EP4658881A1 - Carnot-batterie mit einem wärmeerzeuger und verfahren zur energieumwandlung mittels carnot-batterie - Google Patents

Carnot-batterie mit einem wärmeerzeuger und verfahren zur energieumwandlung mittels carnot-batterie

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Publication number
EP4658881A1
EP4658881A1 EP24702964.8A EP24702964A EP4658881A1 EP 4658881 A1 EP4658881 A1 EP 4658881A1 EP 24702964 A EP24702964 A EP 24702964A EP 4658881 A1 EP4658881 A1 EP 4658881A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
carnot
battery
tubes
heat generator
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
EP24702964.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Schmidt
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.)
Framatome GmbH
Original Assignee
Framatome 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 Framatome GmbH filed Critical Framatome GmbH
Publication of EP4658881A1 publication Critical patent/EP4658881A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B33/00—Steam-generation plants, e.g. comprising steam boilers of different types in mutual association
    • F22B33/18—Combinations of steam boilers with other apparatus
    • F22B33/185—Combinations of steam boilers with other apparatus in combination with a steam accumulator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/0034—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using liquid heat storage material
    • F28D2020/0047—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using liquid heat storage material using molten salts or liquid metals
    • 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
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    • F28D2020/0065—Details, e.g. particular heat storage tanks, auxiliary members within tanks
    • F28D2020/0078—Heat exchanger arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D2020/0065—Details, e.g. particular heat storage tanks, auxiliary members within tanks
    • F28D2020/0082—Multiple tanks arrangements, e.g. adjacent tanks, tank in tank

Definitions

  • the present invention relates to a Carnot battery which comprises a heat generator for heating a fluid with electrical current.
  • the present invention also relates to a method for energy conversion using a Carnot battery.
  • Carnot batteries allow electrical energy to be stored by converting it into thermal energy.
  • This general principle is also known as PTES (Pumped Thermal Energy Storage) or PHES (Pumped Heat Electrical Storage).
  • a Carnot battery converts an electrical current into heat, stores the heat in a storage medium such as water or molten salt, and converts the heat back into electricity when needed.
  • heating loops are typically heated by the current and transfer the heat to a medium, such as water.
  • DE 10 2012 108 733 A1 discloses a system for generating hot water/steam with high-temperature storage for use in a gas turbine power plant, wherein the energy for charging the high-temperature storage is provided from at least one external energy source and/or from an internal energy source of the gas turbine power plant.
  • CN 201 373 547 Y relates to an electric water heater in which water flows through several connected pipes, at the end caps of which electric current is connected to a control system.
  • Carnot batteries can still be improved.
  • the efficiency of Carnot batteries is not always optimal. This is especially true for dynamic behavior. Storage in the form of heat is desirable, for example, when there is a surplus of electrical energy, but this is at a time when a subsequent process cannot use this heat.
  • An aim of the present invention is to improve the efficiency, in particular the efficiency, and/or a temporally flexible use of a Carnot battery.
  • an object of the invention is to provide a Carnot battery which has a high temporal efficiency and which is compact.
  • a Carnot battery comprising a heat generator for heating a fluid with electrical current, a heat accumulator for storing heat of the fluid heated by the heat generator, wherein the Carnot battery further comprises a converter for converting the heat into electricity and/or a branch of the heat accumulator for providing the heated fluid, wherein the heat generator has a plurality of tubes between at least one inlet and at least one outlet, wherein the tubes are fluidically connected in parallel.
  • At least one phase of the electrical current is applied directly to the tubes at an input terminal, the input terminal being electrically arranged between the at least one inlet and the at least one outlet of the heat generator, an output terminal of the electrical current being connected to ground and connected to the at least one inlet and/or the at least one outlet.
  • the Carnot battery allows for combined operation of both process heat and power generation according to temporal requirements and the availability of electrical energy.
  • the Carnot battery according to the invention comprises one, several or all of the following features, in all technically possible combinations:
  • the heat storage device contains a heat storage material which comprises a salt
  • the tubes extend along a respective tube axis, wherein the tube axes are arranged at least partially parallel to one another;
  • At least one of the tubes comprises a compensation section which is adapted to compensate for thermal stresses along a longitudinal direction of the tube;
  • the fluid heated by the heat generator comprises steam and/or superheated water;
  • the heat generator comprises at least one evaporation part for evaporating water and at least one steam heating part for heating steam from the evaporation part;
  • the heat generator further comprises a collector connecting the evaporation part to the steam heating part;
  • the heat generator comprises at least three groups, each group comprising a plurality of tubes of the plurality of tubes, the electric current being a three-phase current, a respective phase of the three-phase current being applied directly to the tubes of the corresponding group;
  • the inlet clamp is arranged at a longitudinal position of each pipe which is in the middle of the pipe in a longitudinal direction of the pipe or between the middle of the pipe and the inlet;
  • the longitudinal position is selected depending on the operating pressure of the heat generator
  • the heat generator is positioned below or to the side of the heat storage tank;
  • the heat accumulator comprises a preheating part and a storage heating part, wherein the at least one outlet of the heat generator is connected to the heat accumulator via at least one transfer pipe, wherein the at least one transfer pipe comprises at least one branch arranged such that a fluid flow received from the outlet is divided into a first part for forwarding to the preheating part and a second part for forwarding to the storage heating part, wherein the second part is hotter than the first part.
  • the invention also relates to a method for energy conversion by means of a Carnot battery, wherein the Carnot battery comprises a heat generator for heating a fluid with electrical current, wherein the heat generator has a plurality of tubes between at least one inlet and at least one outlet, wherein the tubes are fluidically connected in parallel, wherein the method comprises at least one heating step in which at least one phase of the electrical current is applied directly to the tubes at an input terminal and the tubes generate heat by electrical resistance, wherein the input terminal is arranged electrically between the at least one inlet and the at least one outlet of the heat generator, wherein an output terminal of the electrical current is connected to ground and is connected to the at least one inlet and/or the at least one outlet.
  • the method comprises several or all of the following features, in all technically possible combinations:
  • the Carnot battery further comprises a heat accumulator for storing heat of the fluid heated by the heat generator, the method further comprising a storage step in which the heat accumulator at least partially stores heat of the fluid heated by the heat generator;
  • the Carnot battery further comprises a converter for converting the heat into electricity and/or a branch for providing the heated fluid, wherein the method further comprises a conversion step in which the converter at least partially converts the heat stored by the heat storage device into electricity.
  • Figure 1 is a schematic view of a Carnot battery with a heat generator according to a first embodiment
  • Figure 2 is a schematic view of a part of a Carnot battery with a heat generator according to a second embodiment
  • Figure 3 is a schematic view of a part of the Carnot battery of Figure 1, showing a heat accumulator of the Carnot battery according to a variant.
  • a plant 1 comprises a Carnot battery 2, an energy source 4 for providing an electric current, and piping 6.
  • the energy source 4 is an electrical energy source which is designed to provide an electrical current.
  • Electric current for example, is an alternating current.
  • the electric current is in particular a three-phase current.
  • the Carnot battery 2 is designed to convert the electrical current into heat, store the heat and, for example, convert it back into electricity when required. Alternatively, the stored heat can be fed to a downstream process in the form of a heated fluid, for example steam and/or superheated water.
  • the Carnot battery 2 comprises a heat generator 8 for heating a fluid with the electric current and, for example, a heat accumulator 10 for storing heat of the fluid heated by the heat generator 8.
  • the fluid heated by the heat generator 8 comprises, for example, steam and/or superheated water.
  • the heated fluid comprises a mixture of steam and superheated water.
  • Superheated water is a condition in which the temperature of the water is higher than the saturation temperature at the existing pressure.
  • the Carnot battery 2 comprises, for example, a converter 12 for converting the heat into electricity.
  • the Carnot battery 2 comprises, for example, at least one outlet pipe 13, which is designed to conduct the medium, in particular steam, from the heat storage unit 10 to the converter 12 and/or to a system part (not shown) which requires steam.
  • the Carnot battery comprises a branch 13A, which is designed to provide the heated fluid, for example to forward the heated fluid to a downstream process or to the plant part (not shown) which requires the heated fluid, in particular steam.
  • the outlet pipe 13 and/or the branch 13A comprises/comprising, for example, one or more valves not shown.
  • below is understood here to mean an arrangement in which at least a part of the heat generator 8 is positioned at a lower level than any part of the heat accumulator 10, according to a vertical direction.
  • FIG. 1 shows a schematic example of the Carnot battery 2 with a heat generator 8 according to a first embodiment. This first embodiment will now be described.
  • the heat generator 8 comprises at least one inlet 14, at least one outlet 16, as well as a plurality of tubes 18 between the inlet 14 and the outlet 16.
  • the or each inlet 14 is adapted to receive a medium, such as water in liquid or gaseous state, and to direct it into the pipes 18.
  • the or each outlet 16 is designed to receive the medium, in particular in the form of steam, from an end of the tubes 18 arranged opposite the inlet 14 and to conduct the medium in the direction of the heat accumulator 10.
  • the pipes 18 are fluidically or flow-technically connected in parallel between the inlet 14 and the outlet 16.
  • the tubes 18 extend along a respective tube axis.
  • the tube axes of the tubes 18 are arranged at least partially parallel to one another.
  • all tube axes extend parallel to one another, preferably over at least 90% of a tube length or over an entire tube length between the inlet 14 and the outlet 16.
  • each pipe 18 is between 2 and 50 meters long, according to the pipe axis.
  • each tube 18 has a diameter between 6 and 40 mm.
