WO2010084161A1

WO2010084161A1 - Hochtemperatur-latentwärmespeicher

Info

Publication number: WO2010084161A1
Application number: PCT/EP2010/050698
Authority: WO
Inventors: André THESS; Jürgen BÜHL; Dietmar Schulze; Andreas Nilius
Original assignee: Technische Universität Ilmenau
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2010-07-29
Also published as: DE102009006784A1; EP2389556A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Latentwärmespeicher, der einen Speicherbehälter (32) mit einer Speicherbehälterinnenwand (33) sowie ein im Speicherbehälter (32) angeordnetes Speichermedium (31) besitzt, welches an die Speicherbehälterinnenwand (33) unmittelbar angrenzt und zumindest bei einer Betriebstemperatur im flüssigen Aggregatzustand vorliegt. Weiterhin sind eine Isolationsschicht (35), eine thermische Beladeeinrichtung und eine thermische Entladeeinrichtung vorgesehen. Erfindungsgemäß sind die Materialien von Speichermedium (31) und Speicherbehälterinnenwand (33) sowie die Betriebstemperatur des Latentwärmespeichers so gewählt, dass sich bei der thermischen Beladung bis zur Betriebstemperatur ein Opferanteil des Materials der Speicherbehälterinnenwand (33) in dem flüssigen Speichermedium (31) löst, bis sich ein stabiles thermodynamisches Gleichgewicht ausbildet. Die Dicke der Speicherbehälterinnenwand (33) ist dabei so gewählt, dass sie auch nach der Ablösung des Opferanteils bei maximaler thermisher Beladung geschlossen und dicht für das Speichermedium (31) ist, um den mechanischen Stabilitätserfordernissen zu genügen.

Description

Hochtemperatur-Latentwärmespeicher

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher, der die Aufnahme, Speicherung und Abgabe thermischer Energie auf einem Temperaturniveau ermöglicht, welches den Temperaturen technischer Verbrennungsprozesse gleichkommt oder diese übertrifft.

Je höher bei einem Latentwärmespeicher die Temperatur des

Speichermediums ist, desto größere Wirkungsgrade sind bei der Umwandlung der in dem Speicher enthaltenen Wärme in mechanische oder elektrische Energie erreichbar. Es ist deshalb wünschenswert, Latentwärmespeicher mit möglichst hohen Betriebstemperaturen zu entwickeln.

Wie in den Druckschriften G. Beckmann & P. V. Gilli "Thermal Energy Storage" (Springer Verlag Wien, New York, 1984) sowie R. Tamme, W. D. Steinmann, J. Buschle, T. Bauer, M. Christ "Hochtemperatur-Latentwärmespeicher für Prozessdampf und solare Kraftwerkstechnik" (in: Statusseminar Thermische Ener- giespeicherung - mehr Energieeffizienz zum Heizen und Kühlen, 2.-3. November 2006 in Freiburg, Herausgeber: Forschungszentrum Jülich GmbH, Projektträger Jülich (PTJ) Fraunhofer Solar Building Innovation Center SOBIC, S. 191-200) ausgeführt wird, gehören Latentwärmespeicher mit Salzschmelzen als Speichermedien zum Stand der Technik. Sie haben jedoch noch keine breite kommerzielle Anwendung gefunden, weil die Ein- und Auskopplung von Wärme, im Folgenden auch als thermische Be- und Entladung bezeichnet, durch die relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit geschmolzener Salze erschwert wird. Außerdem sind die Speichertemperaturen auf etwa 700⁰C beschränkt und selbst für Temperaturen unterhalb dieses Wertes ist das Problem der Wandkorrosion derzeit noch ungelöst. In der Arbeit C. E. Birchenall "Heat storage in alloy trans- formations" (NASA-CR report 159787, 1980) wird die Verwendung von Flüssigmetallen als Speichermedien für Latentwärmespei- eher vorgeschlagen. Diese Materialien einschließlich des

Halbleitermaterials Silizium zeichnen sich durch hohe Schmelzenthalpien und somit durch eine hohe thermische Speicherkapazität aus. Ferner besitzen die genannten Materialien eine im Vergleich zu Salzschmelzen hohe Wärmeleitfähigkeit, die die thermische Be- und Entladung erleichtert. Doch sind die in der zitierten Arbeit genannten Flüssigmetalle aggressiv und führen an den Wänden sowie an thermischen Be- und Entladeeinrichtungen zu starken Erosionserscheinungen. Wie in der Druckschrift CN 1504716A beschrieben wird, können diese Erosionserscheinungen durch Beschränkung der Betriebstemperatur auf Werte unter 620⁰C begrenzt, jedoch nicht vollständig verhindert werden.

