NO339948B1

NO339948B1 - Element for termisk energilager

Info

Publication number: NO339948B1
Application number: NO20131725A
Authority: NO
Inventors: Pål G Bergan; Christopher Johan Greiner
Original assignee: Energynest As
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2017-02-20
Also published as: EP3090229A1; CN105980802A; EP3090229A4; ZA201604210B; JP6802064B2; IL246313B; ES2924916T3; MA39191B1; MA39191A1; US20160320145A1; IL246313A0; KR102283899B1; SA516371358B1; KR20160101052A; AU2014367353A1; AU2014367353B2; WO2015093980A1; JP2017511868A; CN105980802B; EP4060273A1

Description

ELEMENT FOR ET TERMISK ENERGILAGER

Oppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelsen angår lagring av termisk energi. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen et element for et termisk energilager (TES - Thermal Energy Storage) i fast tilstand, hvilket element gjør fremstilling, drift og vedlikehold av et termisk energilager enklere og mer effektivt, og øker holdbarheten, og således reduseres kostnader for lagret og produsert energi.

Bakgrunn for oppfinnelsen og kjent teknikk

Energi i form av elektrisitet og varme er vitalt for sivilisasjonen slik vi kjenner den. Meste-parten av all energi kommer i dag fra fossile primærenergikilder slik som kull, olje og gass. Utslipp fra fossil energi fører i siste instans til global oppvarming og andre negative miljø-effekter. Verden har nå langsomt startet overgangen mot fornybare energikilder slik som sol-og vindenergi. En iboende egenskap ved disse energikildene, er at de avhenger av sol, vær og klimatiske betingelser, hvilket i siste instans fører til ustabil og upålitelig energiforsyning. De fleste land har nå ambisjoner om å øke andelen fornybar energi i sine samlede energiblan-dinger, og fase ut forurensende fossile kraftverk. Uheldigvis har det vist seg å være svært vanskelig å stenge ned slike kraftverk, simpelthen fordi de fleste fornybare energikilder er upålitelige og ikke kan garantere leveranse av effekt når den trengs. Dermed må konven-sjonell produksjonskapasitet opprettholdes i stedet for å bli faset ut. Av denne grunn er effektiv, storskala energilagring blitt identifisert som nøkkelfaktoren for å lette overgangen til fornybar energi og å gjøre fornybar energi forutsigelig og pålitelig.

Termisk energilagring (TES) vil ha en nøkkelrolle i denne fremtiden, spesielt i konsentrerende solkraft (CSP - Concentrating Solar Power) anlegg, hvor varme fra solen kan lagres i løpet av dagen og frigjøres til bruk i løpet av sen ettermiddag og kveld. TES kan også brukes til å lagre overskuddsenergi fra vind- eller fotovoltaiske anlegg ved å omforme overskuddselektrisitet til varme, som kan omformes tilbake til elektrisitet på et senere tids-punkt ved hjelp av dampturbiner. TES finner også anvendelse i konvensjonelle fossilbaserte eller atomkraftverk, og muliggjør økt driftsfleksibilitet, hvilket blir stadig viktigere i områder med høy penetrering av ustabile fornybare energikilder.

Energilagring er essensielt et spørsmål om å tidsforskyve energi fra tidspunktet den produseres til tidspunktet den behøves. Noen faktorer er spesielle for energilagring, slik som: energitap ved lagring, lagringskapasitet, effektoverføring ved innmating-utmating og selvsagt også kostnader. Utfordringen er å utvikle energilagringsteknologi som kan levere på alle disse punktene. Lagring av energi tillater leveranser til tider hvor variable kilder ikke kan levere, og muliggjør en større andel av fornybare og miljøvennlige energikilder. I tillegg kan maksimal-leveransen økes, siden både kildene og lagrene kan levere energi samtidig, og overførings-nettene for elektrisk energi eller varmeenergi kan lages mindre siden lagrene kan plasseres der etterspørselen finnes.

Uavhengig av tiltak med støtte fra myndigheter, er og blir samlet kostytelse hoveddriveren for forskyvningen mot fornybar og bærekraftig energi i stor skala. I siste instans er den kritiske utfordringen å komme opp med bærekraftig energiteknologi, og særlig ny energilagringsteknologi som kan forenkle den svært ønskede forskyvningen mot miljøvennlig effektforsyning.