  • each tube 18 is made of metal.
  • At least one of the tubes 18, preferably all of the tubes 18, comprises a compensation section.
  • the compensation section is designed to compensate for thermal stresses along a longitudinal direction of the respective tube 18.
  • the longitudinal direction corresponds, for example, to the tube axis.
  • the compensation section comprises a spiral winding over at least part of the length of the tube 18.
  • the or each tube 18 is at least partially spiral wound.
  • the or each tube 18 in the compensation section has an orientation of a wall of the tube 18 which forms an angle between 10° and 30°, for example 15°, with a plane oriented perpendicular to the tube axis.
  • the tube 18 is oriented vertically and the wall of the tube 18 is oriented in the compensation section such that it has an angle between 10° and 30°, for example 15°, to the horizontal.
  • the heat generator 8 comprises an input terminal 20 for applying the phase(s) of the electrical current to the pipes 18 and an output terminal 22 for discharging or grounding the current.
  • At least one phase of the electrical current is applied directly to the tubes 18 at the input terminal 20.
  • the expression “directly applied” means that the phase of the electrical current is conducted through the input terminal 20 directly into a wall of the respective tubes 18.
  • the wall of the tubes 18 represents in particular a separation between a tube interior and an area surrounding the tube 18.
  • the tube interior is intended for a flow of the medium.
  • the tube interior has a circular or, in the case of a spiral winding, an elliptical cross-section.
  • the input terminal 20 is electrically arranged between the respective inlet 14 and the respective outlet 16 of the heat generator 8.
  • the inlet clamp 20 is arranged at a longitudinal position of each tube 18, which is located in the middle of the respective tube 18 in a longitudinal direction of the tube 18 or between the middle of the tube 18 and the inlet 14.
  • the longitudinal position, as seen from the inlet 14, is arranged in a range between 1/8 and half the length of the tube 18.
  • the tube 18 has a higher heat flow generated by the electrical current in the region between the input terminal 20 and the inlet 14, compared to a heat flow generated by the current in the region between the input terminal 20 and the outlet 16.
  • the longitudinal position of the inlet clamp 20 on the respective pipe 18 depends on an operating pressure of the heat generator 8.
  • the longitudinal position of the inlet clamp 20 is shifted towards the center of the pipe 18.
  • the input clamp 20 is arranged in the middle of the pipe 18, for example at an operating pressure of 250 bar.
  • the input terminal 20 is a manifold that is directly connected to a plurality of tubes 18.
  • the input terminal 20 comprises a manifold that extends orthogonal to a longitudinal direction of the tubes 18 and/or parallel to the inlet 14 and/or parallel to the outlet 16.
  • the input terminal 20 comprises several sub-terminals which are applied directly to the pipes 18 of a respective group.
  • the output terminal 22 is connected on the one hand to the inlet 14 and/or the outlet 16, and on the other hand to the ground G.
  • the output terminal 22 is electrically connected to both the inlet 14 and the outlet 16.
  • the output terminal 22 is connected directly to a pipe which forms the inlet 14 or the outlet 16.
  • the tubes 18 form, for example, a resistance heating device.
  • the input terminal 20 is designed to deliver at least one phase of the electrical current to the tubes 18, wherein the current flows through the tubes 18, in particular the tube walls, and is diverted from the output terminal 22 to ground G. Due to the electrical resistance of the tube walls, the tubes 18 heat up when the input terminal 20 introduces the current into the tube walls.
  • the output terminal 22 is a manifold.
  • the output terminal 22 is directly electrically connected to the or each inlet 14 and the or each outlet 16.
  • the heat generator 8 comprises at least three groups 24A, 24B, 24C.
  • Each group 24A, 24B, 24C comprises a plurality of the tubes 18.
  • the electric current is a three-phase current
  • a respective phase of this three-phase current is applied directly to the tubes 18 of the corresponding group 24A, 24B, 24C.
  • Each group 24A, 24B, 24C has, for example, an identical number of tubes 18, one inlet 14 each, and one outlet 16 each.
  • each group 24A, 24B, 24C is identical, with the respective input terminal 20 being adapted to conduct a respective phase of the three-phase current into the tubes 18 of the respective group 24A, 24B, 24C.
  • each group 24A, 24B, 24C comprises at least one or more of the above-mentioned features of the heat generator 8.
  • the heat generator 8 comprises only a single group, two groups or more than three groups.
  • the heat accumulator 10 is designed to receive the medium, in particular steam, from the heat generator 8 and/or from a steam-generating process (not shown).
  • the heat accumulator 10 is designed in particular to store the thermal energy of the steam or the superheated water in the salt and, if required, to make the stored thermal energy available again, at least in part, in the form of steam.
  • the heat storage device 10 contains in particular a heat storage material for storing heat.
  • the heat storage material comprises, for example, a salt, which is, for example, a molten salt.
  • the salt comprises, for example, a mixture of different salts.
  • the heat accumulator 10 further comprises, for example, a plurality of heat exchanger elements 25, for example in the form of tubes.
  • the salt is arranged, for example, between the heat exchanger elements 25.
  • the heat exchanger elements 25 are designed to receive steam from the heat generator and/or from the steam-generating process (not shown) and to transfer the heat of the steam to the salt or to carry out a heat exchange.
  • the steam condenses at least partially during this heat exchange and the heat storage material, for example in the form of salt, melts.
  • the heat storage device 10 is further designed to discharge the condensed steam in the form of water via a discharge line 36.
  • the heat accumulator 10 is further configured to generate steam, in particular when electrical energy is required.
  • the heat accumulator 10 is configured to receive water via a supply line 37 and to evaporate this in the heat exchanger elements 25 by heat exchange with the heat stored in the heat storage material.
  • the heat accumulator 10 is further configured, for example, to deliver the steam or superheated water generated in this way to the converter 12 and/or a part of the system 1 (not shown) that requires steam or superheated water.
  • the converter 12 comprises, for example, a turbine and a generator for generating electricity from the heat previously stored in the heat accumulator 10.
  • the turbine is particularly designed to receive heat in the form of steam from the heat accumulator 10 and to convert it into electrical energy with the help of the generator.
  • the piping 6 of the system 1 comprises, for example, an inlet 26 of the medium, in particular water, and a pump 28 which is arranged in the inlet 26 and is designed to pump the medium towards the inlet(s) 14 of the heat generator 8.
  • the piping 6 does not include a pump.
  • a mass flow of the medium is achieved by natural convection, in that the heat generator generates warm fluid that rises due to the increase in temperature. This is then cooled in the heat storage unit 10. In particular, cold and therefore heavy water is generated, which flows downwards to the inlet into the heat generator.
  • the piping 6 further comprises a plurality of valves for shutting off corresponding pipe sections, in particular in order to implement the various operating modes.
  • the piping 6 further comprises transfer pipes 30 which are designed to conduct the medium, in particular steam or superheated water, from the outlet(s) 16 to the heat accumulator 10.
  • the piping 6 further comprises, for example, an inlet 32 which is suitable for supplying steam or superheated water from the heat-generating process (not shown) to the heat storage unit 10.
  • the piping 6 further comprises, for example, the drain line 36, which is designed to drain condensed steam or cooled water from the heat storage unit 10.
  • the piping 6 further comprises, for example, the supply line 37, which is connected to the inlet 26 and/or the pump 28 and is designed to supply the heat storage unit 10 with water.
  • the method comprises at least a heating step, a storage step and a conversion step.
  • At least one phase of the electrical current is applied directly to the tubes 18 at the respective input terminal 20.
  • the electrical power delivered to the tubes 18 is controlled or monitored by an electrical converter.
  • the converter controls the amount of heat per unit time that the tubes 18 generate through their electrical resistance.
  • the respective phase of the electrical current is conducted from the input terminal 20 into the pipes 18 to the inlet 14 and/or the outlet 16 and is discharged via the output terminal 22 to ground G.
  • the pipes 18 generate heat due to electrical resistance when the current flows through.
  • the medium in particular water, flows from the inlet 26 into the or each inlet 14, through the pipes 18 and is thereby evaporated by the heat of the pipes 18.
  • the steam flows through the or each outlet 16 and the transfer pipes 30 into the heat storage unit 10.
  • the heat storage device 10 At least partially stores heat from the steam generated by the heat generator 8.
  • the heat storage material for example the salt, absorbs the heat from the steam and stores it.
  • the converter 12 converts the heat stored by the heat accumulator 10 at least partially into electricity, in particular into an electric current.
  • the heat accumulator 10 initially generates steam.
  • the heat accumulator 10 receives water via the supply line 37 and evaporates it in the heat exchanger elements 25 by heat exchange with the Heat stored in the heat storage material.
  • the heat storage 10 transports the steam thus obtained to the converter 12 and/or the part of the system 1 (not shown) which requires steam.
  • the converter in particular the turbine, receives, for example, the steam from the heat storage 10 and converts the thermal energy in the steam into electrical energy with the help of the generator.
  • the Carnot battery 2 with the heat generator 8 according to a second embodiment is now described.
  • the Carnot battery 2 comprises at least some, preferably all, features of the first embodiment, with the exception of the features of the heat generator 8 described below.
  • the heat generator 8 comprises at least one evaporation part 38 for evaporating the medium, in particular water, and further comprises at least one steam heating part 40 for heating steam from the evaporation part 38.
  • the heat generator 8 further comprises, for example, a collector 42 which connects the evaporation part 38 to the steam heating part 40.
  • the evaporation part 38 is designed to receive the medium, in particular water, through the inlet 14, to evaporate it and to deliver it in the form of steam to the collector 42.