Weitere Anwendungen von Flüssigmetallen in Latentwärmespei- ehern sind in den Druckschriften JP10332288 (A), US 5685289, US 4249592, US 4512388 beschrieben. Doch enthält keine dieser Schriften eine konstruktive Lösung, die die Verwendung flüssiger Metalle oder geschmolzener Halbleitermaterialien wie Silizium als Speichermedium erlaubt, die durch Schmelztempe- raturen von mehr als 1000⁰C gekennzeichnet sind. Insbesondere gibt es in den genannten Schriften keine Lösung zur Verhinderung der Erosion der Innenwand des Speicherbehälters durch das heiße und aggressive Speichermedium.

Die WO 79/01004 Al beschreibt ein Solarenergiesystem mit einem Kollektor zur Sammlung und Konzentration der Solarstrahlung sowie einem mit dem Kollektor gekoppelten Empfänger, der die Strahlung in thermische Energie umwandeln soll. Außerdem ist ein thermischer Energieakkumulator vorgesehen, der eine Mischung aus schmelzfähigen Salzen enthält. Die Latentwärmemenge der Salze kann genutzt werden, um die Zeit zu vergrößern, über welcher dem Akkumulator nutzbare Wärme entzogen werden kann. Im Akkumulator sind die schmelzbaren Salze mit einer feuerfesten Abdichtung eingefasst, die von

Metallplatten und Trägern gestützt wird. Als Außenwandung des Akkumulators ist außerdem eine Betonwand vorgesehen. Die als Speichermedium dienende Salzschmelze befindet sich im Zustand der maximalen thermischen Beladung in direktem Kontakt mit der feuerfesten Abdichtung, sodass dort die bekannten Probleme mit übermäßiger Erosion auftreten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Latentwärmespeicher bereitzustellen, dessen Speichermedium sowohl eine hohe Wärmespeicherkapazität als auch eine hohe

Betriebstemperatur besitzt und mit den Konstruktionsmaterialien der Speicherbehälterwand sowie der Wärmeübertragerflächen über lange Zeiten hinweg ohne Erosion verträglich ist. Eine Teilaufgabe besteht darin, den Wärmespeicher schnell und nach Möglichkeit berührungslos thermisch zu beladen und zu entladen sowie die Speicherverluste minimal zu halten.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Den abhängigen Ansprü- chen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen, insbesondere auch die Lösung der genannten Teilaufgabe .

Die Erfindung und verschiedene Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - ein Phasendiagramm für ein ZweistoffSystem Eisen- Aluminium, Figur 2 - ein Phasendiagramm für eine eutektische Lösung aus Eisen und Silizium,

Figur 3 - eine erste Ausführungsform eines Hochtemperatur- Latentwärmespeichers mit indirekter elektrischer Beladung und konvektiver Entladung,

Figur 4 - eine zweite Ausführungsform des Hochtemperatur- Latentwärmespeichers mit konvektiver Beladung und konvektiver Entladung,

Figur 5 - eine dritte Ausführungsform des Hochtemperatur- Latentwärmespeichers mit direkter elektrischer Beladung und konvektiver Entladung,

Figur 6 - eine vierte Ausführungsform des Hochtemperatur- Latentwärmespeichers mit Lichtbogenbeladung und konvektiver Entladung,

Figur 7 - eine fünfte Ausführungsform des Hochtemperatur- Latentwärmespeichers mit Lichtbogenbeladung und konvektiver Entladung,

Figur 8 - eine sechste Ausführungsform des Hochtemperatur- Latentwärmespeichers als Doppelrohrspeicher mit indirekter elektrischer Beladung und konvektiver

Entladung,

Figur 9 - eine siebente Ausführungsform des Hochtemperatur- Latentwärmespeichers mit induktiver elektrischer Beladung und konvektiver Entladung,

Figur 10 - eine achte Ausführungsform des Hochtemperatur- Latentwärmespeichers mit Beladung durch Strahlungsheizung und Entladung durch Wärmestrahlung. Das Phänomen der Wanderosion bei Hochtemperaturprozessen ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass das Wandmaterial und die Schmelze in der Regel nicht in einem stabilen thermodyna- mischen Gleichgewicht miteinander stehen. Die thermodynami- sehe Ursache der Wanderosion lässt sich am Beispiel des in Figur 1 dargestellten Phasendiagramms des ZweistoffSystems Eisen-Aluminium erklären. Füllt man flüssiges Aluminium mit einer Temperatur von 900⁰C, dessen Zustand durch den Punkt 11 in Figur 1 dargestellt ist, in einen Eisentiegel, so befindet sich das entstehende System zunächst abseits des thermodyna- mischen Gleichgewichts. Um ins thermodynamische Gleichgewicht zu gelangen, löst sich ein Teil des festen Wandmaterials in dem flüssigen Aluminium und führt somit zur Erosion der Wand. Das ZweistoffSystem Eisen-Aluminium hat bei einer Temperatur von 900⁰C den Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts erreicht, wenn die Schmelze zu etwa 90 Massenprozent aus Aluminium und zu etwa 10 Massenprozent aus Eisen besteht. Dieser Zustand ist durch den Punkt 12 in Figur 1 charakterisiert. Ist ein solcher Zustand erreicht, so spricht man von einem Löslichkeitsgieichgewicht. Nach Erreichen des Löslich- keitsgleichgewichts findet keine weitere Wanderosion statt.

