NL2015295B1 - Systeem voor het opslaan van elektrische energie. - Google Patents

Abstract

De uitvinding heeft betrekking op een systeem voor het opslaan van elektrische energie in de vorm van warmte, het systeem omvattende: - een reservoir; - een hoeveelheid in het reservoir aangebracht energie-opslagmateriaal; - een stelsel van in het energie-opslagmateriaal ingebedde buisvormige elementen, vervaardigd van warmte- en elektriciteit geleidend materiaal; - circulatie-eenheid voor het circuleren van een warmtetransportfluïdum door de buisvormige elementen; - aansluitelementen ingericht voor het aansluiten van ten minste een aantal van de één of meer van de buisvormige elementen op ten minste één elektrische-energiebron; waarbij de aansluitelementen zijn ingericht voor het geleiden van een elektrische stroom over de lengte van het genoemde aantal van de één of meer buisvormige elementen.

Description

SYSTEEM VOOR HET OPSLAAN VAN ELEKTRISCHE ENERGIE

De uitvinding heeft betrekking op een systeem en werkwijze voor het opslaan van elektrische energie.

Elektriciteit kan op een groot aantal manieren gegenereerd worden. Elektriciteit kan bijvoorbeeld worden opgewekt in een traditionele elektriciteitscentrale die is voorzien van één of meer generatoren waarmee een wisselspanning geproduceerd kan worden. De generatoren worden aangedreven door stoomturbines welke van stoom voorzien worden door water of soortgelijke vloeistof tot stoom te verwarmen. Het verwarmen van water kan op verschillende manieren gerealiseerd worden. Er zijn elektriciteitscentrales waarin koolwaterstoffen worden verbrand om de warmte te genereren die nodig is om het water tot stoom te brengen en de stoomturbine aan te drijven. Voorbeelden hiervan zijn op kolen, olie of gas gestookte elektriciteitscentrales. In andere centrales worden gebruikt gemaakt van kernenergie om de gewenste warmte te ontwikkelen om de stoomturbines aan te drijven. Dergelijke traditionele elektriciteitscentrales hebben het voordeel dat de benodigde brandstof (koolwaterstoffen, kernsplitsingsmateriaal) onder normale omstandigheden altijd beschikbaar is. De hoeveelheid door deze elektriciteitscentrales opgewekte elektrische energie kan daarom gemakkelijk worden afgestemd op de instantane behoefte van de eindgebruikers.

Een bezwaar van dergelijke traditionele elektriciteitscentrales is dat ze voor de omgeving vaak belastend zijn, bijvoorbeeld vanwege de uitstoot van verbrandingsgassen bij het verwarmen van het water. Om dit bezwaar te ondervangen en/of om te komen tot een meer duurzame opwekking van elektrische energie zijn alternatieve systemen ontwikkeld om elektrische energie op te wekken. Een voorbeeld van een dergelijk alternatief energie-opwekkingssysteem is een zonnecollectorcentrale. Een dergelijke centrale kan bijvoorbeeld een groot aantal zonnecollectoren of -panelen omvatten met fotovoltaïsche cellen die het opgevangen zonlicht direct omzetten in elektriciteit. Een ander voorbeeld van een alternatief energie-opwekkingssysteem wordt gevormd door een windturbinecentrale. Windturbines gebruiken de energie van de wind om een generator aan te drijven, welke generator op zijn beurt elektriciteit opwekt.

Een bezwaar van dergelijke systemen voor het opwekken van duurzame energie is dat de hoeveelheid door deze systemen geleverde elektriciteit en met name de timing van de levering sterk variëren. Bij windturbines is het door de generator geleverde vermogen afhankelijk van de momentane windsnelheid. Zonnecollectoren produceren ’s nachts in beginsel geen energie en ook overdag varieert het geleverde vermogen sterk. Indien de door de alternatieve centrales geleverde energie tijdelijk groter is dan de hoeveelheid door de gebruikers gevraagde energie, kan de extra beschikbare energie niet nuttig gebruikt worden en gaat deze verloren. Anderzijds, wanneer de alternatieve energiecentrales te weinig energie leveren, dat wil zeggen minder energie leveren dan door de gebruikers op een gegeven ogenblik wordt gevraagd, zullen de traditionele energiecentrales toch bij moeten schakelen om aan de vraag te voldoen. Dit probleem belemmert de grootschalige toepassing van duurzame energie. Het is van belang een manier te vinden om de door de alternatieve energiecentrales gegenereerde energie tijdelijk op te kunnen slaan, zodat deze energie op een later tijdstip ter beschikking kan worden gesteld. De opslagperiode kan een periode zijn van de orde van een dag, een periode van de orde van een jaar, of een periode met een andere lengte.

Er zijn talloze concepten ontwikkeld voor het tijdelijk opslaan van elektrische energie die geproduceerd wordt door alternatieve energiebronnen. Geen van deze concepten is in de praktijk succesvol gebleken. Verder zijn veel van de bekende concepten zeer milieubelastend·

Het is een doel van de uitvinding een systeem en werkwijze te vinden waarin de bovengenoemde bezwaren ten minste gedeeltelijk zijn opgelost. Het is een verder doel van de uitvinding een systeem en werkwijze te verschaffen waarin elektriciteit gedurende een periode van ten minste 24 uur kan worden opgeslagen. Het is ook een doel van de uitvinding een systeem en werkwijze te verschaffen waarin elektrische energie gedurende langere periodes kan worden opgeslagen, van enkele maanden tot potentieel een j aar of meer.