I patentpublikasjon WO 2012/169900 Al beskrives et TES med fordelaktige egenskaper i forhold til tidligere kjente lagre. Nærmere bestemt frembringes en praktisk og kostnadseffektiv løsning for et termisk lager som bruker et materiale i fast tilstand som hovedlagrings-medium og tillater lagring av energi som høytemperatur varme, hvilket betyr varmeenergi ved tilstrekkelig høy temperatur til å omforme varmen effektivt til elektrisk effekt i et turbin-generatorsett eller tilsvarende midler. Ifølge krav 1 i WO 2012/169900 Al omfatter de obligatoriske trekkene en varmeoverføringsbeholder med et varmeoverføringsfluid der all varmeoverførende konveksjon og varmeledning ved varmeoverføringsfluidet finner sted inne i varmeoverføringsbeholderen. Midlene for energitilførsel er høytrykksrør til å motta varme fra solkraftverk, kullkraftverk, nukleære kilder, biomaterialkilder og andre kilder i stand til å levere energi som varmt fluid, og valgfritt elektriske varmere til å motta energi fra kilder i stand til å levere elektrisk energi, slik som vindturbiner eller fotovoltaisk baserte solanlegg. Midlene for energiutmating er separate høytrykksrør eller de samme høytrykksrørene som brukes til varmetilførsel. Det termiske energilageret i WO 2012/169900 Al kalles et NEST termisk energilager.

I internasjonal patentsøknad PCT/NO2013/050120, som tidligst skal publiseres 28. desember 2013, beskrives hvordan det termiske energilageret i WO 2012/169900 fordelaktig forenkler og øker virkningsgraden til energianlegg av ulike typer, slik som konsentrerte solanlegg. Essensielle trekk omfatter virkningsgrad og enkelhet ved overføring av energi fra varmekilden og omvendt levere den lagrede varmen tilbake til bruks stedet for denne energien. Energioverføring og omforming samt virkningsgrad ved lagring i lagringsmediet i fast tilstand er altså av avgjørende betydning for ytelsen. Et annet viktig trekk er hvordan energioverfør-ingen inne i lagringsmediet fører til termisk spenning og mulig skade på selve lageret. Disse aspektene er til en viss grad beskrevet og behandlet i PCT/NO2013/050120.

Selv om læren i WO 2012/169900 Al og PCT/NO2013/050120 angir betydelige skritt mot økt bruk av miljøvennlige energikilder på bekostning av fossile kilder, biomateriale og nukleære kilder, er forbedringer fortsatt påkrevet. I praksis er og blir kostnader det viktigste insentivet i dette henseende, selv om myndigheter iverksetter tiltak for å øke forskyvningen mot mer miljøvennlige løsninger. Kostnader relateres til materialkostnader samt byggekost-nader, men også til driftskostnader, holdbarhet, vedlikehold og samlet energivirkningsgrad. Å finne en forbedret, optimal teknologi og konstruksjon for et varmelager i fast tilstand kan ha betydelig økonomisk virkning, og derved bidra til å forskyve energimarkedet i en mer bærekraftig retning.

Ytterligere relevant teknikk finnes i publikasjonene US 3624356 A, DE 102011085722 Al, DE 102009036550 Al, US 5694515 A, DE 10211598 Al og US 3381113 A.

Det finnes dermed et behov for teknologi som kan redusere kostnader og forbedre ytelsen for et TES.

Oppsummering av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelsen møter behovet ved å tilveiebringe et forbausende enkelt element for et termisk lager.

Nærmere bestemt tilveiebringer oppfinnelsen et element for et termisk lager omfattende midler for varmelading og utlading. Elementet er kjennetegnet ved at det omfatter:

et termisk lagringsmedium i fast tilstand i form av herdet betong,

et ytre metallskall som er en kombinert støpeform og ringforsterkning, som betongen er støpt i, og

der midlene for varmelading og utlading omfatter en varmeveksler med liten rørdiameter.

