durch eine Erhöhung der im Innenraum 8 gemittelten Temperatur von 150 °C auf 700 °C eine thermische Energie von wenigstens 100 MWh, insbesondere wenigstens 200 MWh, beispielsweise 1 GWh speicherbar ist.
  • Der thermische Energiespeicher 2 macht das System investitionsarm realisierbar und über einen langen Zeitraum kostengünstig und wartungsarm betreibbar. Bestehende netzunabhängige Elektrostromquellen System kann zudem auf einfach und kostengünstig zu realisierende Weise um einen thermischen Energiespeicher 2 ergänzt werden.
    • Bezugszeichen:
    • 2
    thermischer Energiespeicher
    4
    Gehäuse
    6
    Grundfläche
    8
    Außenwandungen
    9
    Umgebung
    10
    Innenraum
    12
    Rohrleitung
    14
    gerader Abschnitt
    16
    Biegeabschnitt
    18
    Rohrwandung
    20
    axiale Richtung
    22
    erste elektrische Anschlussstelle
    24
    erste elektrische Zuleitung
    26
    zweite elektrische Anschlussstelle
    28
    zweite elektrische Zuleitung
    30
    erster Endabschnitt
    32
    zweiter Endabschnitt
    34
    Wärmespeichermedium
    36
    Stromübergangseinrichtung
    38
    Rohraußenfläche
    40
    Stromzuleitung
    41
    Kabelschuh
    42
    Stromübergangsabschnitt
    44
    Innenfläche
    46
    Isolierabschnitt
    48
    Isolierspalt
    50
    Isolierelement
    52
    Fluidzuleitung

Claims (15)

  1. Thermischer Energiespeicher, aufweisend ein Wärmespeichermedium (34) und eine oder mehrere Rohrleitungen (12), die sich durch das Wärmespeichermedium (34) hindurch erstrecken und durch die ein Wärmeträgerfluid hindurchleitbar ist, so dass in dem Wärmespeichermedium (34) gespeicherte Wärme von dem Wärmespeichermedium (34) durch Rohrwandungen (18) der einen oder mehreren Rohrleitungen (12) hindurch an das Wärmeträgerfluid abgebbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Rohrleitungen (12) als ein bzw. mehrere elektrische Widerstandsheizelemente ausgebildet sind, in die elektrische Leistung einbringbar ist, welche als Heizleistung von der einen oder mehreren Rohrleitungen (12) an das Wärmespeichermedium (34) abgebbar ist.
  2. Thermischer Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermedium (34) ein oder mehrere mineralische Materialien, insbesondere Beton, beispielsweise Altbeton und/oder Recyclingbeton, Bauschutt, Dolomit, Kalkstein, Sand, Kies und/oder Steine aufweist oder aus diesen besteht.
  3. Thermischer Energiespeicher nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermedium (34) eine Schüttgutform aufweist, insbesondere ein Haufwerk aus Stücken, beispielsweise Bruchstücken, aufweist oder aus diesem besteht.
  4. Thermischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermedium (34) zwei oder mehr Materialien oder Materialmischungen aufweist, von denen ein erstes Material bzw. eine erste Materialmischung eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als ein zweites Material bzw. eine zweite Materialmischung.
  5. Thermischer Energiespeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien derart um die Rohrleitungen (12) herum angeordnet sind, dass in radialer Richtung von einem Bereich der Rohraußenfläche (38) weg gerichtet ein an die Rohraußenfläche (38) angrenzender erster Teilbereich des Wärmespeichermediums (34) eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als ein mit einem radialen Abstand von der Rohraußenfläche (38) angeordneter zweiter Teilbereich des Wärmespeichermediums (34).
  6. Thermischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Energiespeicher (2) ein Gehäuse (4), insbesondere ein Silogehäuse (34), aufweist, wobei in dem Gehäuse (4) das Wärmespeichermedium (34) und ein Teil der einen oder mehreren Rohrleitungen (12) angeordnet sind.