Volgens een aspect van de uitvinding wordt ten minste één van de doelen bereikt in een systeem voor het opslaan van energie, het systeem omvattende: - een op een ondergrond gebouwd of te bouwen reservoir; - een hoeveelheid in het reservoir aangebracht energie-opslagmateriaal; - een stelsel van in het energie-opslagmateriaal ingebedde buisvormige elementen, vervaardigd van warmte geleidend materiaal; - circulatie-eenheid voor het circuleren van een warmtetransportfluïdum door de buisvormige elementen; - verwarmingseenheid die is ingericht voor het omzetten van elektrische energie in warmte om het warmtetransportfluïdum te verwarmen; waarbij de buisvormige elementen zijn vervaardigd van warmtegeleidend materiaal voor het overdragen van warmte van het door de verwarmingseenheid verwarmde warmtetransportfluïdum naar het energie-opslagmateriaal voor het daarin opslaan daarvan. Hiernaast zal het warmtegeleidende materiaal ook bijdragen aan de opwarming van het energie-opslagmateriaal door het directe contact tussen de buizen en dit energie-opslagmateriaal.

Het reservoir wordt op een ondergrond, bijvoorbeeld een stuk grond in de nabijheid van een energiecentrale, opgebouwd. Het reservoir omvat bijvoorbeeld een gebouw of een door wanden of dijken omgeven gebied waarin een groot aantal buisvormige elementen kunnen worden opgesteld. De buisvormige elementen worden ingebed in energie-opslagmateriaal. Bij voorkeur is de inbedding zodanig dat over de buisvormige elementen over in essentie hun hele buitenoppervlak direct in contact staan met het energie-opslagmateriaal teneinde een goede en efficiënte energieoverdracht naar en van het energie-opslagmateriaal mogelijk te maken. De buisvormige elementen kunnen zijn aangesloten op een afvoer van warmtetransport-fluïdum van relatief hoge temperatuur, bijvoorbeeld de warmwaterafvoer van een energiecentrale, zoals een kerncentrale. De warmte van de wand van de buisvormige elementen kan als gevolg van de warmtegeleidende eigenschappen daarvan worden overgedragen op het energie-opslagmateriaal. Het energie-opslagmateriaal neemt deze warmte op en houdt deze vast totdat (aan het einde van de genoemde opslagperiode) de warmte weer aan het opslagmateriaal onttrokken wordt via het fluïdum. Met het opgewarmde fluïdum kan op bekende wijze, bijvoorbeeld via een of meer generatoren, elektrische energie worden opgewekt.

Het stelsel van buisvormige elementen vormt bij voorkeur een gesloten systeem waardoor het warmte-transportfluïdum getransporteerd kan worden. Voor het op vangen van volumeveranderingen als gevolg van temperatuurvariaties van het fluïdum kan het systeem op bekende wijze voorzien zijn van één of meer expansievaten. Het transport wordt gerealiseerd door de circulatie-eenheid, die bijvoorbeeld is opgebouwd uit één of meer pompen en/of een of meer in de buisvormige elementen aangebrachte, regelbare doorlaatkleppen. De circulatie-eenheid kan zijn ingericht om het fluïdum naar wens in de gewenste richting te transporteren: in een eerste richting voor het opwarmen van het energie-opslagmateriaal en in een tweede, tegenovergestelde richting voor het onttrekken van warmte aan het reservoir.

In een uitvoeringsvorm van de uitvinding is het materiaal van de buisvormige element niet alleen warmtegeleidend, maar tevens elektrisch geleidend. In deze uitvoering kan het fluïdum in de buis direct verwarmd worden door elektrische spanning op het buisvormige element aan te brengen. Er gaat dan een stroom door de wand van het buisvormige element lopen, welke stroom de inhoud van het buisvormige element (d.w.z. het fluïdum) en/of direct het energie-opslagmateriaal rondom het buisvormige element opwarmt.

In een verdere uitvoering omvat het systeem een aantal aansluitelementen die zijn bevestigd aan een of meer van de buisvormige elementen en die zijn ingericht voor het aansluiten van ten minste een aantal van de één of meer van de buisvormige elementen op ten minste één elektrische-energiebron. De aansluitelementen zijn bij voorkeur zodanig gerangschikt dat een elektrische stroom over een vooraf bepaalde lengte van de buisvormige elementen aangelegd wordt. Op deze wijze kan de overtollige, elders opgewekte elektrische energie gemakkelijk in warmte worden omgezet welke warmte voor langere tijd in het energie-opslagmateriaal kan worden opgeslagen.

Volgens een tweede aspect van de uitvinding wordt een systeem voor het opwekken van elektrische energie verschaft, omvattende: - een op een ondergrond gebouwd of te bouwen reservoir; - een hoeveelheid in het reservoir aangebracht energie-opslagmateriaal; - een stelsel van in het energie-opslagmateriaal ingebedde buisvormige elementen, vervaardigd van warmte geleidend materiaal; - circulatie-eenheid voor het circuleren van een warmtetransportfluïdum door de buisvormige elementen; - verwarmingseenheid die is ingericht voor het omzetten van elektrische energie in warmte om het warmtetransportfluïdum te verwarmen; waarbij de buisvormige elementen zijn vervaardigd van warmtegeleidend materiaal voor het in een eerste gebruiksmodus overdragen van warmte van het door de verwarmingseenheid verwarmde warmtetransportfluïdum naar het energie-opslagmateriaal voor het daarin opslaan daarvan en het in een tweede gebruiksmodus overdragen van warmte van het energie-opslagmateriaal naar het warmtetransportfluïdum; - een elektrische-energieopwekeenheid voor het genereren van elektrische energie uit het door het energieopslagmateriaal opgewarmde warmtetransportfluïdum.

Hiermee kan de tijdelijk in de vorm van warmte in het reservoir opgeslagen elektrische energie weer worden omgezet in elektrische energie. Deze elektrische energie kan in beginsel te allen tijde, zonder externe belemmeringen zoals door het weer of de beschikbaarheid van zonlicht, en zonder tijdsvertraging worden gegenereerd en aan de gebruikers (bijv. huishoudens of industrie) worden aangeboden, bijvoorbeeld door de elektrische energie toe te voeren aan het bestaande (hoogspannings-) elektriciteitsnetwerk.