  • the steam heating part 40 is designed to receive the steam from the collector 42, to heat it further and to deliver it to the outlet 16.
  • the evaporation part 38 and/or the steam heating part 40 each comprise the corresponding pipes 18 to which the input terminal 20 is attached in order to conduct the electrical current directly to the pipes 18.
  • the output terminal 22 is in particular directly electrically connected to the inlet 14, the outlet 16 and possibly additionally to the collector 42.
  • the input terminal 20 and the output terminal 22 are implemented as distributors.
  • Both the evaporation part 38 and the steam heating part 40 are designed to heat the medium by heating the tubes 18 to which the respective phase of the electric current is directly applied.
  • the evaporation part 38 and/or the steam heating part 40 each have an identical structure to the heat generator 8 according to the first embodiment, except that the evaporation part 38 is directly connected to the collector 42 instead of to the outlet 16, and that the steam heating part 40 is directly connected to the collector 42 instead of to the inlet 14.
  • the heat generator 8 according to the Carnot battery 2 of the second embodiment comprises, for example, at least three groups 24A, 24B, 24C.
  • each group 24A, 24B, 24C comprises the evaporation part 38, the collector 42, and the steam heating part 40.
  • the collector 42 is designed, for example, to achieve pressure equalization and/or mixing of the medium.
  • a method for energy conversion by means of the Carnot battery 2 with the heat generator 8 according to the second embodiment preferably comprises all features of the method by means of the Carnot battery 2 of the first embodiment, with the exception of the features described below.
  • At least one phase of the electrical current is applied directly to the tubes 18 of both the evaporation section 38 and the steam heating section 40 at the respective input terminal 20.
  • the respective phase of the electrical current is conducted from the input terminal 20 into the tubes 18 to the inlet 14, the collector 42 and/or the outlet 16 and is discharged to ground G via the output terminal 22.
  • the tubes 18 generate heat through electrical resistance to the flow of the current.
  • the medium in particular water, flows from the inlet 26 (see in particular Figure 1 ) into the or each inlet 14, through the tubes 18 of the evaporation part 38 and is thereby evaporated by the heat of the tubes 18.
  • the medium then flows through the collector 42 into the tubes 18 of the steam heating part 40.
  • the medium here in particular steam
  • the medium is further heated by the heat of the tubes 18 and then flows into the or each outlet 16.
  • the Carnot battery 2 comprises the heat storage 10 according to a variant.
  • the heat storage device 10 according to the variant comprises, for example, a preheating part 43 and a storage heating part 44.
  • the preheating part 43 comprises a salt mixture as heat storage material, which has a different composition than the salt mixture which is arranged as heat storage material in the storage heating part 44.
  • the preheating part 43 comprises a salt mixture which is adapted for a lower temperature compared to the salt mixture of the storage heating part 44.
  • the transfer tubes 30 comprise a plurality of tubes which connect the or each outlet 16 of the heat generator 8 to the heat accumulator 10, in particular to heat exchanger elements 25.
  • each tube of the transfer tubes 30 connects the outlet 16 or one of the outlets 16 directly to a respective heat exchanger element 25.
  • each heat exchanger element 25 is connected to the outlet 16 via a tube of the transfer tubes 30 specifically assigned to it.
  • the transfer tubes 30 comprise a plurality of branches 46 which are arranged such that a fluid flow of the medium, in particular steam or a water-steam mixture, received from the outlet 16 is divided into a first part and a second part.
  • the first part is in particular intended for forwarding to the preheating part 43 and the second part is in particular intended for forwarding to the storage heating part 44.
  • the second part is preferably hotter than the first part. During operation of the Carnot battery 2, the first part is therefore in particular directed to the preheating part 43 and the second part to the storage heating part 44.
  • each branch 46 comprises a T-piece, with a horizontal part of the T-piece diverting the first part of the fluid flow towards the preheating part 43 and a vertically upwardly directed part of the T-piece diverting the second part of the fluid flow towards the storage heating part 44.
  • the T-piece separates the mixture into a flow with a predominant amount of steam and a flow with a predominant amount of water.
  • the part with the lower steam content has a lower ability to transfer heat. Therefore, this part is fed to the preheating part 43.
  • the remaining part with a high content has a good ability to transfer heat. Therefore, this part is used to heat the storage heating part 44, which is brought to a higher temperature level.
  • This portion is then used in particular to produce fluid at a higher enthalpy level, such as steam.
  • the heat storage device 10 comprises two parts 43, 44 with different temperatures and different salt mixtures as heat storage material. This particularly increases the efficiency of the heat storage device 10.
  • the present invention has a large number of advantages.
  • the Carnot battery 2 By applying the electrical current directly to the pipes 18, the Carnot battery 2 has a very short response time and can therefore be charged quickly, for example, in the event of a short-term surplus of electrical energy.
  • the water or steam is heated quickly. This allows the Carnot battery 2 to be used in cases where a rapid conversion of electrical energy into heat is required, or where, for example, excess electrical energy is to be stored in the form of heat for only a short period of time.
  • Carnot battery 2 is lightweight, especially since no additional heating spindles are required.
  • the total water consumption is low because the Carnot battery 2, and in particular the heat generator 8, are particularly compact.
  • the Carnot battery 2 has a high efficiency because a very large proportion of the electrical energy is converted directly into thermal energy.
  • the Carnot battery 2 is designed to make the heated fluid available for subsequent use and/or to supply the converter 12 for generating electrical energy.
  • the supply is provided either by the electrically heated heat generator 8 or by storing it in a molten salt bath.
  • the subsequent use can, for example, consist of supplying steam or superheated water to a downstream process.
  • Another form of use can be that the heat is converted back into steam in order to use the converter 12 to To generate electricity.
  • the generation of electrical energy preferably takes place at a time when there is too little electrical energy available in the grid. Due to this process, the Carnot battery enables an increase in efficiency, since when there is an excess capacity of electrical current, steam or superheated water is generated very quickly without any loss of preheating times or high thermal capacities.
  • the Carnot battery 2 makes it possible in particular to generate electrical power depending on the capacity of electrical energy in the network or alternatively or simultaneously to provide heat in the form of steam or superheated water in a downstream process by providing the available electrical energy in the network directly to the downstream process depending on availability or, if the electrical network has excess capacity, temporarily storing it in a heat storage unit. For example, if the electrical network has insufficient capacity, this heat is extracted from the storage unit to generate steam or superheated water, which is then fed to the downstream process or the converter 12 to generate electricity.

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Abstract

Carnot-Batterie (2), umfassend einen Wärmeerzeuger (8) zur Erwärmung eines Fluides mit elektrischem Strom, einen Wärmespeicher (10) zur Speicherung von Wärme des vom Wärmeerzeuger (8) erwärmten Fluides, wobei die Carnot-Batterie (2) des Weiteren einen Umwandler (12) zur Umwandlung der Wärme in Elektrizität und/oder einen Abzweig (13A) des Wärmespeichers (10) zu einer Bereitstellung des erwärmten Fluides umfasst, wobei der Wärmeerzeuger (8) eine Vielzahl von Rohren (18) zwischen mindestens einem Einlass (14) und mindestens einem Auslass (16) aufweist, wobei die Rohre (18) fluidtechnisch parallel verbunden sind. Mindestens eine Phase des elektrischen Stroms wird direkt an die Rohre (18) an einer Eingangsklemme (20) angelegt, wobei die Eingangsklemme (20) elektrisch zwischen dem mindestens einen Einlass (14) und dem mindestens einen Auslass (16) des Wärmeerzeugers (8) angeordnet ist, wobei eine Ausgangsklemme (22) des elektrischen Stroms mit der Masse (G) verbunden ist.

Description

Carnot-Batterie mit einem Wärmeerzeuger und Verfahren zur Energieumwandlung mittels Carnot-Batterie
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Carnot-Batterie, welche einen Wärmeerzeuger zur Erwärmung eines Fluides mit elektrischem Strom umfasst.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Energieumwandlung mittels einer Carnot-Batterie.
Carnot-Batterien erlauben eine Speicherung von elektrischer Energie durch Umwandlung in Form von Wärmeenergie. Dieses allgemeine Prinzip ist beispielsweise auch bekannt als PTES (aus dem Englischen „Pumped Thermal Energy Storage“ für thermoelektrischer Pumpspeicher) oder PHES (aus dem Englischen für „Pumped Heat Electrical Storage“ für elektrischer Pumpspeicher).
Eine Carnot-Batterie wandelt einen elektrischen Strom in Wärme um, speichert die Wärme in einem Speichermedium, wie z.B. Wasser oder geschmolzenem Salz, und wandelt die Wärme im Bedarfsfall zurück in Elektrizität.
Um den elektrischen Strom in Wärme umzuwandeln, werden typischerweise Heizschleifen durch den Strom erhitzt und geben die Wärme an ein Medium weiter, wie zum Beispiel Wasser.
DE 10 2012 108 733 A1 offenbart ein System zur Erzeugung von Heißwasser/Dampf mit Hochtemperaturspeicher für den Einsatz in einem Gasturbinenkraftwerk, wobei die Energie für die Beladung des Hochtemperaturspeichers aus wenigstens einer externen Energiequelle und/oder aus einer internen Energiequelle des Gasturbinenkraftwerkes bereitgestellt wird.
CN 201 373 547 Y betrifft einen elektrischen Wassererhitzer, bei dem Wasser durch mehrere verbundene Rohre fließt, an deren Endkappen elektrischer Strom an eine Steuerung angeschlossen ist.