Varmeveksleren med liten rørdiameter har fortrinnsvis strømningstverrsnitt for å frembringe turbulent strømning ved normale driftsbetingelser, det vil si Re > 4000, mer foretrukket Re > 5000, hvor Re er reynoldstallet. For dette formålet må rørene ha en forholdsvis liten indre diameter sammenlignet med strømningsraten, derav begrepet 'liten rørdiameter' i patentkravet. Som kjent for fagkyndige på området, er Re = QD/vA, hvor Q er volumstrøm (m<3>/s), D er indre rørdiameter (m), v er kinematisk viskositet (m<2>/s) og A er rørets tverrsnittareal (m<2>). Rørene med liten diameter forenkler også strømning av høytrykksfluid for varmelading og utlading i et relativt tynnvegget rør sammenlignet med rør som har større diameter. I motsetning til det som beskrives i WO 2012/169900 Al, omfatter ikke elementet i oppfinnelsen noen varmeoverføringsbeholder til hvilken varmeoverføring ved naturlig konveksjon er en betydelig varmeoverføringsmekanisme. I stedet frembringer turbulent strømning sikret av et høyt reynoldstall tvunget konveksjon og effektiv varmeoverføring selv uten en separat varmeoverføringsbeholder. Trekket å ha et ytre metallskall som er en kombinert støpeform og ringforsterkning muliggjør kostnadseffektiv, enkel masseproduksjon av enkelt transporterbare elementer. Elementet inneholder ingen ytterligere armering eller forsterkning, unntatt mulige fibre eller aggregater i den støpbare sementen eller betongen, hvilket forenkler produksjonen og reduserer kostnader. Elementet, og dermed det ytre skallet, har et rundt eller i hovedsak rundt tverrsnitt, siden dette muliggjør en ekstrem motstand mot termisk indusert oppsprekking, muliggjør en svært høye temperaturer og svært høye dynamiske temperaturområder ved drift uten at elementet skades. Det ringformede ytre skallet har en ideell form for å ta opp ringspenningene som oppstår når temperaturen varieres ved drift av et termisk lager som inneholder elementer ifølge oppfinnelsen.

Fortrinnsvis er varmeveksleren med liten rørdiameter en mindre rørseksjon med åpne ender inne i en større rørseksjon med lukkede ender. I en annen foretrukket utførelsesform er varmeveksleren med liten rørdiameter én, to eller flere U-formede rørseksjoner, fortrinnsvis to U-formede rørseksjoner anbrakt parallelt i det termiske lagermaterialet i fast tilstand, hvor inn-og utløpsrørenes ender i naboelementer er koblet direkte eller gjennom en felles eller ved individuelle rørforbindelser.

Fortrinnsvis er midlene for varmelading og utlading anbrakt med koblinger eller ender fra bare én side av elementet.

Det ytre metallskallet er fortrinnsvis et stålskall med en veggtykkelse 0,1-1 mm, fortrinnsvis omkring 0,5 mm veggtykkelse, og er vundet og formet til et sirkulært tverrsnitt av stålbånd på samme måte som en ventilasjonkanal, og det har et bunnlokk eller deksel. Følgelig er skallet som en seksjon av en ventilasjonskanal, ofte kalt et "spiralrør". Dette er et vundet rør hvor metallbånd av stål eller aluminium er foldet og/eller sammenføyd da røret ble formet ved vinding. Et bunnlokk eller deksel eller tilsvarende et tilveiebrakt i den nedre enden. Styrken til røret, og dermed tykkelsen, må være tilstrekkelig til å motstå det hydrostatiske trykket når støpingen av sement eller betong finner sted. Alternativt kan det brukes enhver rørseksjon som er tilstrekkelig sterk ved støping og drift, eller metallbåndene kan sveises eller sammen-føyes på andre måter. Å sveise båndene elektrisk ved å anbringe båndene med overlapp mellom to sammentrykkende, roterende elektroder er ett eksempel på en alternativ tenkelig fremgangsmåte for sammenføyning.

Maskiner for å vinde spiralrør eller ventilasjonskanaler er kommersielt tilgjengelige på markedet fra flere leverandører, og slike maskiner kan nyttes til å produsere det ytre skallet til elementene i oppfinnelsen.

Det termiske energilageret er en enkelt støpbar sement- eller betongblanding med forbedret termisk lagringskapasitet per volumenhet, forbedret termisk konduktivitet og forbedret motstand mot termisk indusert oppsprekking sammenlignet med vanlige betongkvaliteter.

Oppfinnelsen tilveiebringer også en fremgangsmåte for å bygge et element ifølge oppfinnelsen. Fremgangsmåten er kjennetegnet ved trinnene: å anbringe midlene for varmelading og utlading i det ytre metallskallet ved å bruke avstandsstykker og eksterne støtter etter behov,

å bruke det ytre metallskallet som kombinert støpeform og ringforsterkning, ved å fylle sement eller betong inn i rommet mellom det ytre metallskallet og midlene for varmelading og utlading opp til et foreskrevet nivå hvor endene av koblingene til midlene forløper opp over toppen av elementet når det står vertikalt.

Fortrinnsvis vibreres elementet under støpingen for å fjerne luftlommer og sikre en tett pakking av sementen eller betongen for maksimal termisk ytelse og strukturell integritet. Oppfinnelsen tilveiebringer også anvendelse av elementet ifølge oppfinnelsen til bygging, opp- og nedskalering eller vedlikehold av et termisk energilager.