Ausgehend von diesen Grundlagen basiert die Erfindung u.a. auf der Erkenntnis, dass sich das Problem der Wanderosion bei Hochtemperatur-Latentwärmespeichern durch eine aufeinander abgestimmte Auswahl von Speichermedium, Wandmaterial und Speichertemperatur lösen lässt.

Bei dem erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Latentwärmespeicher wird bevorzugt bei der ersten thermischen Beladung ein Teil der Speicherbehälterinnenwand „geopfert", um im Speichermedium gelöst zu werden und das thermodynamische Gleichgewicht auszubilden. Das „Opfern" kann bei einer abgewandelten Ausführungsform vermieden werden, wenn im Speichermaterial schon vor der ersten Beladung eine entsprechende Menge des Materials, aus dem die Speicherbehälterinnenwand besteht, gelöst ist.

Ein zweites Beispiel für die Verhinderung von Wanderosion durch Schaffung eines Löslichkeitsgieichgewichtes ist in Figur 2 dargestellt. Erhitzt man eine eutektische Legierung aus Eisen und Silizium ausgehend von dem in Figur 2 als Punkt 21 gekennzeichneten festen Aggregatzustand in den als Punkt 22 gekennzeichneten flüssigen Aggregatzustand mit einer

Temperatur von 1400⁰C und füllt die Schmelze in einen Eisentiegel, so befindet sich das aus Schmelze und Wandmaterial bestehende thermodynamische System abseits des thermodynami- schen Gleichgewichts. Um ins thermodynamische Gleichgewicht zu gelangen, löst sich ein Teil des festen Wandmaterials in der flüssigen Schmelze auf und führt somit zur Erosion der Wand. Das ZweistoffSystem Eisen-Silizium, welches auch als Ferrosilizium bezeichnet wird, hat bei einer Temperatur von 1400⁰C den in Figur 2 als Punkt 23 gekennzeichneten Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts auf der Liquiduskurve 24 erreicht, wenn die Schmelze zu etwa 90 Massenprozent aus Eisen und zu etwa 10 Massenprozent aus Silizium besteht. Nach Erreichen dieses Zustandes findet keine weitere Wanderosion statt. Bei Abkühlung des Gesamtsystems erstarrt die Schmelze, wobei die Zusammensetzung der festen Phase durch die Solidus- kurve 25 in Figur 2 bestimmt wird. Silizium besitzt eine sehr hohe Schmelzenthalpie und eignet sich deshalb als Speichermedium für Latentwärmespeicher. Das in Figur 2 abgebildete Beispiel verdeutlicht, dass durch eine geeignete Kombination des Speichermediums Ferrosilizium mit dem Wandmaterial Eisen eine Erosion der Wand verhindert werden kann.

Ein drittes Beispiel für die Verhinderung von Wanderosion ist gegeben, wenn das Speichermedium und die Wand aus dem glei- chen Material bestehen. In diesem Fall handelt es sich bei dem thermodynamischen Gleichgewicht im Gegensatz zu den beiden erstgenannten Beispielen nicht um ein Löslichkeits- gleichgewicht , sondern um ein Phasengleichgewicht. Beispiels- weise können Speicherbehälterinnenwand und Speichermedium aus Silizium (Schmelztemperatur etwa 1400⁰C) bestehen. Wenn die zu speichernde Wärme gezielt über eine Eintragsfläche eingebracht wird (z.B. mit einem Strahlungsheizer), wird das Material nur lokal aufschmelzen und bei entsprechender Dimensio- nierung eine feste Außenwand als Behälterinnenwand belassen.

Ausgehend von den in den Figuren 1 und 2 illustrierten Grundprinzipien lässt sich ein erfindungsgemäßer Hochtemperatur- Latentwärmespeicher erzeugen, wenn das flüssige Speicherme- dium und das feste Wandmaterial im Fall maximaler thermischer Beladung in ein thermodynamisches Gleichgewicht, vorzugsweise ein Löslichkeitsgieichgewicht gebracht werden, wodurch eine weitere Wanderosion verhindert wird. Die Lösung des Wanderosionsproblems bei einem Hochtemperatur-Latentwärmespeicher gelingt auch in dem im dritten Beispiel genannten Sonderfall, bei dem das Wandmaterial aus dem selben Stoff wie das Speichermedium besteht. Bei diesem Sonderfall handelt es sich bei dem angestrebten thermodynamischen Gleichgewicht nicht um ein Löslichkeitsgieichgewicht, sondern es muss ein Phasengleich- gewicht erreicht werden.