Solche Carnot-Batterien können noch verbessert werden. Insbesondere ist der Wirkungsgrad von Carnot-Batterien nicht immer optimal. Dies gilt besonders für das dynamische Verhalten. Die Speicherung in Form von Wärme ist beispielsweise wünschenswert, wenn ein Überschuss an elektrischer Energie vorliegt, dies aber zu einem Zeitpunkt ist, an dem ein nachfolgender Prozess diese Wärme nicht nutzen kann.
Des Weiteren sind bekannte Carnot-Batterien oft recht groß und schwer.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es die Effizienz, insbesondere den Wirkungsgrad, und/oder eine zeitlich flexible Nutzung einer Carnot- Batterie zu verbessern. Insbesondere ist demnach eine Aufgabe der Erfindung, eine Carnot-Batterie zur Verfügung zu stellen, welche eine hohe zeitliche Effizienz aufweist, und welche kompakt ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Carnot-Batterie, umfassend einen Wärmeerzeuger zur Erwärmung eines Fluides mit elektrischem Strom, einen Wärmespeicher zur Speicherung von Wärme des vom Wärmeerzeuger erwärmten Fluides, wobei die Carnot-Batterie des Weiteren einen Umwandler zur Umwandlung der Wärme in Elektrizität und/oder einen Abzweig des Wärmespeichers zu einer Bereitstellung des erwärmten Fluides umfasst, wobei der Wärmeerzeuger eine Vielzahl von Rohren zwischen mindestens einem Einlass und mindestens einem Auslass aufweist, wobei die Rohre fluidtechnisch parallel verbunden sind.
Mindestens eine Phase des elektrischen Stroms wird direkt an die Rohre an einer Eingangsklemme angelegt, wobei die Eingangsklemme elektrisch zwischen dem mindestens einen Einlass und dem mindestens einen Auslass des Wärmeerzeugers angeordnet ist, wobei eine Ausgangsklemme des elektrischen Stroms mit der Masse verbunden ist und mit dem mindestens einen Einlass und/oder dem mindestens einen Auslass verbunden ist.
Dank der erfindungsgemäßen Carnot-Batterie wird die Effizienz erhöht, indem insbesondere die thermischen Kapazitäten des Wärmeerzeugers minimiert werden.
Zudem erlaubt es die Carnot-Batterie, einen kombinierten Betrieb der Nutzung sowohl für Prozesswärme als auch zur Stromerzeugung entsprechend eines zeitlichen Bedarfs und nach Verfügbarkeit an elektrischer Energie zu realisieren.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäße Carnot- Batterie eines, mehrere oder alle der folgenden Merkmale, in allen technisch möglichen Kombinationen:
- der Wärmespeicher enthält ein Wärmespeichermaterial, welches ein Salz umfasst;
- die Rohre bilden eine Widerstandsheizvorrichtung;
- die Rohre erstrecken sich entlang einer jeweiligen Rohrachse, wobei die Rohrachsen zumindest teilweise parallel zueinander angeordnet sind;
- zumindest eines der Rohre umfasst einen Kompensationsabschnitt, welcher dazu eingerichtet ist, thermische Spannungen entlang einer Längsrichtung des Rohrs auszugleichen;
- das vom Wärmeerzeuger erwärmte Fluid umfasst Dampf und/oder überhitztes Wasser; - der Wärmeerzeuger umfasst mindestens einen Verdampfungsteil zum Verdampfen von Wasser und mindestens einen Dampferhitzungsteil zum Erhitzern von Dampf aus dem Verdampfungsteil;
- der Wärmeerzeuger umfasst des Weiteren einen Sammler, der den Verdampfungsteil mit dem Dampferhitzungsteil verbindet;
- der Wärmeerzeuger umfasst mindestens drei Gruppen, wobei jede Gruppe mehrere Rohre der Vielzahl von Rohren umfasst, wobei der elektrische Strom ein dreiphasiger Strom ist, wobei eine jeweilige Phase des dreiphasigen Stroms direkt an die Rohre der entsprechenden Gruppe angelegt wird;
- die Eingangsklemme ist an einer Längsposition jeden Rohres angeordnet, welche sich in der Mitte des Rohres in einer Längsrichtung des Rohres oder zwischen der Mitte des Rohres und dem Einlass befindet;
- die Längsposition wird in Abhängigkeit von einem Betriebsdruck des Wärmeerzeugers gewählt;
- der Wärmeerzeuger ist unter oder seitlich unter dem Wärmespeicher positioniert;
- die Eingangsklemme und/oder die Ausgangsklemme ist/sind ein Verteiler; der Wärmespeicher umfasst einen Vorerwärmungsteil und einen Speichererhitzungsteil, wobei der mindestens eine Auslass des Wärmeerzeugers mit dem Wärmespeicher über mindestens ein Übertragungsrohr verbunden ist, wobei das mindestens eine Übertragungsrohr mindestens eine Abzweigung umfasst, welche so angeordnet ist, dass ein vom Auslass erhaltener Fluidstrom aufgeteilt wird in einen ersten Teil für eine Weiterleitung in den Vorerwärmungsteil, und einen zweiten Teil für eine Weiterleitung in den Speichererhitzungsteil, wobei der zweite Teil heißer ist als der erste Teil.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Energieumwandlung mittels einer Carnot-Batterie, wobei die Carnot-Batterie einen Wärmeerzeuger zur Erwärmung eines Fluides mit elektrischem Strom umfasst, wobei der Wärmeerzeuger eine Vielzahl von Rohren zwischen mindestens einem Einlass und mindestens einem Auslass aufweist, wobei die Rohre fluidtechnisch parallel verbunden sind, wobei das Verfahren zumindest einen Erwärmungsschritt umfasst, in dem mindestens eine Phase des elektrischen Stroms an einer Eingangsklemme direkt an die Rohre angelegt wird und die Rohre durch elektrischen Widerstand Wärme erzeugen, wobei die Eingangsklemme elektrisch zwischen dem mindestens einen Einlass und dem mindestens einen Auslass des Wärmeerzeugers angeordnet ist, wobei eine Ausgangsklemme des elektrischen Stroms mit der Masse verbunden ist und mit dem mindestens einen Einlass und/oder dem mindestens einen Auslass verbunden ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren mehrere oder alle der folgenden Merkmale, in allen technisch möglichen Kombinationen:
- die Carnot- Batterie umfasst des Weiteren einen Wärmespeicher zur Speicherung von Wärme des vom Wärmeerzeuger erwärmten Fluides, wobei das Verfahren des Weiteren einen Speicherschritt umfasst, in dem der Wärmespeicher Wärme des vom Wärmeerzeuger erwärmten Fluides zumindest teilweise speichert;
- die Carnot- Batterie umfasst des Weiteren einen Umwandler zur Umwandlung der Wärme in Elektrizität und/oder einen Abzweig zu einer Bereitstellung des erwärmten Fluides, wobei das Verfahren des Weiteren einen Umwandlungsschritt umfasst, in dem der Umwandler die vom Wärmespeicher gespeicherte Wärme zumindest teilweise in Elektrizität umwandelt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen im Detail beschrieben, wobei: die Figur 1 eine schematische Ansicht einer Carnot-Batterie mit einem Wärmeerzeuger gemäß einer ersten Ausführungsform ist; die Figur 2 eine schematische Ansicht eines Teils einer Carnot- Batterie mit einem Wärmeerzeuger gemäß einer zweiten Ausführungsform ist, und die Figur 3 eine schematische Ansicht eines Teils der Carnot-Batterie der Figur 1 ist, wobei ein Wärmespeicher der Carnot-Batterie gemäß einer Variante dargestellt ist.
Mit Bezug auf Figur 1 umfasst eine Anlage 1 eine Carnot-Batterie 2, eine Energiequelle 4 zur Bereitstellung eines elektrischen Stroms, sowie Verrohrung 6.
Die Energiequelle 4 ist eine elektrische Energiequelle, welche dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Strom zur Verfügung zu stellen.
Der elektrische Strom ist beispielsweise ein Wechselstrom.
Der elektrische Strom ist insbesondere ein dreiphasiger Strom.
Die Carnot-Batterie 2 ist dazu eingerichtet, den elektrischen Strom in Wärme umzuwandeln, die Wärme zu speichern, und beispielsweise im Bedarfsfall zurück in Elektrizität zu wandeln. Alternativ kann die gespeicherte Wärme in Form eines erwärmten Fluides, beispielsweise Dampf und/oder überhitztem Wasser, einem nachgeschalteten Prozess zugeführt werden. Die Carnot-Batterie 2 umfasst einen Wärmeerzeuger 8 zur Erwärmung eines Fluides mit dem elektrischen Strom und beispielsweise einen Wärmespeicher 10 zur Speicherung von Wärme des vom Wärmeerzeuger 8 erwärmten Fluides.
Das vom Wärmeerzeuger 8 erwärmte Fluid umfasst beispielsweise Dampf und/oder überhitztes Wasser. Gemäß einem Beispiel umfasst das erwärmte Fluid eine Mischung aus Dampf und überhitztem Wasser.
Unter „überhitztem Wasser“ wird ein Zustand verstanden, bei dem die Temperatur des Wassers höher ist als die Sättigungstemperatur bei dem vorliegenden Druck.
Des Weiteren umfasst die Carnot-Batterie 2 beispielsweise einen Umwandler 12 zur Umwandlung der Wärme in Elektrizität.