Volgens een uitvoeringsvorm omvat het systeem: - kleppen voor het reguleren van de fluïdumstroming in ten minste een aantal van de buisvormige elementen van het stelsel van buisvormige elementen. De kleppen kunnen eventueel worden aangestuurd door de hierna te beschrijven besturingseenheid. Hierdoor is het mogelijk de temperatuurverdeling van het energie-opslagmateriaal in het reservoir naar believen in te stellen.

Volgens een uitvoeringsvorm omvat het systeem, een of meer pompen voor het pompen van de fluïdumstroming door ten minste een aantal van de buisvormige elementen van het stelsel van buisvormige elementen.

Deze pompen kunnen in plaats van of naast de genoemde kleppen worden gebruikt om de fluïdumstroom naar verlangen te veranderen, bijvoorbeeld om de temperatuurverdeling van het energie-opslagmateriaal in het reservoir naar believen in te stellen.

In een uitvoeringsvorm van de uitvinding omvat het systeem ten minste een besturingseenheid die is uitgevoerd voor selectief (laten) verwarmen van verschillende buisvormige elementen. Dit kan bijvoorbeeld door het sturen van elektrische stroom door een geselecteerde deel van de buisvormige elementen zodat het daarin stromende fluïdum en/of het plaatselijk aanwezige energieopslagmateriaal opgewarmd wordt. Deze besturingseenheid kan tevens gekoppeld zijn met de pompen en kleppen (voor zover aanwezig) om de stroom van het fluïdum door de buisvormige elementen naar wens aan te sturen. Bij een gewenste snelle verwarming van een deel van het energieopslagmateriaal kan er bijvoorbeeld voor gekozen worden om door een juiste aansturing van de kleppen en pompen het op te warmen fluïdum slechts door een klein aantal van de buisvormige elementen te laten stromen in plaats van door een groot aantal (of alle) buisvormige elementen opdat het fluïdum relatief snel een bepaalde minimum temperatuur kan bereiken. Op deze wijze kan de besturingseenheid een gewenste energieverdeling in het reservoir verschaffen.

Volgens een uitvoeringsvorm omvat het systeem een groot aantal in hoofdzaak rechte en/of zich in hoofdzaak evenwijdig ten opzichte van elkaar uitstrekkende buisvormige elementen. Deze rangschikking maakt een gewenste verdeling van de warmte over het materiaal in het reservoir mogelijk. Hierbij verdient het de voorkeur om te beginnen met opslaan van warmte in een gelokaliseerd deel van het materiaal in het reservoir, waarbij dit deel steeds groter kan worden naarmate er meer energie in het systeem wordt gestopt.

Volgens een uitvoeringsvorm omvat het stelsel van buisvormige elementen een eerste deelverzameling en een tweede deel verzameling van buisvormige elementen. De besturingseenheid kan hierbij zijn ingericht voor het selecteren van alleen de eerste deelverzameling van buisvormige elementen voor het toevoeren of afvoeren van het fluïdum. De besturingseenheid kan bijvoorbeeld ervoor zorgen dat eerst de buisvormige elementen uit de eerste deelverzameling een eerste deel van het energie-opslagmateriaal tot een bepaalde gewenste temperatuur verwarmen, waarna pas de tweede deelverzameling van buisvormige elementen wordt gebruikt voor het verwarmen van een tweede deel van het energie-opslagmateriaal, bijvoorbeeld totdat ook dit deel de gewenste temperatuur bereikt heeft. Dit betekent dat het reservoir sneller een gebied heeft waarvan het energie-opslagmateriaal voldoende is opgewarmd om te kunnen gebruiken voor het genereren van elektriciteit dan wanneer het gehele reservoir in één keer zou worden opgewarmd. Met andere woorden, er wordt ervoor gezorgd dat er zo snel mogelijk een hoeveelheid warmtetransportfluïdum beschikbaar kan worden gesteld van een temperatuur die voldoende hoog is om met de generator elektriciteit te laten genereren.

Volgens een uitvoeringsvorm gebeurt het verwarmen van het andere deel van het energieopslagmateriaal door het verplaatsen van het fluïdum van de buisvormige elementen in het deel van het energie-opslagmateriaal dat de gewenste temperatuur heeft bereikt naar buisvormige elementen in een ander deel van het energie-opslagmateriaal.

Volgens een uitvoeringsvorm gebeurt het verwarmen van het andere deel van het energieopslagmateriaal door het aanleggen van een elektrische stroom over de lengte van één of meer buisvormige elementen in het andere deel van het energie-opslagmateriaal.

In beide gevallen wordt eerst een deel van het opslagbuffer verwarmd, waarna bij voldoende energieaanvoer het verwarmde gebied kan worden vergroot. In de eerste methode wordt dit bewerkstelligd door fluïdum dat in één deel is opgewarmd te verplaatsen naar een te verwarmen deel, waarbij een voordeel kan zijn dat slechts een deel van de buizen in principe te verwarmen hoeven zijn; in de tweede methode wordt dit bewerkstelligd door de buizen in het te verwarmen gedeelte te verwarmen, waarbij een voordeel kan zijn dat er minder pomp- en klepmiddelen hoeven te worden gebruikt. Beide opties kunnen ook naast elkaar worden uitgeoefend.

In uitvoeringen van de uitvinding omvat de elektrische energiebron: - een elektrische-energieomzettingseenheid voor het omzetten van warmte in elektrische energie; - een fluïdumafvoer voor het transporteren van relatief warm fluïdum van het stelsel van buisvormige elementen aan de elektrische energie-omzettingseenheid; - een fluïdumaanvoer voor het aanvoeren van relatief koud fluïdum vanaf de elektrische energieomzettingseenheid aan het stelsel van buisvormige elementen.

Het reservoir wordt bij voorkeur aan één of meer zijden, en nog meer bij voorkeur aan alle zijden, begrensd door een thermische isolatielaag zodat er weinig energie verloren gaat door warmteoverdracht naar omgeving. Een bijzonder geschikt isolerend materiaal wordt gevormd door poreuze steen. De isolatiewaarde van het isolerende materiaal bedraagt bijvoorbeeld circa 0,1 Watt/m °C.