Nach Figur 3 umfasst der erfindungsgemäße Hochtemperatur- Latentwärmespeicher dazu einen Speicherbehälter 32, in dem sich das Speichermedium 31 befindet, welches im Falle maxima- ler thermischer Beladung mit einer Speicherbehälterinnenwand 33 in Kontakt steht. Die Oberfläche des Speichermediums 31 wird durch ein Schutzgas 34 begrenzt. Erfindungsgemäß werden die Materialien von Speichermedium 31 und Speicherbehälterinnenwand 33 sowie die Betriebstemperatur des Speichers so aufeinander abgestimmt, dass sich bei der erstmaligen thermischen Beladung ein Teil, nämlich ein sogenannter Opferanteil des Innenwandmaterials in dem flüssigen Speichermedium löst und sich ein stabiles thermodynamisches Löslichkeitsgleichge- wicht ausbildet. Die Dicke der Speicherbehälterinnenwand ist dabei so zu wählen, dass die Innenwand auch nach der Ablösung des Opferanteils geschlossen und dicht für das Speichermedium (31) ist, also ihre Wandfunktion weiter erfüllen kann. Bezüglich ihrer statischen Aufgaben kann die Speicherinnenwand dabei von weiteren Bauteilen unterstützt werden, beispielsweise durch angrenzende Wandplatten aus anderen Materialien, durch Träger oder sonstige Tragkonstruktionen.

Bei dem erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Latentwärmespeicher ist das Material der Speicherbehälterinnenwand vorzugsweise im flüssigen Speichermedium löslich, wobei die Konzentration des im flüssigen Speichermedium gelösten Materials der Speicherbehälterinnenwand gleich der für die Betriebstemperatur des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers gültigen Gleichge- wichtskonzentration ist. Gleichzeitig verbleibt im Zustand maximaler thermischer Beladung eine den mechanischen Stabilitätserfordernissen genügende Dicke der Speicherbehälterinnenwand bei eingestelltem Löslichkeitsgieichgewicht zwischen dem flüssigen Speichermedium und dem Material der Speicherbehäl- terinnenwand.

Im Fall von inkongruent schmelzenden Speichermaterialien (siehe Figur 2) bilden Speichermedium und Speicherbehälterinnenwand nach dem ersten Beladevorgang eine materielle Einheit und sind in den folgenden Be- und Entladezyklen nicht mehr eindeutig voneinander unterscheidbar.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform wird dem Speichermedium von vornherein ein Materialanteil des Materials der Speicherinnenwand zugesetzt. Bei thermischer Beladung stellt sich das thermodynamische Gleichgewicht damit schneller ein, sodass der aus der Speicherinnenwand zu lösende Opferanteil geringer ist.

In der nachfolgenden Tabelle werden bevorzugten Materialkombinationen zur Realisierung des Latentwärmespeichers angegeben :

Die jeweils geeigneten Betriebstemperaturen können vom Fachmann aus den entsprechenden Phasendiagramme ermittelt werden,

Der in Figur 3 abgebildete Speicher enthält weiterhin eine Isolationsschicht 35, die durch eine Verbindungsschicht 36 mit der Speicherbehälterinnenwand 33 in Kontakt steht. Die Beladung des Speichers erfolgt vermittels eines Rohrheizkörpers 37, der aus einem Heizleiter 38, einem Hüllrohr 39 und einer Außenschicht 40 besteht und über einen elektrischen Anschluss 41 an ein Stromversorgungssystem angekoppelt ist. Die Materialien von Speichermedium und Außenschicht 40 des Rohrheizkörpers sowie die Betriebstemperatur des Speichers sind so aufeinander abgestimmt, dass sich bei der ersten Beladung auch ein Opferanteil der Außenschicht 40 in dem flüssigen Speichermedium 31 löst und sich ein stabiles ther- modynamisches Löslichkeitsgieichgewicht ausbildet, welches die Erosion des Heizsystems verhindert. Die Konzentration des im flüssigen Speichermedium 31 gelösten Materials der Außenschicht 40 ist bei der Betriebstemperatur des Hochtemperatur- Latentwärmespeichers gleich der dort gültigen Gleichgewichts- konzentration .