Die Carnot-Batterie 2 umfasst beispielsweise mindestens ein Auslassrohr 13, welches dazu eingerichtet ist, das Medium, insbesondere Dampf, vom Wärmespeicher 10 zum Umwandler 12 und/oder zu einem nicht dargestellten Anlageteil zu leiten, welcher Dampf benötigt.
Beispielsweise umfasst die Carnot- Batterie einen Abzweig 13A, welcher zur Bereitstellung des erwärmten Fluides eingerichtet ist, beispielsweise zur Weiterleitung des erwärmten Fluides zu einem nachgeschalteten Prozess oder zum nicht dargestellten Anlageteil, welcher das erwärmte Fluid, insbesondere Dampf, benötigt.
Das Auslassrohr 13 und/oder der Abzweig 13A umfasst/umfassen beispielsweise eines oder mehr nicht dargestellte Ventile.
Beispielsweise ist der Wärmeerzeuger 8 unter oder seitlich unter dem Wärmespeicher 10 positioniert. Dies ermöglicht zumindest teilweise eine natürliche Konvektion eines Mediums, insbesondere Dampf, vom Wärmeerzeuger 8 in den Wärmespeicher 10, insbesondere ohne Anwendung einer Pumpe zum Pumpen des Mediums.
Unter dem Begriff „unter“ ist hier eine Anordnung verstanden, in der zumindest ein T eil des Wärmeerzeuger 8 auf einem niedrigeren Niveau als jeder T eil des Wärmespeichers 10 positioniert ist, gemäß einer vertikalen Richtung.
Die Figur 1 zeigt ein schematisches Beispiel der Carnot-Batterie 2 mit einem Wärmeerzeuger 8 gemäß einer ersten Ausführungsform. Diese erste Ausführungsform wird nun beschrieben.
Der Wärmeerzeuger 8 umfasst mindestens einen Einlass 14, mindestens einen Auslass 16, so wie eine Vielzahl von Rohren 18 zwischen dem Einlass 14 und dem Auslass 16. Der oder jeder Einlass 14 ist dazu eingerichtet, ein Medium, wie beispielsweise Wasser im flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand, zu erhalten und in die Rohre 18 zu leiten.
Der oder jeder Auslass 16 ist dazu eingerichtet, das Medium, insbesondere in Form von Dampf, aus einem dem Einlass 14 gegenüber angeordneten Ende der Rohre 18 zu erhalten und das Medium in Richtung des Wärmespeichers 10 weiterzuleiten.
Die Rohre 18 sind zwischen dem Einlass 14 und dem Auslass 16 fluidtechnisch oder strömungstechnisch parallel verbunden.
Beispielsweise erstrecken sich die Rohre 18 entlang einer jeweiligen Rohrachse. Insbesondere sind die Rohrachsen der Rohre 18 zumindest teilweise parallel zueinander angeordnet. Beispielsweise erstrecken sich alle Rohrachsen parallel zueinander, vorzugsweise über mindestens 90% einer Rohrlänge oder über eine gesamte Rohrlänge zwischen dem Einlass 14 und dem Auslass 16.
Jedes Rohr 18 ist beispielsweise zwischen 2 und 50 Meter lang, gemäß der Rohrachse.
Beispielsweise hat jedes Rohr 18 einen Durchmesser zwischen 6 und 40 mm.
Gemäß einem Beispiel ist jedes Rohr 18 aus Metall.
Gemäß einem Beispiel umfasst zumindest eines der Rohre 18, vorzugsweise alle Rohre 18, einen Kompensationsabschnitt. Der Kompensationsabschnitt ist dazu eingerichtet, thermische Spannungen entlang einer Längsrichtung des jeweiligen Rohres 18 auszugleichen. Die Längsrichtung entspricht beispielsweise der Rohrachse.
Gemäß einem Beispiel umfasst der Kompensationsabschnitt eine spiralförmige Wicklung über zumindest eines Teils der Länge des Rohres 18. Beispielsweise wird das oder jedes Rohr 18 zumindest teilweise spiralförmig gewickelt.
Gemäß einem Beispiel weist das oder jedes Rohr 18 in dem Kompensationsabschnitt eine Orientierung einer Wandung des Rohres 18 auf, welche einen Winkel zwischen 10° und 30°, beispielsweise 15°, mit einer senkrecht zur Rohrachse orientierten Ebene bildet. Beispielsweise ist das Rohr 18 vertikal orientiert, und die Wandung des Rohres 18 ist im Kompensationsabschnitt so orientiert, dass sie einen Winkel zwischen 10° und 30°, beispielsweise 15°, zur Horizontalen aufweist.
Des Weiteren umfasst der Wärmeerzeuger 8 eine Eingangsklemme 20 zum Anlegen der Phase(n) des elektrischen Stroms an die Rohre 18 und eine Ausgangsklemme 22 zur Ableitung bzw. Erdung des Stromes.
Erfindungsgemäß ist mindestens eine Phase des elektrischen Stroms direkt an den Rohren 18 an der Eingangsklemme 20 angelegt. Unter dem Ausdruck „direkt angelegt“ wird verstanden, dass die Phase des elektrischen Stroms durch die Eingangsklemme 20 direkt in eine Wandung der jeweiligen Rohre 18 geleitet wird. Dabei stellt die Wandung der Rohre 18 insbesondere eine T rennung zwischen einem Rohrinnenraum und einer Umgebung des Rohres 18 dar. Der Rohrinnenraum ist für einen Durchfluss des Mediums vorgesehen. Beispielsweise weist der Rohrinnenraum einen kreisförmigen oder im Falle einer spiralförmigen Wicklung elliptischen Querschnitt auf.
Die Eingangsklemme 20 ist elektrisch zwischen dem jeweiligen Einlass 14 und dem jeweiligen Auslass 16 des Wärmeerzeugers 8 angeordnet.
Beispielsweise ist die Eingangsklemme 20 an einer Längsposition jeden Rohres 18 angeordnet, welche sich in der Mitte des jeweiligen Rohres 18 in einer Längsrichtung des Rohres 18 oder zwischen der Mitte des Rohres 18 und dem Einlass 14 befindet.
Insbesondere ist die Längsposition, vom Einlass 14 aus gesehen, in einem Bereich zwischen 1/8 und der Hälfte der Länge des Rohres 18 angeordnet. Bei einer Anordnung der Eingangsklemme 20 nahe des Einlasses 14, beispielsweise bei 1/8 der Länge des Rohres 18, weist das Rohr 18 einen höheren durch den elektrischen Strom erzeugten Wärmefluss im Bereich zwischen der Eingangsklemme 20 und dem Einlass 14 auf, im Vergleich zu einem durch den Strom erzeugten Wärmefluss im Bereich zwischen der Eingangsklemme 20 und dem Auslass 16.
Gemäß einem Beispiel hängt die Längsposition der Eingangsklemme 20 an dem jeweiligem Rohr 18 von einem Betriebsdruck des Wärmeerzeugers 8 ab.
Beispielsweise wird mit steigendem Betriebsdruck die Längsposition der Eingangsklemme 20 in Richtung der Mitte des Rohres 18 verschoben.
Gemäß einem Beispiel, wie auch in Figur 1 illustriert, ist die Eingangsklemme 20 in der Mitte des Rohres 18 angeordnet, beispielsweise bei einem Betriebsdruck von 250bar.
Gemäß einem Beispiel ist die Eingangsklemme 20 ein Verteiler, welcher an mehrere Rohre 18 direkt angeschlossen ist. Insbesondere umfasst die Eingangsklemme 20 einen Verteiler, welcher sich orthogonal zu einer Längsrichtung der Rohre 18 und/oder parallel zum Einlass 14 und/oder parallel zum Auslass 16 erstreckt.
Gemäß einem Beispiel umfasst die Eingangsklemme 20 mehrere Teilklemmen, welche direkt an die Rohre 18 einer jeweiligen Gruppe angelegt sind.
Die Ausgangsklemme 22 ist zum einen mit dem Einlass 14 und/oder dem Auslass 16 verbunden, und zum anderen mit der Masse G verbunden.
Beispielsweise ist die Ausgangsklemme 22 sowohl mit den Einlass 14 als auch mit den Auslass 16 elektrisch verbunden. Insbesondere ist die Ausgangsklemme 22 direkt an ein Rohr, welches den Einlass 14 bzw. den Auslass 16 bildet, angeschlossen. Die Rohre 18 formen beispielsweise eine Widerstandsheizvorrichtung.
Beispielsweise ist die Eingangsklemme 20 dazu eingerichtet, die mindestens eine Phase des elektrischen Stroms an die Rohre 18 abzugeben, wobei der Strom durch die Rohre 18, insbesondere die Rohrwände, fließt und von der Ausgangsklemme 22 zur Masse G abgeleitet wird. Durch den elektrischen Widerstand der Rohrwände erhitzen sich die Rohre 18, wenn die Eingangsklemme 20 den Strom in die Rohrwände einleitet.
Gemäß einem Beispiel ist die Ausgangsklemme 22 ein Verteiler. Insbesondere ist die Ausgangsklemme 22 direkt elektrisch mit dem oder jedem Einlass 14 und dem oder jedem Auslass 16 verbunden.
Gemäß einem Beispiel, in Bezug auf die Figur 1 , umfasst der Wärmeerzeuger 8 mindestens drei Gruppen 24A, 24B, 24C. Jede Gruppe 24A, 24B, 24C umfasst mehrere der Rohre 18. Gemäß einem Beispiel, wonach der elektrische Strom ein dreiphasiger Strom ist, ist eine jeweilige Phase dieses dreiphasigen Stroms direkt an die Rohre 18 der entsprechenden Gruppe 24A, 24B, 24C angelegt.