In een uitvoeringsvorm is het warmtetransport-fluïdum een vloeistof, bij voorkeur water.

In een uitvoeringsvorm is het warmtetransport-fluïdum een gas, bij voorkeur stoom.

Een mogelijk voordeel van de keuze voor water is dat er veel bekende technieken en inrichtingen zijn om waterstroom te reguleren. Een mogelijk voordeel van de keuze voor stoom is dat hogere temperaturen, tot bijvoorbeeld 500 graden, mogelijk zijn omdat, in tegenstelling tot water, de druk niet te hoog zal worden. Door deze hogere temperatuur zal eenzelfde hoeveelheid energie kunnen worden opgeslagen in een kleinere buffer. Deze zal echter ook een dikkere isolatielaag behoeven.

In uitvoeringen van de uitvinding bedraagt het aantal via elektrische stroom verwarmbare buisvormige elementen tussen 5% en 50%, bij voorkeur tussen 10% en 20%, van het totaal aantal buisvormige elementen. Deze aantallen zijn voldoende om binnenin het gehele reservoir een geschikte temperatuurverdeling te realiseren. Echter kunnen ook alle of vrijwel alle buisvormige elementen via elektrische stroom verwarmbaar zijn. Verder bevindt de temperatuur van het fluïdum dat het reservoir verlaat zich binnen een zodanig temperatuurbereik dat het fluïdum direct geschikt is voor het aandrijven van de turbines van een reguliere elektriciteitscentrale. Een voorbeeld van een dergelijk temperatuurbereik voor water is tussen 300 en 350 graden Celsius.

Een voorbeeld van een dergelijk temperatuurbereik voor stoom is tussen 300 en 500 graden Celsius

Volgens een ander aspect van de uitvinding wordt een werkwijze voor het opslaan van energie met het hierin beschreven systeem verschaft, de werkwijze omvattende: - het met de verwarmingseenheid opwarmen van warmtetransportfluïdum; - het leiden van het warmtetransportfluïdum door het stelsel van buisvormige elementen; - het opwarmen van het energie-opslagmedium door overdracht van warmte op het energie-opslagmedium.

Wanneer er in een bepaalde periode weer behoefte is aan elektriciteit kan deze opgewekt worden door gebruik te maken van de eerder in het energie-opslagmedium van het reservoir opgeslagen thermische energie. Volgens een bepaalde uitvoering omvat de werkwijze bijvoorbeeld het met een opgewarmd deel van het energie-opslagmedium verwarmen van het warmtetransportfluïdum en het met het opgewarmde warmtetransportfluïdum aandrijven van een generator voor het genereren van elektriciteit.

Verdere voordelen, kenmerken en details van de onderhavige uitvinding zullen worden verduidelijkt aan de hand van de beschrijving van enige uitvoeringsvormen daarvan. In de beschrijving wordt verwezen naar de bijgevoegde figuren, waarin tonen:

Figuur 1 een schematisch bovenaanzicht in dwarsdoorsnede van een uitvoeringsvorm van systeem volgens de uitvinding;

Figuur 2 een schematisch zijaanzicht in dwarsdoorsnede van het reservoir van het systeem van figuur 1;

Figuur 3 een schematische weergave van een mogelijke rangschikking van een mediumtransportbuis in het reservoir; en

Figuren 4A-4C schematisch aanzichten van alternatieve rangschikkingen van mediumtransportbuizen van het systeem.

Figuur 1 toont een uitvoeringsvorm van een systeem 1 voor het opslaan van de elektrische energie volgens de uitvinding. Flet systeem omvat een langgerekt reservoir 2 dat is opgebouwd uit een funderingsvloer 3, een aantal opstaande wanden 4 en een dak 5. De vloer en wanden en het dak kunnen vervaardigd zijn van elk geschikt materiaal, bijvoorbeeld beton. Flet reservoir kan zijn afgedekt met een aarden af deklaag (a) om het reservoir aan het zicht te onttrekken, maar deze afdeklaag is niet essentieel voor de uitvinding.

Aan de binnenzijde van de wanden, dak en funderingsvloer vloer is een thermische isolatielaag 6 aangebracht. Deze isolatielaag heeft als functie ervoor te zorgen dat de in de binnenruimte van het reservoir opgeslagen warmte zoveel mogelijk binnen het reservoir blijft en er zo weinig mogelijk warmte-uitstraling naar de omgeving plaatsvindt. De isolatielaag kan vervaardigd zijn van elk geschikt thermisch isolerend materiaal. In een kenmerkend voorbeeld is de isolatielaag opgebouwd uit poreuze steen, bijvoorbeeld speciaal bewerkte hoogovenslakken of dergelijke. De isolatiedikte kan variëren, maar in bepaalde voorbeelden is de isolatielaag circa 2 meter dik. Ingeval het systeem is bedoeld voor het langdurig opslaan van energie, bijvoorbeeld tot een jaar, zal een dikkere isolatielaag, tot bijvoorbeeld 5 meter dik, wenselijk zijn.

In de ruimte die door de isolatielagen van het reservoir omgeven wordt, is een grote hoeveelheid energie-opslagmateriaal aangebracht. In het bijzonder bestaat het energie-opslagmateriaal uit granulair materiaal, zoals (droog) zand. Dit granulaire materiaal wordt gebruikt om daarin tijdelijk energie in de vorm van warmte op te slaan. Hiertoe is in het granulaire materiaal van het reservoir een stelsel van een groot aantal buisvormige transportelementen (bijvoorbeeld in de vorm van transportbuizen) gerangschikt. Deze transportbuizen zijn geschikt voor het transporteren van een warmtetransportfluïdum, zoals water of gas. Het warmtetransportfluïdum wordt getransporteerd door de transportbuizen door middel van één of meer circulatie-eenheden (niet weergegeven), zoals één of meer pompen al dan niet in combinatie met geschikte klepmechanismes om het warmtetransportfluïdum op een geschikt moment door de juiste transportbuizen te leiden.

