WO2012027854A2 - Wärmespeicher - Google Patents

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WO2012027854A2
WO2012027854A2 PCT/CH2011/000198 CH2011000198W WO2012027854A2 WO 2012027854 A2 WO2012027854 A2 WO 2012027854A2 CH 2011000198 W CH2011000198 W CH 2011000198W WO 2012027854 A2 WO2012027854 A2 WO 2012027854A2
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storing
temperature
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Andrea Pedretti
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Airlight Energy Ip Sa
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Priority to EP11751530.4A priority patent/EP2612099A2/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/0056—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using solid heat storage material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D2020/0065—Details, e.g. particular heat storage tanks, auxiliary members within tanks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2225/00—Reinforcing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2270/00—Thermal insulation; Thermal decoupling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention relates to a heat accumulator according to the preamble of claim 1 and a heat accumulator according to claim 16.
  • Heat storage find, inter alia, in power plants use, especially in solar power plants.
  • For the storage of small amounts of heat are used in the underground heat storage, s. Hahne, E: "The ITW solar heating sys- tem: on oldtimer fully in action", SOLAR ENERGY, PERGAMON PRESS. OXFORD, GB, Vol. 69, No. 6, Jan. 1, 2000 (200-01-01), pages 469-493, XP004221026, ISSN: 0038-092X (00) 00115-8.
  • the heat accumulator disclosed by Hahne has a water-gravel filling and is operated in a low-temperature range from 0 ° C to about 35 ° C together with a heat pump (see Hahne, E, a.a.O., Fig. 19 and Fig. 21).
  • DE 3 101 537 discloses a heat accumulator also used in the underground, in particular for the supply of a house with heat, which is to be heated by electric current, whereby the operating temperature is suitable for operating the heating system of the house (FIG. 3) far below 100 ° C is.
  • a dry filling of gravel or, as mentioned, also ceramic or other suitable bulk material (hereinafter for the sake of simplicity instead of the various possible materials only refers to gravel) has a comparatively large heat capacity and can of a fluid, such as a gas , are flowed through, since the spaces between the individual stones are sufficiently coherent and allow a uniform flow over the entire cross section of the gravel filling.
  • a hot fluid By a hot fluid, the gravel filling is heated, which then later in turn can transfer the heat back to a cooler fluid.
  • heat accumulators with a heat-storing bulk material are suitable for storing heat generated by solar energy.
  • the currently generated heat quantity depends on the weather conditions (and of course on the time of day), whereby the fluctuations can be very large during the day due to weather conditions. Frequent weather fluctuations or bad weather periods result in heat production failures that can be so severe that the production of solar heat is not an option due to weather conditions at locations that otherwise would not have to be excluded from the sun's rays.
  • the radiation of the sun is mirrored by collectors with the help of the concentrator and focused specifically on a place in which thereby high temperatures.
  • the concentrated heat can be dissipated and used, for example, to operate thermal engines such as turbines, which in turn drive the electricity generating generators.
  • Dish Sterling systems are equipped with paraboloidal mirrors that focus sunlight to a focal point where a heat receiver is placed is.
  • the mirrors are rotatably mounted biaxially in order to be able to track the current position of the sun, and have a diameter of a few meters up to 10 m and more, which then achieves powers of up to 50 kW per module.
  • a Sterling engine installed on the heat receiver converts the thermal energy directly into mechanical work, which in turn generates electricity.
  • Solar tower power plant systems have a central, raised (on the "tower") mounted absorber for hundreds to thousands of individual mirrors with mirrored to him sunlight, so that the radiation energy of the sun over the many mirrors or concentrators in the absorber concentrated and thus temperatures up to 1300 ° C, which is favorable for the efficiency of the downstream thermal machines (usually a steam or fluid turbine power plant for power generation).
  • California Solar has a capacity of several MW.
  • Parabolic trough power plants have a large number of collectors, which have long concentrators with a small transverse dimension, and thus have not a focal point, but a focal line. These line concentrators today have a length of 20 m to 150 m.
  • An absorber tube runs through the focal line for the concentrated heat (up to around 500 ° C), which transports it to the power plant. For example, thermal oil or superheated steam may be used as transport medium.
  • the "Nevada Solar One" power plant, which went into operation in 2007, has trough collectors with 182,400 curved mirrors arranged over an area of 140 hectares and produces 65 MW.
  • Another example of a parabolic trough power plant is Andasol 1 in Andalusia, with a concentrator area of 510 ⁇ 00 m 2 and 50 MW output, whereby the temperature in the absorber pipes should reach about 400 ° C.
  • the storage should take place only briefly (shading, maintenance, wind, etc.), then medium term, for example, for use at night or longer term during a bad weather period.
  • heat should be stored at the highest possible temperature, since high temperatures in the conversion to another form of energy (such as electricity) are necessary for high efficiency and, as mentioned above, increasingly by parabolic trough power plants, but also by solar tower systems small parabolic mirrors can be provided.
  • the losses in the heat storage are determined not only by the insulation during the storage period and thus the temperature drop, but also by the temperature of the extracted heat from the memory.
  • the heat generated in the concentrator of a parabolic trough power plant can reach over 100 ° C, for example 200 ° C, 400 ° C or 500 ° C or more, with even higher temperatures being sought as a result of the further development.