Die Entladung des Speichers erfolgt vermittels eines Wärmeübertragerrohres 42, durch welches ein Wärmeträgerfluid 45 zirkuliert. Diese Art der thermischen Entladung wird im Folgenden als konvektive Entladung bezeichnet. Das Wärmeübertragerrohr 42 besteht aus einem Innenrohr 44, welches der strukturellen Stabilität dient, sowie aus einer Außenschicht 43. Die Materialien von Speichermedium 31 und Außenschicht 43 des Wärmeübertragerrohres 42 sowie die Betriebstemperatur des Speichers sind so aufeinander abgestimmt, dass sich ein Teil der Außenschicht 43 in dem flüssigen Speichermedium 31 lösen kann und sich ein stabiles thermodynamisches Löslichkeits- gleichgewicht ausbildet, welches die Erosion des Entladesystems verhindert. Die Konzentration des im flüssigen Spei- chermedium (31) gelösten Materials der Außenschicht (43) der Wärmeübertragungsrohre ist bei der Betriebstemperatur des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers gleich der dort gültigen Gleichgewichtskonzentration .

Es liegt, wie in Figur 4 dargestellt, selbstverständlich auch im Rahmen der Erfindung, sowohl die thermische Beladung als auch die thermische Entladung durch konvektive Wärmeübertragung zu realisieren. Eine demgemäß abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Latentwärmespei- chers zeichnet sich dadurch aus, dass im Inneren des Speicherbehälters 32 mindestens je ein Wärmeübertragerrohr 42 für die thermische Beladung und ein analog aufgebautes Wärmeübertragerrohr für die thermische Entladung so installiert sind, dass ihre Außenschichten 43 in direktem Kontakt mit dem flüssigen Speichermedium 31 stehen. Die Materialien von Speichermedium 31, Speicherbehälterinnenwand 33 und Außenschicht 43 des Wärmeübertragerrohres 42 sowie die Betriebstemperatur des Speichers sind wiederum so aufeinander abgestimmt, dass sich beim thermischen Beladen ein Teil der Speicherbehälterinnenwand 33 und der Außenschicht 43 in dem flüssigen Speichermedium 31 lösen kann und sich ein stabiles thermodynami- sches Löslichkeitsgieichgewicht ausbildet, welches die weitere Erosion der Speicherbehälterinnenwand sowie der Wärmeübertragerrohre verhindert. Die in Figur 4 dargestellte Realisierungsform des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers ist für Anwendungen in Parabolrinnen-Solarkraftwerken oder in Solarturmkraftwerken besonders geeignet, bei denen die zu speichernde Energie in Form von Wärme anfällt.

In Figur 5 ist eine weitere Realisierungsform des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers mit direkter elektrischer Beheizung dargestellt. Das im Speicherbehälter 32 befindliche Speichermedium 31 wird durch ein geeignetes Material der Speicherbehälterinnenwand 33 sowie nach oben durch ein inertes Abdeckmedium 34 begrenzt und durch eine Schicht 35 nach außen isoliert. Mittels zweier oder mehrerer Elektroden 46, die mit einer geeigneten Außenschicht 47 beschichtet sind, wird elektrischer Strom in das Speichermedium eingespeist und das Speichermedium dadurch erwärmt. Diese Art der Beheizung wird als direkte elektrische Beheizung bezeichnet. Die thermische Entladung erfolgt mittels eines Systems von Wärmeübertragerrohren 48, die in das Isolationsmaterial des Speicherbehälters integriert sind.

Figur 6 zeigt eine vierte Realisierungsform des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers. Der aus Speicherbehälter 32, Speichermedium 31, Speicherbehälterinnenwand 33, Isolationsschicht 35 mit integrierten Wärmeübertragerrohren 48, Verbin- dungsschicht 36, inertem Abdeckmedium 34 sowie mehreren Elektroden 46 bestehende Speicher zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass die thermische Beladung durch Zündung von Lichtbögen 49 zwischen den Elektroden und der Oberfläche des Speichermediums 31 erfolgt. Diese Form der Beladung erlaubt eine berührungsfreie elektrische Einkopplung von Wärme. Die thermische Entladung erfolgt mittels eines Systems von Wärmeübertragerrohren 48 die in die Isolationsschicht 35 des Speichers eingebettet sind.