De wanden van de transportbuizen zijn thermisch geleidend uitgevoerd zodat warmte gemakkelijk van het energie-opslagmateriaal op het warmtetransportfluïdum of vice versa kan worden overgedragen. Als het fluïdum in de warmtetransportbuizen warmer is dan het omliggende energie-opslagmateriaal, wordt warmte overgedragen van het fluïdum naar het energie-opslagmateriaal. In deze fase wordt warmte in het reservoir opgeslagen voor later gebruik. In een fase waarin de temperatuur van het energie-opslagmateriaal hoger is dan die van het fluïdum in de transportbuizen, kan warmteoverdracht van het energie-opslagmateriaal naar het fluïdum in de transportbuizen plaatsvinden. In deze fase kan eventueel warmte aan het reservoir onttrokken worden. Deze warmte kan worden opgenomen door het fluïdum en worden gebruikt voor het opwekken van elektrische energie.

Figuren 1 en 2 tonen een uitvoeringsvorm waarin het buizenstelsel 8 een groot aantal rijen en kolommen van evenwijdige transportbuizen 9 omvat. De transportbuizen kunnen allemaal dezelfde afmetingen hebben, maar er is ook variatie in afmetingen mogelijk. Verwijzend naar figuur 2 is aan de linker zijde van het reservoir een aanvoerverzamelbuis 12 voorzien die is aangesloten op eerste verdeelbuizen 46,47 die in verbinding staan met de transportbuizen 9. De aanvoervoerverzamelbuis 12 is aangesloten op een aanvoerbuis 14. Evenzo is aan de rechter zijde van het reservoir 2 een afvoerverzamelbuis 16 voorzien die is aangesloten op tweede samenvoegbuizen 48. De samenvoegbuizen 48 zijn verbonden met de tegenoverliggende uiteinden van de transportbuizen 9. Verder is de afvoerverzamelbuis 16 aangesloten op een afvoerbuis 17.

De afvoerbuis 17 en de aanvoerbuis 14 zijn aangesloten op een stoomgenerator 20. De stoomgenerator 20 omvat een behuizing welke een ruimte 21 omsluit. In de ruimte kan een tweede warmtetransportfluïdum stromen waarmee op een andere plaats een turbine kan worden aangedreven. De buizen 14,17 worden door deze ruimte geleid om warmte van het (eerste) warmtetransportfluïdum over te dragen op het (tweede) warmtetransportfluïdum. Hierbij is het oppervlak van de buizen zo groot mogelijk gekozen door de meanderende vorm 22 van de buis. De genoemde ruimte 21 is voorts via een afvoerkanaal 23 en een aanvoerkanaal 24 verbonden met een in een verdere behuizing 45 opgestelde energie-omzeteenheid 30.

Wanneer het tweede warmtetransportfluïdum in de behuizing van de stoomgenerator 22 voldoende is opgewarmd door warmte overdracht vanaf de aanvoerbuis 17,22, kan dit via het afvoerkanaal 23 naar de energie-omzeteenheid 30 worden geleid. De omzeteenheid 30 omvat een turbine 31 en een generator 35 alsmede een condensor 36. De turbine 32 omvat een turbinehuis 32 waarin een of meer turbinebladen 33 zijn aangebracht. De turbinebladen 33 kunnen worden aangedreven door het verwarmde tweede warmtetransportfluïdum (bij voorkeur oververhitte stoom) in het afvoerkanaal 23 teneinde een aandrijfas 34 in rotatie te brengen. De aandrijfas 34 is op bekende wijze verbonden met een as van de generator 35. De generator zet vervolgens de mechanische energie van de aandrijfas 34 om in elektrische energie (elektriciteit).

De elektrische energie wordt via een elektriciteitsleiding 37 afgevoerd, bijvoorbeeld direct in het huishoudelijke voedingsnet of op het hoogspanningsnet.

Het tweede warmtetransportfluïdum wordt langs een condensor 36 geleid om het te koelen. De opvangruimte 38 van de condensor 36 is aangesloten via leiding 24 op de stoomgenerator 20 en via leiding 39 op de turbine 31. In de opvangruimte 38 van de condensor 36 is een koelwaterafvoerleiding 43 en een daarop aangesloten koelwateraanvoerleiding 42 aangebracht. Het koelwater kan via de koelwatertoevoerleiding 42 naar de condensor 36 gebracht worden met als doel het koelen van het via leiding 39 in de opvangruimte 38 van de condensor 36 terecht gekomen tweede warmtetransportfluïdum in voldoende mate af te koelen en dit ten minste ten dele te doen condenseren voordat dit naar de stoomgenerator 20 wordt teruggevoerd.

Het reservoir 2 wordt gebruikt voor het tijdelijk (bijvoorbeeld 24 uur of meer) opslaan van warmte. Deze warmte kan op verschillende manieren opgewekt worden. Verwijzend naar figuur 2 waarin een transportbuis 9 is getoond kan het opwarmen van het medium in het buizenstelsel 8 plaats vinden door gebruik te maken van de in alternatieve energiebronnen (bijvoorbeeld een zonnepaneelveld, een veld windturbines, etc.) opgewekte elektrische energie. Deze elektrische energiebronnen zijn in figuur 3 schematisch aangeduid met voedingsbron 50. De elektrische voedingsbron 50 is hiertoe via leidingen 54,52 verbonden met terminals 53,51 en 56. Wanneer de elders opgewekte energie ter beschikking wordt gesteld in de vorm van een gelijkspanning, kan de gelijkspanning in theorie direct op de buizen worden aangelegd. In de praktijk zal men echter de gelijkspanning meestal reeds bij de bron omzetten in een (hogere) wisselspanning en de elektrisch energie als wisselspanning naar het reservoir transporteren. De voedingsbron 50 levert een elektrische spanning over een voorafbepaalde weerstandslengte van de transportbuis 9 aangebracht, waarbij een schakelaar is voorzien om de spanning wel of niet aan te brengen. Er kan bijvoorbeeld één schakelaar voorzien zijn per transportbuis, maar andere mogelijkheden, zoals het groeperen van zeker transportbuizen, zijn ook een mogelijkheid. Aangezien de buis is vervaardigd van elektrisch geleidend materiaal, zorgt deze spanning voor een stroom door de buis. Deze stroom genereert warmte die op het eerste warmtetransportfluïdum en/of het energie-opslagmateriaal 7 zal worden overgedragen.