Jede Gruppe 24A, 24B, 24C weist beispielsweise eine identische Anzahl an Rohren 18, jeweils einen Einlass 14, und jeweils einen Auslass 16 auf.
Jede Gruppe 24A, 24B, 24C ist insbesondere identisch, wobei die jeweilige Eingangsklemme 20 dafür eingerichtet ist eine jeweilige Phase des dreiphasigen Stroms in die Rohre 18 der jeweiligen Gruppe 24A, 24B, 24C zu leiten.
Vorzugsweise umfasst jede Gruppe 24A, 24B, 24C mindestens eines oder mehrere der oben genannten Merkmale des Wärmeerzeugers 8.
Gemäß einer nicht gezeigten Variante, umfasst der Wärmeerzeuger 8 nur eine einzige Gruppe, zwei Gruppen oder mehr als drei Gruppen.
Der Wärmespeicher 10 ist dazu eingerichtet, das Medium, insbesondere Dampf, vom Wärmeerzeuger 8 und/oder von einem nicht dargestellten dampferzeugenden Prozess zu erhalten. Der Wärmespeicher 10 ist insbesondere dazu eingerichtet, die Wärmeenergie des Dampfes bzw. des überhitzten Wassers in dem Salz zu speichern und bei Bedarf die gespeicherte Wärmeenergie wieder zumindest teilweise in Form von Dampf zur Verfügung zu stellen.
Der Wärmespeicher 10 enthält insbesondere ein Wärmespeichermaterial zur Speicherung von Wärme. Das Wärmespeichermaterial umfasst beispielsweise ein Salz, welches beispielsweise ein geschmolzenes Salz ist. Das Salz umfasst beispielsweise eine Mischung aus verschiedenen Salzen.
Der Wärmespeicher 10 umfasst des Weiteren beispielsweise eine Vielzahl von Wärmetauscherelementen 25, beispielsweise in Form von Rohren. Das Salz ist beispielsweise zwischen den Wärmetauscherelementen 25 angeordnet. Die Wärmetauscherelemente 25 sind dazu eingerichtet, Dampf vom Wärmeerzeuger und/oder von dem nicht dargestellten dampferzeugenden Prozess zu erhalten und die Wärme des Dampfes auf das Salz zu übertragen bzw. einen Wärmetausch durchzuführen. Insbesondere kondensiert der Dampf bei diesem Wärmeaustausch zumindest teilweise und das Wärmespeichermaterial, beispielsweise in Form von Salz, schmilzt. Der Wärmespeicher 10 ist des Weiteren dazu eingerichtet, den kondensierten Dampf in Form von Wasser über eine Ablassleitung 36 abzulassen.
Der Wärmespeicher 10 ist des Weiteren dazu eingerichtet, Dampf zu generieren, insbesondere im Bedarfsfall von elektrischer Energie. Beispielsweise ist der Wärmespeicher 10 dazu eingerichtet, Wasser über eine Zuleitung 37 zu erhalten und dieses in den Wärmetauscherelemente 25 durch Wärmetausch mit der im Wärmespeichermaterial gespeicherten Wärme zu verdampfen. In diesem Falle ist der Wärmespeicher 10 des Weiteren beispielsweise dazu eingerichtet, den so erzeugten Dampf bzw. überhitztes Wasser an den Umwandler 12 und/oder einen nicht dargestellten Teil der Anlage 1 , welcher Dampf bzw. überhitztes Wasser benötigt, abzugeben.
Der Umwandler 12 umfasst beispielsweise eine Turbine und einen Generator zur Erzeugung von Elektrizität der Wärme, welche zuvor in dem Wärmespeicher 10 gespeichert ist. Dabei ist die Turbine insbesondere dazu eingerichtet, Wärme in Form von Dampf vom Wärmespeicher 10 zu erhalten, und mit Hilfe des Generators in elektrische Energie umzuwandeln.
Die Verrohrung 6 der Anlage 1 umfasst beispielsweise einen Zulauf 26 des Mediums, insbesondere von Wasser, sowie eine Pumpe 28, welche im Zulauf 26 angeordnet ist und dafür eingerichtet ist, das Medium Richtung des oder der Einlässe 14 des Wärmeerzeugers 8 zu pumpen.
Gemäß einem anderen Beispiel umfasst die Verrohrung 6 keine Pumpe. In diesem Falle wird ein Massenstrom des Mediums durch natürliche Konvektion erreicht, indem der Wärmeerzeuger warmes Fluid erzeugt, das durch die Temperaturerhöhung aufsteigt. Dieses wird dann im Wärmespeicher 10abgekühlt. Damit wird insbesondere kaltes und somit schweres Wasser erzeugt, das damit nach unten zum Eintritt in den Wärmeerzeuger strömt.
Die Verrohrung 6 umfasst des Weiteren eine Mehrzahl an Ventilen zum Absperren entsprechender Rohrabschnitte, insbesondere um die verschiedenen Betriebsweisen zu realisieren.
Die Verrohrung 6 umfasst des Weiteren Übertragungsrohre 30, welche dazu eingerichtet sind, das Medium, insbesondere Dampf bzw. überhitztes Wasser, von dem oder den Auslässen 16 zum Wärmespeicher 10 zu leiten. Die Verrohrung 6 umfasst des Weiteren beispielsweise einen Zulauf 32, welcher dazu geeignet ist, Dampf bzw. überhitztes Wasser aus dem nicht gezeigten wärmeerzeugenden Prozess dem Wärmespeicher 10 zuzuführen.
Die Verrohrung 6 umfasst des Weiteren beispielsweise die Ablassleitung 36, welche dazu eingerichtet ist, kondensierten Dampf bzw. abgekühltes Wasser aus dem Wärmespeicher 10 abzuleiten.
Die Verrohrung 6 umfasst des Weiteren beispielsweise die Zuleitung 37, welche mit dem Zulauf 26 und/oder der Pumpe 28 verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, den Wärmespeicher 10 mit Wasser zu versorgen.
Ein Verfahren zur Energieumwandlung mittels der Carnot-Batterie 2 wird nun beschrieben. Das Verfahren umfasst mindestens einen Erwärmungsschritt, einen Speicherschritt und einen Umwandlungsschritt.
Während des Erwärmungsschritts wird mindestens eine Phase des elektrischen Stroms an der jeweiligen Eingangsklemme 20 direkt an die Rohre 18 angelegt.
Beispielsweise wird die in die Rohre 18 abgegebene elektrische Leistung durch einen elektrischen Umformer gesteuert oder kontrolliert. Insbesondere steuert der Umformer damit die Wärmemenge pro Zeit, welche die Rohre 18 durch ihren elektrischen Widerstand erzeugen.
Die jeweilige Phase des elektrischen Stroms wird von der Eingangsklemme 20 in die Rohre 18 bis zu dem Einlass 14 und/oder dem Auslass 16 geleitet und über die Ausgangsklemme 22 zur Masse G abgeleitet. Dabei erzeugen die Rohre 18 durch elektrischen Widerstand beim Durchfluss des Stroms Wärme.
Das Medium, insbesondere Wasser, fließt vom Zulauf 26 in den oder jeden Einlass 14, durch die Rohre 18 und wird dabei durch die Wärme der Rohre 18 verdampft. Der Dampf fließt durch den oder jeden Auslass 16 und die Übertragungsrohre 30 in den Wärmespeicher 10.
Während des Speicherschritts speichert der Wärmespeicher 10 Wärme des vom Wärmeerzeuger 8 erzeugten Dampfes zumindest teilweise. Insbesondere nimmt das Wärmespeichermaterial, beispielsweise das Salz, die Wärme des Dampfes auf und speichert diese.
Während des Umwandlungsschritts, wandelt der Umwandler 12 die vom Wärmespeicher 10 gespeicherte Wärme zumindest teilweise in Elektrizität, insbesondere in einen elektrischen Strom um. Dabei generiert der Wärmespeicher 10 zunächst Dampf. Beispielsweise erhält der Wärmespeicher 10 Wasser über die Zuleitung 37 und verdampft dieses in den Wärmetauscherelementen 25 durch Wärmetausch mit der im Wärmespeichermaterial gespeicherten Wärme. Der Wärmespeicher 10 transportiert den so erhaltenen Dampf zum Umwandler 12 und/oder dem nicht dargestellten Teil der Anlage 1 , welcher Dampf benötigt.
Der Umwandler, insbesondere die Turbine, erhält beispielsweise den Dampf vom Wärmespeicher 10 und wandelt die Wärmeenergie im Dampf mit Hilfe des Generators in elektrische Energie um.
Mit Bezug auf Figur 2 wird nun die Carnot-Batterie 2 mit dem Wärmeerzeuger 8 gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Beispielsweise umfasst die Carnot- Batterie 2 zumindest einige, vorzugsweise alle Merkmale der ersten Ausführungsform, mit Ausnahme der nachfolgend beschriebenen Merkmale des Wärmeerzeugers 8.
Die gleichen oder ähnlichen Merkmale der Carnot-Batterie 2 gemäß der zweiten Ausführungsform im Vergleich zur ersten Ausführungsform sind nicht nochmal beschrieben. Insbesondere ist in der Figur 2 nur ein Teil der Energiequelle 4 und ein Teil des Wärmeerzeugers 8 dargestellt, wobei die anderen Elemente der Carnot-Batterie 2 analog zu den Elementen der Figur 1 sind.