Figur 7 zeigt eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Latentwärmespeichers, bei dem das Speichermedium 31 und die Speicherbehälterinnenwand 33 aus demselben Material bestehen. Das Speichermedium 31 befindet sich im Inneren eines auf Lagern 50 rotierenden

Speicherbehälters 51, der über die Isolationsschicht 35 sowie die Verbindungsschicht 36 zum Speichermedium 31 verfügt. Auf Grund der Rotation des Speicherbehälters entsteht eine radial nach außen gerichtete Zentrifugalkraft, die das flüssige Speichermedium 31 bei hinreichend schneller Rotation an die Speicherbehälterinnenwand 33 drückt und im Speichermedium eine freie Oberfläche 52 erzeugt. Die thermische Beladung des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers erfolgt, indem in zwei auf der Drehachse im rotierenden Speicherbehälter 51 befind- liehe Öffnungen 53 zwei Elektroden 46 in den Speicher eingeführt werden und zwischen ihnen ein Lichtbogen 49 gezündet wird. Nach der thermischen Beladung können die Elektroden entfernt und durch zwei Verschlusselemente (nicht dargestellt) ersetzt werden. Zur thermischen Entladung des Spei- chers werden die Verschlusselemente entfernt. Anschließend wird durch eine der beiden Öffnungen 53 ein gasförmiges Wärmeübertragungsmedium in den Speicher eingeleitet. Das Wärmeübertragungsmedium nimmt durch konvektiven Wärmetransport Energie aus dem Speichermedium auf und wird durch die andere Öffnung 53 aus dem Speicher entnommen. Die in Figur 7 abgebildete Realisierungsform ist besonders für Speichermedien wie Silizium geeignet, die sich durch eine relativ hohe Schmelztemperatur und eine hohe Schmelzenthalpie auszeichnen.

Eine weitere Realisierungsform des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers als Doppelrohrspeicher ist in Figur 8 dargestellt. Bei dieser Variante befindet sich das Speichermedium 31 in einem von einem Außenrohr 56, einem Innenrohr 57 sowie zwei Deckflächen 58 gebildeten Doppelrohrspeicherbehälter 55. Die Materialien von Speichermedium 31 und Speicherbehälterinnenwand 33 sowie die Betriebstemperatur des Speichers sind so aufeinander abgestimmt, dass sich ein Teil der Speicherbehälterinnenwand 33 in dem flüssigen Speichermedium 31 lösen kann und sich ein stabiles thermodynamisches Löslichkeitsgleichge- wicht ausbildet, welches die Erosion der Speicherbehälterinnenwand verhindert. Die thermische Beladeeinrichtung des Speichers besteht aus einer Zwischenschicht 59, die mittels zweier oder mehrerer elektrischer Anschlüsse 41 mit elektri- schem Strom beaufschlagt wird. Die entstehende Joulesche

Wärme wird in das Speichermedium 31 übertragen. Zur thermischen Entladung des Speichers wird an einem ersten Ende des Innenrohres 57 ein gasförmiges oder flüssiges Wärmeübertragungsmedium in den Speicher eingeleitet. Eine Entladungsströ- mung 60 nimmt durch konvektiven Wärmetransport Energie aus dem Speichermedium auf und wird an einem zweiten Ende des Innenrohres 57 aus dem Speicher entnommen.

Eine vorteilhafte Eigenschaft von Flüssigmetallen und HaIb- leiterschmelzen als Speichermedien ist ihre im Vergleich zu Salzschmelzen hohe elektrische Leitfähigkeit. Wie in Figur 9 gezeigt wird, lässt sich diese Eigenschaft in vorteilhafter Weise für eine berührungslose thermische Beladung des Speichers mittels Induktionsheizung ausnutzen. Bei dem in Figur 9 dargestellte Hochtemperatur-Latentwärmespeicher erfolgt die Beladung mittels eines aus Metallrohren bestehenden Induktors 61. Dieser Induktor wird von einem Wärmeträgerfluid 45 durchflössen, welches beim Beladevorgang der Kühlung des Induktors und beim Entladevorgang dem Wärmeabtransport dient. Die

Induktorspule stellt somit gleichzeitig Be- und Entladeeinrichtung dar. Sie ist mittels einer temperaturbeständigen elektrischen Isolationsschicht 62 in den Speicher eingebettet.

In Figur 10 ist eine achte Konstruktionsvariante des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers dargestellt, die aus dem Speicherbehälter 32, einer Speicherkammer 64 mit der Speicherbehälterinnenwand 33 und dem darin befindlichen Speicherme- dium 31, der Isolationsschicht 35 mit eingebetteten

Wärmeübertragerrohren 48 und Temperaturstrahlern 65 sowie einem Hubbalken 66 besteht. Die Speicherkammer 64 kann mittels des Hubbalkens 66 in vertikaler Richtung verschoben werden. Zur thermischen Beladung wird die Speicherkammer 64 in die untere Hälfte des Speicherbehälters 31 gefahren. Dort erfolgt die Einspeisung thermischer Energie mittels einer Mehrzahl von Temperaturstrahlern 65, die in die Isolationsschicht 35 des Speicherbehälters eingebettet sind. Zur Speicherung der Energie sowie zur thermischen Entladung wird die Speicherkammer 64 in die obere Position gefahren. Zur Entladung wird ein Wärmeträgerfluid 45 durch das in die Isolationsschicht 35 eingebettete System von Wärmeübertragerrohren 48 gepumpt, welches die Strahlungswärme der Speicherkammer aufnimmt . Bezugszeichenliste