In de getoonde uitvoeringsvorm wordt slechts een beperkt aantal van de leidingen 9, bijvoorbeeld de eerste vier rijen, via de elektrische energiebron 50 opgewarmd. In andere uitvoeringen kan dit eerste aantal leidingen groter of kleiner zijn. Het kan ook de voorkeur hebben om te beginnen met een aantal leidingen die grofweg door het midden van het reservoir lopen, aangezien deze leidingen door de grootst mogelijke laag energieopslagmateriaal worden omgeven en daardoor in hoge mate geïsoleerd kunnen zijn. In de getoonde uitvoering wordt aanvankelijk slechts een klein deel van de binnenruimte van het reservoir opgewarmd. Wanneer het eerste warmtetransportfluïdum in het genoemde aantal buizen echter eenmaal voldoende warm is geworden, bijvoorbeeld wanneer een voorafbepaalde temperatuur overschreden is, wordt het relatief warme medium uit de eerste (bijvoorbeeld bovenste) buizen gepompt naar tweede buizen (bijvoorbeeld lager gelegen buizen), zodat ook andere gedeeltes van het reservoir warmte op het energie-opslagmateriaal 7 kan worden overgedragen. Na verloop van tijd zal de warmte over het gehele reservoir verdeeld zijn en is het opslagmedium in meer of mindere mate uniform opgewarmd. Het reservoir is dan “vol”.

Het is van belang om enerzijds het warmtetransportfluïdum in de buizen een zodanig hoge temperatuur te geven dat dit direct in de stoomgenerator gebruikt kan worden om stoom voor de omzeteenheid 30 te genereren. De temperatuur moet niet te hoog zijn omdat bij hogere temperatuur de buizen in het algemeen minder stevig worden, en dit gecombineerd met druk die, voor water, op zekere temperaturen snel toeneemt, kan zorgen voor het vervormen en eventueel zelfs breken van buizen. De temperatuur mag echter ook niet te laag zijn omdat er anders onvoldoende stoomdruk geproduceerd wordt om de turbine op efficiënte wijze aan te drijven. Afhankelijk van de omstandigheden en van het gebruikte warmtetransportfluïdum wordt een gewenst temperatuurbereik, bijvoorbeeld voor water een temperatuurbereik van 300 tot 350°C, ingesteld. Bij gebruik van stoom als warmtetransportfluïdum kan de temperatuur bijvoorbeeld tot 500°C worden verhoogd. Het is zaak om de temperatuur van het warmtetransportfluïdum in dit temperatuurbereik te houden. Wanneer de temperatuur in de bovenste behuizing te hoog dreigt te worden, zal een stroming gegenereerd worden van het warmtetransportfluïdum naar een of meer van de lager gelegen transportbuizen. Al naargelang de temperatuur van het warmtetransportfluïdum in de bovenste en onderste buizen wordt er warmtetransportfluïdum van de onderste of bovenste buizen gebruikt om naar de stoomgenerator te leiden. In de praktijk zal meestal het fluïdum met de hoogte temperatuur als eerste naar de stoomgenerator geleid worden, zodat het fluïdum met de lagere temperatuur nog de tijd heeft om verder op te warmen.

Figuren 4A-4C geven verschillende mogelijkheden weer waarmee de circulatie van het warmtetransportfluïdum in het systeem kan worden geregeld. In figuur 4A is de situatie weergegeven waarin op een centrale buis 55 een aantal transportbuizen 56-58 is aangesloten. De transportbuizen kunnen met behulp van respectievelijke klepmechanismes 59-61 aan de aanvoerzijde en klepmechanismes 62-64 aan de afvoerzijde naar believen worden geopend en gesloten. Al naargelang de temperatuur in elk van de transportbuizen kunnen de bijbehorende klepmechanismen worden ingeschakeld om medium vanaf de centrale buis 55 in de respectievelijke transportbuis te leiden. De klepmechanismen kunnen ook vervangen worden of aangevuld worden door pompmechanismes. In figuur 4B is een andere rangschikking van de transportbuizen 67 weergegeven. In deze rangschikking keert het van de centrale buis 55 afkomstige warmtetransportfluïdum niet naar de centrale buis 55 terug, maar komt het warmtetransportfluïdum direct terecht in een tweede centrale buis 66. Ook in deze uitvoeringsvorm is er weer sprake van klepmechanismen 68,69 waarmee de doorstroming door de transportbuizen geregeld kan worden.

Figuur 4C toont weer een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding. In deze uitvoeringsvorm wordt het via een centrale buis 70 binnenkomende warmtetransportfluïdum via een aantal aftakkingen 71 over een groot aantal parallelle transportbuizen 72 verspreid. Aan de tegenoverliggende einden van het reservoir kunnen de transportbuizen weer samen komen in een centrale afvoerbuis. Ook in deze uitvoeringsvorm kan er voorzien zijn in geschikte klepmechanismen en/of pompmechanismen, bijvoorbeeld klepmechanismen om de stroming van het medium te kunnen sturen.

De klepmechanismen en pompmechanismen zijn, onder andere door de hoge temperaturen en de onbereikbaarheid, bij voorkeur op afstand te bedienen, bijvoorbeeld door een centrale besturingseenheid 85 (fig. 2). Afhankelijk van de temperatuur in de verschillende transportbuizen (welke temperatuur bijvoorbeeld via temperatuursensoren 65 is gemeten) kan de besturingseenheid beslissen of het zinvol is één of meer van de transportbuizen met warmtetransportfluïdum te laten doorstromen.