  7. Thermischer Energiespeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) eine Außenwandung (8) aufweist, welche eine thermische Isolierschicht aufweist, insbesondere eine hochtemperaturfeste Isolierschicht, beispielsweise aufweisend oder bestehend aus einem oder mehreren der folgenden Isoliermaterialien: Perlit, Schaumglas, Keramikfasern, Glasfasern, Steinwolle.
  8. Thermischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermedium (34) in mehrere Speicherbereiche unterteilt ausgebildet ist.
  9. Thermischer Energiespeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch verschiedene Speicherbereiche hindurch oder an diese angrenzend verschiedene als elektrische Widerstandsheizelemente ausgebildete Rohrleitungen (12) erstrecken, insbesondere derart, dass die Speicherbereiche teilweise oder völlig unabhängig voneinander beheizbar sind und/oder dass aus den Speicherbereichen teilweise oder völlig unabhängig voneinander Wärme an ein bzw. das Wärmeträgerfluid abgebbar ist.
  10. Thermischer Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichent, dass die mehreren Rohrleitungen (12) wenigstens drei Rohrleitungen umfassen, die als drei elektrische Widerstandsheizelemente ausgebildet sind, insbesondere als drei Widerstandsheizelemente mit gleichen elektrischen Eigenschaften, beispielsweise mit gleichen elektrischen Widerständen.
  11. System aus einer oder mehreren Elektrostromquellen und einem thermischen Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis10.
  12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der einen oder mehreren Elektrostromquellen eine stromnetzunabhängige Elektrostromquelle, beispielsweise eine Solaranlage, eine Wasserkraftanlage oder/und eine Windkraftanlage, aufweist oder ist, wobei das System eine Regelanlage zur Bereitstellung elektrischer Leistung mittels der einen oder mehreren Elektrostromquellen für elektrische Verbraucher außerhalb des Systems aufweist, wobei die Regelanlage derart konfiguriert ist, dass sie in Zeitfenstern, in denen die mittels der stromnetzunabhängigen Elektrostromquelle bereitstellbare elektrische Leistung die von den elektrischen Verbrauchern abgerufene elektrische Leistung um eine elektrische Überschussleistung überschreitet, diese Überschussleistung ganz oder teilweise als die elektrische Heizleistung in den thermischen Energiespeicher einbringt.
  13. System nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der einen oder mehreren Elektrostromquellen eine Stromnetzentnahmestelle eines Stromnetzes ist, wobei das System eine oder die Regelanlage zur Bereitstellung elektrischer Leistung mittels der einen oder mehreren Elektrostromquellen für elektrische Verbraucher außerhalb des Systems aufweist, wobei die Regelanlage derart konfiguriert ist, dass sie in ersten auswählbaren Zeitfenstern elektrische Leistung aus der Stromnetzentnahmestelle entnimmt und als die elektrische Heizleistung oder als Teil der elektrischen Heizleistung in den thermischen Energiespeicher (2) einbringt.
  14. System nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System mit wenigstens einem Wärmeverbraucher, insbesondere einer Heizungsanlage, beispielsweise einer Gebäudeheizungsanlage, derart gekoppelt ist, dass von dem Wärmespeichermedium (34) an das Wärmeträgerfluid abgebbare oder abgegebene Wärme ganz oder teilweise dem wenigstens einen Wärmeverbraucher zuführbar ist oder zugeführt wird, insbesondere mittels wenigstens eines Wärmeübertragers von dem Wärmeträgerfluid zu dem Wärmeverbraucher hin übertragbar ist oder übertragen wird.
  15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeverbraucher wenigstens eine Wärmekraftmaschine aufweist oder ist, die zur Energiewandlung eines Teils der abgegebenen Wärme in elektrischen Strom eingerichtet ist, beispielsweise eine einen Generator antreibende Turbine.
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