Für gleiche oder ähnliche Elemente der Carnot-Batterie 2 gemäß der zweiten Ausführungsform im Vergleich zur ersten Ausführungsform werden die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst der Wärmeerzeuger 8 mindestens einen Verdampfungsteil 38 zum Verdampfen von dem Medium, insbesondere von Wasser, und umfasst des Weiteren mindestens einen Dampferhitzungsteil 40 zum Erhitzen von Dampf aus dem Verdampfungsteil 38. Der Wärmeerzeuger 8 umfasst des Weiteren beispielsweise einen Sammler 42, der den Verdampfungsteil 38 mit dem Dampferhitzungsteil 40 verbindet.
Der Verdampfungsteil 38 ist dazu eingerichtet, das Medium, insbesondere Wasser, durch den Einlass 14 zu erhalten, dieses zu verdampfen und in Form von Dampf an den Sammler 42 abzugeben. Der Dampferhitzungsteil 40 ist dazu eingerichtet, den Dampf vom Sammler 42 zu erhalten, weiter zu erhitzen, und an den Auslass 16 abzugeben.
Der Verdampfungsteil 38 und/oder der Dampferhitzungsteil 40 umfassen jeweils die entsprechenden Rohre 18, an denen die Eingangsklemme 20 befestigt ist, um den elektrischen Strom direkt die Rohre 18 zu leiten. Die Ausgangsklemme 22 ist insbesondere direkt elektrisch mit dem Einlass 14, dem Auslass 16 und eventuell zusätzlich dem Sammler 42 verbunden. In diesem Fall sind beispielsweise die Eingangsklemme 20 und die Ausgangsklemme 22 als Verteiler realisiert. Sowohl der Verdampfungsteil 38 als auch der Dampferhitzungsteil 40 ist dazu eingerichtet, das Medium zu erhitzen, durch Erhitzung der Rohre 18, an welchen die jeweilige Phase des elektrischen Stroms direkt angelegt wird.
Der Verdampfungsteil 38 und/der Dampferhitzungsteil 40 weisen beispielsweise jeweils eine identische Struktur zu den Wärmeerzeuger 8 gemäß der ersten Ausführungsform auf, außer dass der Verdampfungsteil 38 statt mit dem Auslass 16 direkt mit dem Sammler 42 verbunden ist, und dass der Dampferhitzungsteil 40 statt mit dem Einlass 14 direkt mit dem Sammler 42 verbunden ist.
Der Wärmeerzeuger 8 gemäß der Carnot- Batterie 2 der zweiten Ausführungsform umfasst beispielsweise mindestens drei Gruppen 24A, 24B, 24C. In diesem Falle umfasst jede Gruppe 24A, 24B, 24C den Verdampfungsteil 38, den Sammler 42, und den Dampferhitzungsteil 40.
Der Sammler 42 ist beispielsweise dazu eingerichtet, einen Druckausgleich und/eine Vermischung des Mediums zu erreichen.
Ein Verfahren zur Energieumwandlung mittels der Carnot-Batterie 2 mit dem Wärmeerzeuger 8 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst vorzugsweise alle Merkmale des Verfahren mittels der Carnot- Batterie 2 der ersten Ausführungsform, mit Ausnahme der nachfolgend beschriebenen Merkmale.
Während des Erwärmungsschritts wird mindestens eine Phase des elektrischen Stroms an der jeweiligen Eingangsklemme 20 direkt an die Rohre 18 sowohl des Verdampfungsteils 38 als auch des Dampferhitzungsteils 40 angelegt. Die jeweilige Phase des elektrischen Stroms wird von der Eingangsklemme 20 in die Rohre 18 bis zu dem Einlass 14, dem Sammler 42 und/oder dem Auslass 16 geleitet und über die Ausgangsklemme 22 zur Masse G abgeleitet. Dabei erzeugen die Rohre 18 durch elektrischen Widerstand beim Durchfluss des Stroms Wärme.
Das Medium, insbesondere Wasser, fließt vom Zulauf 26 (siehe insbesondere Figur 1 ) in den oder jeden Einlass 14, durch die Rohre 18 des Verdampfungsteils 38 und wird dabei durch die Wärme der Rohre 18 verdampft. Das Medium fließt dann durch den Sammler 42 in die Rohre 18 des Dampferhitzungsteils 40. Im Dampferhitzungsteil 40 wird das Medium (hier insbesondere Dampf) weiter erhitzt die Wärme der Rohre 18 und strömt dann in den oder jeden Auslass 16.
Das weitere Verfahren ist insbesondere so wie oben beschrieben.
In Bezug auf Figur 3 wird nun ein Beispiel der Carnot- Batterie 2 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben, wobei die Carnot-Batterie 2 den Wärmespeicher 10 gemäß einer Variante umfasst. Der Wärmespeicher 10 gemäß der Variante umfasst beispielsweise einen Vorerwärmungsteil 43 und einen Speichererhitzungsteil 44.
Beispielsweise umfasst der Vorerwärmungsteil 43 eine Salzmischung als Wärmespeichermaterial, welche eine andere Zusammensetzung aufweist als die Salzmischung, welche als Wärmespeichermaterial im Speichererhitzungsteil 44 angeordnet ist. Insbesondere umfasst der Vorerwärmungsteil 43 eine Salzmischung, welche für eine niedrigere Temperatur angepasst ist gegenüber der Salzmischung des Speichererhitzungsteils 44.
Gemäß einem Beispiel umfassen die Übertragungsrohre 30 eine Vielzahl von Rohren, welche den oder jeden Auslass 16 des Wärmeerzeugers 8 mit dem Wärmespeicher 10 verbinden, insbesondere mit Wärmetauscherelementen 25. Beispielsweise verbindet jedes Rohr der Übertragungsrohre 30 den Auslass 16 oder einen der Auslässe 16 direkt mit einem jeweiligen Wärmetauscherelement 25. Beispielsweise ist jedes Wärmetauscherelement 25 über ein spezifisch ihm zugeordneten Rohr der Übertragungsrohre 30 mit dem Auslass 16 verbunden.
Beispielsweise umfassen die Übertragungsrohre 30 eine Vielzahl an Abzweigungen 46, welche so angeordnet sind, dass ein vom Auslass 16 erhaltener Fluidstrom des Mediums, insbesondere Dampf oder ein Wasser-Dampf-Gemisch, in einen ersten Teil und einen zweiten Teil aufgeteilt wird. Der erste Teil ist insbesondere zur Weiterleitung in den Vorerwärmungsteil 43 bestimmt und der zweite Teil ist insbesondere zur Weiterleitung in den Speichererhitzungsteil 44 bestimmt. Der zweite Teil ist vorzugsweise heißer als der erste Teil. Während eines Betriebs der Carnot-Batterie 2 wird also insbesondere der erste Teil in den Vorerwärmungsteil 43 und der zweite Teil in den Speichererhitzungsteil 44 geleitet.
Beispielsweise umfasst jede Abzweigung 46 ein T-Stück, wobei ein horizontaler Teil des T-Stücks den ersten Teil des Fluidstroms in Richtung des Vorerwärmungsteils 43 ableitet und ein vertikal nach oben gerichteter Teil des T-Stücks den zweiten Teil des Fluidstroms in Richtung des Speichererhitzungsteils 44 ableitet. Dies ist besonders effektiv, wenn das erwärmte Fluid ein Gemisch aus Wasser und Dampf ist. In diesem Fall separiert das T-Stück das Gemisch in eine Strömung mit maßgeblich Dampf und in eine Strömung mit maßgeblich Wasser. Der Anteil mit dem geringeren Dampfanteil hat eine geringere Fähigkeit, Wärme zu übertragen. Deswegen wird dieser Anteil dem Vorerwärmungsteil 43 zugeführt. Der verbleibende Anteil mit einem hohen Anteil hat eine gute Fähigkeit Wärme zu übertragen. Deswegen wird dieser Anteil dazu genutzt, den Speichererhitzungsteils 44 zu erwärmen, der auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird. Beim Ausspeichern wird dieser Anteil dann insbesondere genutzt, um Fluid auf einem höheren Enthalpieniveau zu erzeugen, wie z.B. Dampf.
Insbesondere umfasst der Wärmespeicher 10 gemäß der Variante zwei Teile 43, 44 mit unterschiedlicher Temperatur und unterschiedlichen Salzmischungen als Wärmespeichermaterial. Dies erhöht insbesondere einen Wirkungsgrad des Wärmespeichers 10.
Weitere Merkmale der Carnot-Batterie 2 mit dem Wärmespeicher 10 gemäß der Variante der Figur 3 sind beispielsweise identisch zur Carnot-Batterie 2 gemäß der ersten Ausführungsform.
In einem anderen Beispiel sind mindestens einige, oder alle Merkmale der Carnot- Batterie 2 mit dem Wärmespeicher 10 gemäß der Variante der Figur 3 gemäß der Carnot- Batterie 2 der zweiten Ausführungsform.
Die vorliegende Erfindung weist eine große Anzahl an Vorteilen auf.
Durch das Anlegen des elektrischen Stroms direkt an die Rohre 18 weist die Carnot- Batterie 2 eine sehr kurze Antwortzeit auf und kann daher beispielsweise bei kurzfristigem Überschuss elektrischer Energie rasch aufgeladen werden. Insbesondere wird durch das direkte Anlegen des Stroms an den Rohren 18 eine rasche Erhitzung des Wassers beziehungsweise des Dampfes erreicht. Dies erlaubt somit insbesondere die Carnot- Batterie 2 auch in Fällen einzusetzen, in denen eine schnelle Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme erforderlich ist, oder in denen nur über einen kurzen Zeitraum beispielsweise überschüssige elektrische Energie in Form von Wärme gespeichert werden soll.