In een uitvoering van de uitvinding is de besturingseenheid zodanig uitgevoerd dat afhankelijk van een aantal gemeten temperatuurwaarden op strategische posities in het systeem, bijvoorbeeld op een aantal posities in de transportbuizen, de stroming van het medium door het buizenstelsel kan worden beïnvloed. Een van de doelen hierbij kan zijn om het in de richting van de stoomgenerator 31 gevoerde warmtetransportfluïdum in een voorafbepaald temperatuurbereik te brengen en te houden (bijvoorbeeld in een temperatuurbereik dat in het bijzonder geschikt is voor het tot stoom brengen van het tweede warmtetransportfluïdum en het aandrijven van de turbine).

Door directe verwarming van het warmtetransportfluïdum door het door transportbuiswand geleiden van elektrische stroom en/of door warmteoverdracht van het omliggende medium naar dit deel van de buizen, kan de temperatuur op een voldoende hoge waarde gebracht worden. Wanneer echter de temperatuur in het fluïdum te hoog dreigt te worden, schakelt de besturingseenheid de toevoer van fluïdum vanaf deze buizen uit en voert fluïdum aan vanaf een ander deel van de buizen dat niet direct via stroomopwekking wordt verwarmd. Dit deel van de buizen wordt verwarmd door warmteoverdracht vanaf het granulaire opslagmedium naar de buis. In andere uitvoeringsvormen kan de besturingseenheid ook zorgen voor menging van fluïdum dat van verschillende onderdelen van het reservoir afkomstig zijn teneinde de temperatuur van het uiteindelijk richting de stoomgenerator gevoerde fluïdum in het genoemde temperatuurbereik te houden.

Door een juiste besturing van de circulatie van het medium in het leidingstelsel kan op een gegeven moment een gewenste temperatuurverdeling in het granulaire materiaal van het reservoir gerealiseerd worden.

De afmetingen van het reservoir kunnen variëren. Voor het opslaan van een grote hoeveelheid energie, kan bijvoorbeeld gebruik worden gemaakt van een reservoir met een lengte (1) van meer dan 250 m, een hoogte (h) van meer dan 30 m en een breedte (b) van meer dan 200 m. De lengte van de transportbuizen kan dan bijvoorbeeld circa 200 m bedragen en het aantal transportbuizen is 60000 of meer (bijvoorbeeld in 80 rijen/lagen van 750 buizen). Hierbij worden circa 3000 transportbuizen direct verwarmd door stroom door de buiswand te voeren.

De onderhavige uitvinding is niet beperkt tot de hierin beschreven uitvoeringsvormen daarvan. De gevraagde rechten worden bepaald door de navolgende conclusies, binnen de strekking waarvan talloze modificaties denkbaar zijn.

Claims (31)

1. Systeem voor het opslaan van elektrische energie, het systeem omvattende: - een op een ondergrond gebouwd of te bouwen reservoir; - een hoeveelheid in het reservoir aangebracht energie-opslagmateriaal; - een stelsel van in het energie-opslagmateriaal ingebedde buisvormige elementen, vervaardigd van warmte geleidend materiaal; - circulatie-eenheid voor het circuleren van een warmtetransportfluïdum door de buisvormige elementen; - verwarmingseenheid die is ingericht voor het omzetten van elektrische energie in warmte om het warmtetransportfluïdum te verwarmen; waarbij de buisvormige elementen zijn vervaardigd van warmtegeleidend materiaal voor het overdragen van warmte van het door de verwarmingseenheid verwarmde warmtetransportfluïdum naar het energie-opslagmateriaal voor het daarin opslaan daarvan.

2. Systeem volgens conclusie 1, waarbij het materiaal van de buisvormige elementen tevens elektrisch geleidend is en de verwarmingseenheid een aantal aansluitelementen omvat die zijn bevestigd aan een of meer van de buisvormige elementen en zijn ingericht voor het aansluiten van ten minste een aantal van de buisvormige elementen op ten minste één elektrische-energiebron.

3. Systeem volgens conclusie 2, waarbij de aansluitelementen zijn gerangschikt voor het aanleggen van een elektrische stroom over een vooraf bepaalde lengte van de buisvormige elementen.

4. Systeem volgens conclusie 2 of 3, omvattende een met de aansluitelementen koppelbare elektrische-energiebron.

5. Systeem voor het opwekken van elektrische energie, bij voorkeur het systeem volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het systeem omvat: - een op een ondergrond gebouwd of te bouwen reservoir; - een hoeveelheid in het reservoir aangebracht energie-opslagmateriaal; - een stelsel van in het energie-opslagmateriaal ingebedde buisvormige elementen, vervaardigd van warmte geleidend materiaal; - circulatie-eenheid voor het circuleren van een warmtetransportfluïdum door de buisvormige elementen; - verwarmingseenheid die is ingericht voor het omzetten van elektrische energie in warmte om het warmtetransportfluïdum te verwarmen; waarbij de buisvormige elementen zijn vervaardigd van warmtegeleidend materiaal voor het in een eerste gebruiksmodus overdragen van warmte van het door de verwarmingseenheid verwarmde warmtetransportfluïdum naar het energie-opslagmateriaal voor het daarin opslaan daarvan en het in een tweede gebruiksmodus overdragen van warmte van het energie-opslagmateriaal naar het warmtetransportfluïdum; - een elektrische-energieopwekeenheid voor het genereren van elektrische energie uit het door het energieopslagmateriaal opgewarmde warmtetransportfluïdum.

6. Systeem volgens één van de voorgaande conclusies, omvattende: - kleppen voor het reguleren van de fluïdumstroming in ten minste een aantal van de buisvormige elementen van het stelsel van buisvormige elementen.

7. Systeem volgens één van de voorgaande conclusies, omvattende: - een of meer pompen voor het pompen van de fluïdumstroming door ten minste een aantal van de buisvormige elementen van het stelsel van buisvormige elementen.