Figurer

Oppfinnelsen illustreres av tre figurer, hvor:

Figur 1 illustrerer et element ifølge oppfinnelsen,

Figur 2 illustrerer en annen utførelsesform av et element ifølge oppfinnelsen og

Figur 3 illustrerer en mulig måte å utføre støpeprosessen ifølge oppfinnelsen på.

Detaljert beskrivelse

Det vises til figur 1, som illustrerer et dobbelt U-bend element 1 ifølge oppfinnelsen i langsgående snitt og i tverrsnitt. Elementet 1 for et termisk lager omfatter midler for varmelading og utlading 2, et termisk lagringsmedium 3 i fast tilstand inne i et ytre metallskall 4, som er en kombinert støpeform og ringforsterkning. Midlene for varmelading er en eller begge av en varmeveksler med liten rørdiameter 2 og et elektrisk varmeelement 2E eller et kjøleelement (ikke vist), og midlene for varmeutlading er den nevnte varmeveksleren 2 med tynne rør. Piler viser strømning av varmeoverføringsfluid (HTF) inn eller ut, og figuren viser også avstandsstykker 5, en (valgfri) stålkrok 6 nyttig som løfteøre og et endedeksel 7 av stål. Det doble U-bend elementet har fått navnet fordi to U-bend 5U er anbrakt parallelt men i avstand fra hverandre i betongen eller sementen. Bendene 5U er separate bend som er sammenføyd ved sveising eller annen fremgangsmåte med rette, tynne rørseksjoner, eller de tynne rørsek-sjonene er bøyd til riktig form i en bøyemaskin, slik som en induksjonsbøyemaskin. To rør som er tilstrekkelig tynne til å sikre turbulent strømning og gi liten varmeledningsavstand og stort overflateareal, samtidig som de gir et relativt lite, lett element som er mulig å løfte og håndtere med enkle kraner, anses som en foretrukket utførelsesform der de termisk induserte spenningsnivåene ikke er ekstreme.

Det vises til figur 2, hvor et rør-i-rør element ifølge oppfinnelsen er vist i langsgående snitt og tverrsnitt. Tilsvarende eller like elementer har samme henvisningstall som i figur 1. Midlene for varmelading og utlading er i denne utførelsesformen et indre rør 2i anbrakt i et ytre rør 2o, hvilket fremgår tydelig av figuren. Det indre røret 2i har en åpen nedre ende når elementet står vertikalt slik som under støping, og den nedre enden av det indre røret 2i er ikke ført hele veien ned til den nedre enden av det ytre røret 2o. Den nedre enden av det ytre røret er lukket, enten mot ståldekselet 4L i den nedre enden av elementet eller med et separat deksel eller lokk 8. Tilsvarende er det ytre røret lukket mot det indre røret ved toppen 9. For denne utførelsesformen er det tilveiebrakt indre avstandsstykker 5i og ytre avstandsstykker 5o for å holde henholdsvis den indre og ytre rørseksjonen under støping. Rør-i-rør utførelsen er mest gunstig når den termisk induserte spenningen er ekstrem, slik som ved de ytre endene av stabler av elementer i et stort termisk lager med mange elementer koblet i serie. Strømnings-tverrsnittet i det indre røret og det ytre røret med den indre røret innsatt er tilsvarende eller identisk, eller reynoldstallet til det indre røret og det ytre røret med den indre røret innsatt er tilsvarende eller identisk, for å frembringe turbulent strømning i motsetning til løsninger fra kjent teknikk.

Figur 3 illustrerer en fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen for å bygge et element ifølge oppfinnelsen. Nærmere bestemt illustreres støpetrinnet hvor det ytre metallskallet, som midlene for varmelading og utlading er korrekt anbrakt i (ikke illustrert særskilt), fylles med sement eller betong opp til et foreskrevet nivå 3P (synlig i figur nr 1 og 2) hvor endene eller koblingene til de nevnte midlene forløper opp over toppen av elementet når det står vertikalt. I dette henseende er det essensielt å bruke det ytre skallet som en kombinert støpeform og ringforsterkning, slik at ingen separat form behøves og slik at ingen ytterligere forsterkning eller armering behøves. Følgelig unngås kostnader og arbeid forbundet med separate støpeformer og separat forsterkning, hvilket bidrar til å forenkle fremgangsmåten og redusere kostnader. Det kan brukes vanlig utstyr for betongblanding og levering, slik som en tørrblandingssilo 10, en betongblander 11 og betongbøtter 12 til bruk med en kran 13 i støpearbeidet. Det kan brukes alternative løsninger på byggeplassen, for eksempel å pumpe betongblandingen inn i de ytre skallene eller å bruke en kombinert blandings- og mateinnretning, slik som en mate- og blandeskrue eller transportør. En typisk elementhøyde, stilt vertikalt, er 4-12 m, en typisk diameter er 0,20-0,35 m. En typisk elementvekt er 0,4-2 metriske tonn, Oppskalering og nedskalering av lageret er enkelt ved å legge til eller fjerne elementer. Det er enkelt å erstatte skadde elementer ved å bruke en kran, hvilket forenkler vedlikehold.