Des Weiteren weist die Carnot-Batterie 2 ein geringes Gewicht auf, insbesondere da keine zusätzlichen Heizspindeln benötigt werden.
Zudem ist ein Gesamtwasserverbrauch gering, da die Carnot-Batterie 2, und insbesondere der Wärmeerzeuger 8, besonders kompakt sind.
Insbesondere weist die Carnot- Batterie 2 einen hohen Wirkungsgrad auf, da ein sehr großer Anteil der elektrischen Energie direkt in Wärmeenergie umgewandelt wird.
Vorzugsweise ist die Carnot-Batterie 2 dazu eingerichtet, das erwärmte Fluid für eine nachfolgende Nutzung zur Verfügung zu stellen und/oder den Umwandler 12 zur Erzeugung elektrischer Energie zu versorgen. Zusätzlich erfolgt beispielsweise die Versorgung entweder durch den elektrisch beheizten Wärmeerzeuger 8 oder durch Ausspeichern aus einer Salzschmelze. Die nachfolgende Nutzung kann beispielsweise darin bestehen, dass Dampf bzw. überhitztes Wasser einem nachgeschalten Prozess zugeführt wird. Eine andere Form der Nutzung kann darin liegen, dass Umwandlung der Wärme zurück in Dampf dazu genutzt wird, um mittels des Umwandlers 12 wieder Elektrizität zu erzeugen. Dabei erfolgt vorzugsweise die Erzeugung an elektrischer Energie zu einem Zeitpunkt, wenn eine zu geringe Menge an elektrischer Energie im Netz verfügbar ist. Auf Grund dieses Prozesses ermöglicht die Carnot-Batterie eine Wirkungsgraderhöhung, da zum Zeitpunkt einer Überkapazität an elektrischem Strom sehr schnell ohne Verlust an Vorwärmezeiten oder hohen thermische Kapazitäten direkt Dampf bzw. überhitztes Wasser erzeugt wird.
Die Carnot-Batterie 2 ermöglicht es insbesondere, entsprechend der Kapazität an elektrischer Energie im Netz, elektrischen Strom zu erzeugen oder alternativ bzw. gleichzeitig Wärme in Form von Dampf bzw. überhitztem Wasser in einem nachgeschalten Prozess bereitzustellen, indem die zur Verfügung stehende elektrische Energie im Netz zeitlich je nach Verfügbarkeit direkt dem nachgeschalteten Prozess bereitgestellt wird bzw. bei Überkapazitäten des elektrischen Netzes in einem Wärmespeicher zwischen gespeichert wird. Beispielsweise wird bei einer Unterkapazität im elektrischen Netz diese Wärme dem Speicher entzogen, um Dampf bzw. überhitztes Wasser zu erzeugen, der bzw. das dann dem nachgeschalteten Prozess bzw. dem Umwandler 12 zur Stromerzeugung zugeführt wird.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Carnot-Batterie (2), umfassend einen Wärmeerzeuger (8) zur Erwärmung eines Fluides mit elektrischem Strom, einen Wärmespeicher (10) zur Speicherung von Wärme des vom Wärmeerzeuger (8) erwärmten Fluides, wobei die Carnot-Batterie (2) des Weiteren einen Umwandler (12) zur Umwandlung der Wärme in Elektrizität und/oder einen Abzweig (13A) des Wärmespeichers (10) zu einer Bereitstellung des erwärmten Fluides umfasst, wobei der Wärmeerzeuger (8) eine Vielzahl von Rohren (18) zwischen mindestens einem Einlass (14) und mindestens einem Auslass (16) aufweist, wobei die Rohre (18) fluidtechnisch parallel verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Phase des elektrischen Stroms direkt an die Rohre (18) an einer Eingangsklemme (20) angelegt wird, wobei die Eingangsklemme (20) elektrisch zwischen dem mindestens einen Einlass (14) und dem mindestens einen Auslass (16) des Wärmeerzeugers (8) angeordnet ist, wobei eine Ausgangsklemme (22) des elektrischen Stroms mit der Masse (G) verbunden ist und mit dem mindestens einen Einlass (14) und/oder dem mindestens einen Auslass (16) verbunden ist.
2. Carnot-Batterie (2) nach Anspruch 1 , wobei der Wärmespeicher (10) ein Wärmespeichermaterial enthält, welches ein Salz umfasst.
3. Carnot- Batterie (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rohre (18) eine Widerstandsheizvorrichtung bilden.
4. Carnot-Batterie (2) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Rohre (18) entlang einer jeweiligen Rohrachse erstrecken, wobei die Rohrachsen zumindest teilweise parallel zueinander angeordnet sind.
5. Carnot-Batterie (2) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Rohre (18) einen Kompensationsabschnitt umfasst, welcher dazu eingerichtet ist, thermische Spannungen entlang einer Längsrichtung des Rohrs (18) auszugleichen.
6. Carnot-Batterie (2) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das vom Wärmeerzeuger (8) erwärmte Fluid Dampf und/oder überhitztes Wasser umfasst.
7. Carnot-Batterie (2) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmeerzeuger (8) mindestens einen Verdampfungsteil (38) zum Verdampfen von Wasser und mindestens einen Dampferhitzungsteil (40) zum Erhitzern von Dampf aus dem Verdampfungsteil (38) umfasst, wobei der Wärmeerzeuger (8) des Weiteren einen Sammler (42) umfasst, der den Verdampfungsteil (38) mit dem Dampferhitzungsteil (40) verbindet.
8. Carnot-Batterie (2) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmeerzeuger (8) mindestens drei Gruppen (24A, 24B, 24C) umfasst, wobei jede Gruppe (24A, 24B, 24C) mehrere Rohre (18) der Vielzahl von Rohren (18) umfasst, wobei der elektrische Strom ein dreiphasiger Strom ist, wobei eine jeweilige Phase des dreiphasigen Stroms direkt an die Rohre (18) der entsprechenden Gruppe (24A, 24B, 24C) angelegt wird.
9. Carnot-Batterie (2) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eingangsklemme (20) an einer Längsposition jeden Rohres (18) angeordnet ist, welche sich in der Mitte des Rohres (18) in einer Längsrichtung des Rohres (18) oder zwischen der Mitte des Rohres (18) und dem Einlass (14) befindet, wobei vorzugsweise die Längsposition in Abhängigkeit von einem Betriebsdruck des Wärmeerzeugers (8) gewählt wird.
10. Carnot- Batterie (2) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmeerzeuger (8) unter oder seitlich unter dem Wärmespeicher (10) positioniert ist.
1 1. Carnot- Batterie (2) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eingangsklemme (20) und/oder die Ausgangsklemme (22) ein Verteiler ist/sind.
12. Carnot-Batterie (2) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmespeicher (10) einen Vorerwärmungsteil (43) und einen Speichererhitzungsteil (44) umfasst, wobei der mindestens eine Auslass des Wärmeerzeugers (8) mit dem Wärmespeicher (10) über mindestens ein Übertragungsrohr (30) verbunden ist, wobei das mindestens eine Übertragungsrohr (30) mindestens eine Abzweigung (46) umfasst, welche so angeordnet ist, dass ein vom Auslass (16) erhaltener Fluidstrom aufgeteilt wird in einen ersten Teil für eine Weiterleitung in den Vorerwärmungsteil (43), und einen zweiten Teil für eine Weiterleitung in den Speichererhitzungsteil (44), wobei der zweite Teil heißer ist als der erste Teil.
13. Verfahren zur Energieumwandlung mittels einer Carnot-Batterie (2), wobei die Carnot-Batterie (2) einen Wärmeerzeuger (8) zur Erwärmung eines Fluides mit elektrischem Strom umfasst, wobei der Wärmeerzeuger (8) eine Vielzahl von Rohren (18) zwischen mindestens einem Einlass (14) und mindestens einem Auslass (16) aufweist, wobei die Rohre (18) fluidtechnisch parallel verbunden sind, wobei das Verfahren zumindest einen Erwärmungsschritt umfasst, in dem mindestens eine Phase des elektrischen Stroms an einer Eingangsklemme (20) direkt an die Rohre (18) angelegt wird und die Rohre (18) durch elektrischen Widerstand Wärme erzeugen, wobei die Eingangsklemme (20) elektrisch zwischen dem mindestens einen Einlass (14) und dem mindestens einen Auslass (16) des Wärmeerzeugers (8) angeordnet ist, wobei eine Ausgangsklemme (22) des elektrischen Stroms mit der Masse (G) verbunden ist und mit dem mindestens einen Einlass (14) und/oder dem mindestens einen Auslass (16) verbunden ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Carnot- Batterie (2) des Weiteren einen Umwandler (12) zur Umwandlung der Wärme in Elektrizität und/oder einen Abzweig (13A) zu einer Bereitstellung des erwärmten Fluides umfasst, wobei die Carnot-Batterie (2) des Weiteren einen Wärmespeicher (10) zur Speicherung von Wärme des vom Wärmeerzeuger (8) erwärmten Fluides umfasst, wobei das Verfahren des Weiteren einen Speicherschritt umfasst, in dem der Wärmespeicher (10) Wärme des vom Wärmeerzeuger (8) erwärmten Fluides zumindest teilweise speichert; wobei das Verfahren vorzugsweise des Weiteren einen Umwandlungsschritt umfasst, in dem der Umwandler (12) die vom Wärmespeicher (10) gespeicherte Wärme zumindest teilweise in Elektrizität umwandelt.
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