8. Systeem volgens een van de conclusies, omvattende een besturingseenheid die is uitgevoerd voor het selectief verwarmen van verschillende buisvormige elementen, waarbij de besturingseenheid bij voorkeur is ingericht voor het verschaffen van een gewenste energieverdeling in het reservoir.

9. Systeem volgens een van de voorgaande conclusies, omvattende een besturingseenheid gekoppeld met de verwarmingseenheid, en bij voorkeur met kleppen en/of pompen, welke besturingseenheid is ingericht voor het door besturing daarvan verschaffen van een gewenste toevoer van warmte aan het warmte-opslagmateriaal als functie van de plaats binnen het reservoir en van de tijd.

10. Systeem volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de verwarmingseenheid een besturingseenheid omvat voor het selectief verwarmen van verschillende buisvormige elementen, waarbij de besturing bij voorkeur is ingericht voor het verschaffen van een gewenste energieverdeling in het reservoir.

11. Systeem volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij het stelsel een groot aantal in hoofdzaak rechte en/of zich in hoofdzaak evenwijdig ten opzichte van elkaar uitstrekkende buisvormige elementen omvat.

12. Systeem volgens conclusie 10, waarbij het stelsel een aantal naast elkaar en boven elkaar gerangschikte buisvormige elementen omvat.

13. Systeem volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het stelsel een eerste deelverzameling en een tweede deel verzameling van buisvormige elementen omvat en waarbij de besturingseenheid is ingericht voor het selecteren van alleen de eerste deelverzameling van buisvormige elementen voor het toevoeren of afvoeren van het fluïdum.

14. Systeem volgens een van de voorgaande conclusies, ingericht om eerst met een geselecteerd deel van de buisvormige elementen een deel van het energie-opslagmateriaal te verwarmen tot ten minste een gewenste temperatuur en vervolgens een ander deel van het energie-opslagmateriaal te verwarmen.

15. Systeem volgens conclusie 14, ingericht om het verwarmen van het andere deel van het energieopslagmateriaal te realiseren door het verplaatsen van het fluïdum van de buisvormige elementen in het deel van het energie-opslagmateriaal dat de gewenste temperatuur heeft bereikt naar buisvormige elementen in een ander deel van het energie-opslagmateriaal.

16. Systeem volgens conclusie 14 of 15, ingericht om het verwarmen van het andere deel van het energieopslagmateriaal te realiseren door het aanleggen van een elektrische stroom over de lengte van één of meer buisvormige elementen in het andere deel van het energie-opslagmateriaal.

17. Systeem volgens een van de voorgaande conclusies, waarin de elektrische energiebron omvat: - een elektrische-energieopwekeenheid voor het genereren van elektrische energie uit warmte; - een fluïdumafvoer voor het transporteren van relatief warm fluïdum van het stelsel van buisvormige elementen naar de elektrische energie-opwekeenheid; - een fluïdumaanvoer voor het aanvoeren van relatief koud fluïdum vanaf de elektrische energieopwekeenheid naar het stelsel van buisvormige elementen.

18. Systeem volgens conclusie 16, waarin de elektrische-energieopwekeenheid een turbinegenerator omvat.

19. Systeem volgens conclusie 17 of 18, waarin de elektrische-energieopwekeenheid een op de fluïdumafvoer aangesloten stoomgenerator voor het genereren van stoom omvat en waarbij de turbinegenerator is ingericht voor het uit de stoom genereren van elektrische energie.

20. Systeem volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het warmtetransport-fluïdum een vloeistof is, bij voorkeur water.

21. Systeem volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het warmtetransport-fluïdum een gas is, bij voorkeur stoom.

22. Systeem volgens een van de voorgaande conclusies, waarin het energie -opslagmateriaal gevormd wordt door een hoeveelheid granulair materiaal, in het bijzonder een hoeveelheid zand.

23. Systeem volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij het reservoir aan één of meer zijden, en bij voorkeur aan alle zijden, begrensd wordt door een thermische isolatielaag.

24. Systeem volgens conclusie 23, waarbij de isolatielaag ten minste deels bestaat uit poreuze steen.

25. Systeem volgens conclusie 23 of 24, waarbij de isolatielaag ten minste 2 meter dik is, bij voorkeur ten minste 4 meter dik, nog meer bij voorkeur ten minste 6 meter dik.

26. Systeem volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij het aantal via elektrische stroom verwarmbare buisvormige elementen tussen 5% en 50% , bij voorkeur tussen 10% en 20%, van het totaal aantal buisvormige elementen bedraagt.

27. Systeem volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de temperatuur van het uitgevoerde warmtetransportfluïdum zich bij voorkeur in een temperatuurbereik bevindt tussen 300 en 350 graden Celsius.

28. Systeem volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij de temperatuur van het uitgevoerde warmtetransportfluïdum zich bij voorkeur in een temperatuurbereik bevindt tussen 300 en 500 graden Celsius.

29. Werkwijze voor het opslaan van energie met het systeem volgens een van de voorgaande conclusies, de werkwijze omvattende: - het met de verwarmingseenheid opwarmen van warmtetransportfluïdum; - het leiden van het warmetransportfluïdum door het stelsel van buisvormige elementen; - het opwarmen van het energie-opslagmedium door overdracht van warmte op het energie-opslagmedium.

30. Werkwijze volgens conclusie 29, omvattende: - het met de verwarmingseenheid verwarmen van de wand van de buisvormige elementen; - het met de verwarmde wand van de buisvormige elementen opwarmen van het omliggende energie-opslagmedium voor het daarin opslaan van thermische energie, waarbij verwarmen van de wand bij voorkeur het geleiden van elektrische stroom door de wand van een of meer van de buisvormige elementen omvat.

31. Werkwijze volgens conclusie 29 of 30, omvattende het met een opgewarmd deel van het energie-opslagmedium verwarmen van het warmtetransportfluïdum en het met het opgewarmde warmtetransportfluïdum aandrijven van een generator voor het genereren van elektriciteit.