Elementene i oppfinnelsen er konstruert for enhver arbeidstemperatur i området fra under null til 1000°C eller mer. Arbeidstemperaturen begrenses av material- og fluidegenskaper og er tilpasset den spesifikke anvendelsen av TES, typisk 200-550°C for termiske lagre forbundet med turbin-elektriske generatorer. Hvis det brukes til distriktoppvarming, fryselager eller luftkondisjonering, kan imidlertid elementets temperatur være under frysepunktet, for eksempel -40°C, eller under 100°C. Svært lave temperaturer kan kreve spesielt fluid for sirkulasjon i rørene for varmelading og utlading og/eller kjøleelementer innsatt i elementene ifølge oppfinnelsen, slik som spesifikke kjøleelementer. Her bemerkes at fluidet inne i varmeveksleren ikke er i direkte kontakt med betongen. Det betyr at det er uproblematisk å bruke fluid under trykk eller fluider med en kjemisk sammensetning som kan være skadelig for betongen til varmeoverføingsmidler.

Claims

1. Element for et termisk lager, omfattende midler for varmelading og utlading, karakterisert vedat elementet omfatter: et termisk lagringsmedium i fast tilstand i form av herdet betong, et ytre metallskall som er en kombinert støpeform og ringforsterkning, som betongen er støpt i, og der midlene for varmelading og utlading omfatter en varmeveksler med liten rørdiameter.

2. Element ifølge krav 1, hvor varmeveksleren med liten rørdiameter har strømningstverrsnitt for å frembringe turbulent strømning ved normale driftsbetingelser, det vil si Re > 4000, mer foretrukket Re > 5000, hvor Re er reynoldstallet.

3. Element ifølge krav 1 eller 2, hvor varmeveksleren med liten rørdiameter er en mindre rørseksjon med åpne ender anbrakt inne i en større rørseksjon med lukkede ender.

4. Element ifølge krav 1 eller 2, hvor varmeveksleren med liten rørdiameter er én, to, tre eller fire U-formede rørseksjoner, fortrinnsvis to U-formede rørseksjoner anbrakt parallelt i det termiske lagermaterialet i fast tilstand, men koblet til et felles innløp og et felles utløp.

5. Element ifølge et hvilket som helst av kravene 1-4, hvor midlene for varmelading og utlading anbrakt med koblinger eller ender fra én side av elementet.

6. Element ifølge et hvilket som helst av kravene 1-5, hvor det ytre metallskallet er et stålskall med veggtykkelse 0,1-1 mm, fortrinnsvis omkring 0,5 mm veggtykkelse, og det har blitt vundet og formet til en sirkulær tverrsnittform av stålbånd på samme måte som en ventilasjonskanal, og det har et bunnlokk eller deksel.

7. Element ifølge et hvilket som helst av kravene 1-6, hvor det termiske lagringsmediet i fast tilstand er en lett støpbar sement- eller betongblanding med forbedret termisk lagringskapasitet, forbedret termisk konduktivitet og forbedret motstand mot termisk indusert oppsprekking.

8. Fremgangsmåte for å bygge et element ifølge et hvilket som helst av kravene 1-7,karakterisert vedtrinnene: å anbringe midlene for varmelading og utlading i det ytre metallskallet ved å bruke avstandsstykker og eksterne fester etter behov, å bruke det ytre metallskallet som kombinert støpeform og ringforsterkning ved å fylle sement- eller betongblanding inn i rommet mellom det ytre metallskallet og midlene for varmelading og utlading opp til et foreskrevet nivå hvor endene eller koblingene til midlene forløper opp over toppen av elementet når det står vertikalt.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, hvor elementet vibreres under støping.

10. Anvendelse av elementet ifølge et hvilket som helst av kravene 1-7, til bygging, skalering opp eller ned, eller vedlikehold av et termisk energilager.