11 - thermodynamischer Zustand einer Aluminiumschmelze

12 - thermodynamischer Zustand einer gesättigten Aluminium-Eisen Lösung

21 - thermodynamischer Zustand einer eutektischen

Eisen-Silizium Legierung im festen Zustand

22 - thermodynamischer Zustand einer eutektischen

Eisen-Silizium Legierung im flüssigen Zustand 23 - thermodynamischer Zustand einer gesättigten Eisen-Silizium Lösung

24 - Soliduskurve

25 - Liquiduskurve 31 - Speichermedium 32 - Speicherbehälter

33 - Speicherbehälterinnenwand

34 - innertes Abdeckmedium (Schutzgas)

35 - Isolationsschicht

36 - Verbindungsschicht 37 - Rohrheizkörper

38 - Heizleiter

39 - Hüllrohr

40 - Außenschicht des Rohrheizkörpers

41 - elektrischer Anschluss 42 - Wärmeübertragerrohr

43 - Außenschicht des Wärmeübertragerrohres

44 - Innenrohr des Wärmeübertragerrohres

45 - Wärmeträgerfluid

46 - Elektroden 47 - Elektrodenaußenschicht

48 - Wärmeübertragerrohr in der Isolationsschicht

49 - Lichtbogen

50 - Lager

51 - rotierender Speicherbehälter 52 - freie Oberfläche des Speichermediums

53 - Öffnungen im rotierenden Speicherbehälter

54 - Phasengrenze

55 - Doppelrohrspeicherbehälter 56 - Außenrohr des Doppelrohrspeicherbehälters

57 - Innenrohr des Doppelrohrspeicherbehälters

58 - Deckflächen des Doppelrohrspeicherbehälters

59 - elektrisch leitende Zwischenschicht

60 - Entladungsströmung 61 - Induktor und Wärmeübertragerrohr

62 - temperaturbeständige elektrische Isolation

63 - äußere Speicherkammer

64 - innere Speicherkammer

65 - Temperaturstrahler 66 - Hubbalken

Claims

Patentansprüche

1. Hochtemperatur-Latentwärmespeicher, umfassend:

- einen Speicherbehälter (32) mit einer Speicherbehälterinnenwand (33) ;

- einem im Speicherbehälter (32) angeordneten Speichermedium (31), welches an die Speicherbehälterinnenwand

(33) unmittelbar angrenzt und zumindest bei einer Betriebstemperatur im flüssigen Aggrgatzustand vorliegt;

- eine Isolationsschicht (35) ;

- eine thermische Beladeeinrichtung; und

- eine thermische Entladeeinrichtung; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Materialien von Speichermedium (31) und Speicherbehälterinnenwand (33) sowie die Betriebstemperatur des Latentwärmespeichers so gewählt sind, dass sich bei der ersten thermischen Beladung bis zur Betriebstemperatur ein Opferanteil des Materials der Speicherbehälterinnenwand (33) in dem flüssigen Speichermedium (31) löst, bis sich ein stabiles thermodynamisches Gleichgewicht ausbildet, und dass die Dicke der Speicherbehälterinnenwand (33) so gewählt ist, dass sie auch nach der Ablösung des Opferanteils bei maximaler thermisher Beladung geschlossen und dicht für das Speichermedium (31) ist, um den mechanischen Stabilitätserfordernissen zu genügen.

2. Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin eine Verbin- dungsschicht (36) umfasst, die zwischen der Isolationsschicht (35) , und der Speicherbehälterinnewand (33) angeordnet ist und darüber mit dem Speichermedium (31) in thermischem Kontakt steht.

3. Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Speicherbehälterinnenwand (33) mit dem Speichermedium (31) identisch ist, wobei die Speichergröße so bemessen ist, dass im Falle maximaler thermischer Beladung die verbleibende Speicherbehälterinnenwand (33) weiterhin den mechanischen Stabilitätserfordernissen genügt und ein Phasengleichgewicht zwischen dem Speichermedium (31) und der Speicherbehälterinnenwand (33) vorliegt.

4. Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Beladeeinrichtung und/oder die thermische Entladeeinrichtung in dem flüssigen Speichermedium (31) angeordnet sind und eine lösliche Außenschicht (40, 43, 47) aufweisen, die im Speichermedium (31) löslich ist, wobei die Materialien von Speichermedium (31) und löslicher Außenschicht (40, 43) sowie die Betriebstemperatur des Latentwärmespeichers so gewählt sind, dass sich bei der ersten ther- mischen Beladung bis zur Betriebstemperatur ein Opferanteil des Materials der löslichen Außenschicht (40, 43) in dem flüssigen Speichermedium (31) löst, bis sich ein stabiles thermodynamisches Gleichgewicht ausbildet, und dass die Dicke der löslichen Außenschicht (40, 43) so gewählt ist, dass sie auch nach der Ablösung des Opferanteils bei maximaler thermisher Beladung geschlossen und dicht für das Speichermedium (31) ist.

5. Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Beladeeinrichtung ein Rohrheizkörper (37) ist, der aus einem Heizleiter (38), einem Hüllrohr (39) und der in dem flüssigen Speichermedium (31) löslichen Außenschicht (40) aufgebaut ist .

6. Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Beladeeinrichtung aus einem oder mehreren Wärmeübertragerrohren (42) besteht, welche die im flüssigen Speichermedium (31) lösliche Außenschicht (43) aufweisen und von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmeträgerfluid (45) durchflössen werden .

7. Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach einem der Ansprü- che 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische

Entladeeinrichtung aus einem oder mehreren Wärmeübertragerrohren (42) besteht, welche die im flüssigen Speichermedium (31) lösliche Außenschicht (43) aufweisen und von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmeträgerfluid (45) durchflössen werden.

8. Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Beladeeinrichtung aus einer Mehrzahl von Elektroden (46) zur direkten elektrischen Widerstandsheizung besteht, deren Außenschichten (47) in dem flüssigen Speichermedium (31) löslich sind.

9. Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach einem der Ansprü- che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische

Beladeeinrichtung als Lichtbogenheizung ausgeführt ist, die aus einer oder mehreren stromdurchflossenen Elektroden (46), die oberhalb des Speichermediums (31) angeordnet sind, besteht.

10. Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Entladeeinrichtung aus einem oder mehreren Wärmeübertragerrohren

(48), die von einem flüssigen oder gasförmigen Wärme- trägerfluid (45) durchflössen werden und in die Isolationsschicht (35) des Speicherbehälters (32) integriert sind, besteht.

11. Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Speichermedium (31) in einem rotierenden Speicherbehälter (51) befindet, dessen Rotationsgeschwindigkeit so bemessen ist, dass durch die Zentrifugalkräfte eine freie Oberfläche (52) in der Nähe der Drehachse entsteht, und dass die thermische Beladeeinrichtung als Lichtbogenheizung zwischen zwei herausnehmbaren, auf der Drehachse gegenüberliegend gelagerten Elektroden (46) ausgeführt ist, und dass die Entladeeinrichtung von den auf der Drehachse befindli- chen, nach dem Entnehmen der Elektroden entstehenden

Öffnungen (63) gebildet ist, durch die ein gasförmiges Wärmeübertragungsmedium geleitet wird.

12. Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach einem der Ansprü- che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Speichermedium (31) in einem von einem Außenrohr (56), einem Innenrohr (57) und zwei Deckflächen (58) gebildeten Doppelrohrspeicherbehälter (55) befindet und die thermische Beladeeinrichtung aus einer um die Speicherbehälter- innenwand (33) herum angeordneten elektrisch leitenden Zwischenschicht (59) , die über mindestens zwei elektrische Anschlüsse (41) mit elektrischem Strom beaufschlagt wird, besteht, und dass die thermische Entladeeinrichtung von dem mit einem gasförmigen oder flüssigen Wärmeüber- tragungsmedium durchströmten Innenrohr gebildet wird.

13. Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Beladeeinrichtung als Induktionsheizung ausgeführt ist, die aus einer oder mehreren stromdurchflossenen Indukto- ren (61) besteht, welche außerhalb des Speichermediums (31) in einer temperaturbeständigen Isolationsschicht (62) angeordnet sind.

14. Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach einem der Ansprü- che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich im

Speicherbehälter (32) befindliche Speicherkammer (64) auf einem Hubbalken (66) gelagert ist, der die Speicherkammer (64) jeweils zwischen den in der Isolationsschicht (35) integrierten thermischen Ent- und Beladeeinrichtungen verschiebt, und dass die thermische Beladeeinrichtung als Strahlungsheizung ausgeführt ist, die aus einer Mehrzahl von Temperaturstrahlern (65) besteht, und dass die thermische Entladeeinrichtung aus einem oder mehreren von einem Wärmeträgerfluid (45) durchflossenen Wärmeübertra- gerrohren (48) besteht.

15. Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicher- medium (31) ein Flüssigmetall oder ein flüssiges Halblei- termaterial ist.

16. Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Speicher- medium (31) bereits vor der ersten thermischen Beladung ein Materialanteil des Materials der Speicherinnenwand

(33) und/oder des Materials von löslichen Außenschichten (40, 43, 47) der Be-und/oder Entladeeinrichtung zugesetzt ist .