  • the gravel filling (or dry filling, as a water filling at the temperatures mentioned makes no sense due to the formation of steam and the associated operating pressure) of a heat storage for the storage of heat on an industrial scale now has considerable weight, so that the container a correspondingly solid steel wall must be able to withstand the pressure of the gravel.
  • the static pressure of the gravel filling (active pressure) is less problematic, because due to the voids between the stones with an active pressure of about 30% of a water column must be expected.
  • the active pressure depends on the density of the bulk material and can assume higher values. As a rule (but by no means necessarily), the desired flowability of the bulk material will mean that a bulk material that is not too dense is used.
  • the nature of the thing after the gravel filling must be heated and cooled.
  • the gravel filling expands, creating an expansion pressure that the steel wall must withstand, so that a correspondingly massive construction is necessary.
  • the expansion of the individual stones is compensated by a displacement of their arrangement relative to one another, so that the empty space between the stones is reduced by the volume consumed by the thermal expansion of the stones.
  • the expansion pressure thus corresponds in its order of magnitude to the pressure that would have to be applied from outside in order to push together a gravel filling through a vertical wall (passive pressure).
  • the passive (and, of course, the active) pressure depends on the type of bulk material and is approximately threefold in the case of loose gravel the pressure of a column of water, or more.
  • the decisive operating pressure in the conventional heat storage corresponds to the passive pressure, which is substantially higher than the active pressure of the gravel filling.
  • steel heats up faster than gravel with the result that the steel wall of the gravel container during the heating of the gravel voranilt this in the temperature and thus in the thermal expansion.
  • the volume of the container increases more than that of the gravel filling, which thus somewhat collapses (ie occupies a slightly wider but less high volume).
  • the gravel will first follow its temperature and begin to build up expansion pressure with the corresponding increase in volume reaching its maximum at the tank temperature. This can lead to the yield strength of the steel wall (hot, see above, and therefore less stressable) being exceeded and the container deforming, ultimately being destroyed.
  • the container has to be armored, in particular for larger heat storage, in order to be able to withstand the pressures occurring during operation, which is structurally complex and complicated and expensive to manufacture.
  • the side wall is supported from the outside, it is essentially claimed only on pressure, without causing a circumferential strain on the ground must withstand a pressure-induced diameter increase, which has a significantly lower stress on the side wall result and a correspondingly simple construction allows.
  • the fact that the support is carried out by a bulk material, surprisingly in the simplest way can achieve a sufficiently resistant support, since the support for the front has an active pressure which is in the order of magnitude of the operating pressure (ie the active pressure) of the heat-storing bulk material.
  • the side wall (or at least portions of the side wall) is inclined at an angle of inclination, which causes the bulk heat-storing material to displace somewhat upward as the heat accumulates during storage, thereby increasing the volume of the heat Increases the bulk filling and thus the actually occurring operating pressure is smaller than expansion pressure in a vertically arranged side wall.
  • FIG. 1 schematically shows a first embodiment of the invention with a submerged container for the bulk material storing the heat
  • FIG. 2 schematically shows a preferred embodiment of the invention with a sloping side wall
  • FIG. 3 a to c schematically show further embodiments in which the supporting bulk material is poured over the substrate
  • FIG. 4 shows a concrete wall composed of concrete segments for the container of heat-storing bulk material
  • FIGS. 5a and 5b show various configurations for a heat accumulator according to the invention
  • FIG. 6 shows an example of a temperature distribution in the heat-storing bulk material of a heat accumulator during operation according to the present invention.
  • FIG. 1 schematically shows a heat accumulator 1, which is let into the substrate 2 and has a container 3 for dry filling from heat-storing bulk material 4.
  • the container 3 has a side wall 5, which encloses the heat-storing bulk material 4.
  • From a nacelle 6 leads a fluid line 7 in the bottom portion 8 of the heat accumulator 1, where distribute the fluid and uniformly distributed over a sieve tray 9 in the heat-storing bulk material 4, this flow through, emerge at the top of this and via the fluid line 10 in the Machine house 6 can be returned.
  • the heat-storing bulk material 4 can be heated by hot, originating from the heat source fluid to about 100 ° C.
  • later cold fluid can be passed through the bulk material 4 storing heat, which heats up accordingly and is then usable to convert energy, such as to generate steam, which in turn can then drive a turbine for the production of electricity.
  • the fluid used is preferably a gas such as air.
  • Other fluids, including liquids, are also conceivable.
  • heat-storing bulk material 4 is preferably a filling of gravel.
  • Other bulk materials are also conceivable.
  • 4 different solutions are possible for the leadership of the fluid through the heat-storing bulk material, for example, such that the heat-storing bulk material 4 results in a temperature stratification and the flow takes place in cocurrent or countercurrent, s. to the description of Figure 6.
  • the heat accumulator 1 can be designed for the storage of the heat of a small unit or for the storage of heat on an industrial scale and designed accordingly.
  • the substrate 2 shown in the figure has a different structure.
  • a solid structure such as Rock 13
  • a bulk-like structure 14 such as Earth or gravel.
  • the side wall 5 is loaded by the heating, the heat-storing bulk material by directed against outside, in the case of a cylindrical container 3 by radial operating pressure, the side wall 5 in turn is supported against the outside on the supporting bulk material 14.
  • the side wall 5 is essentially subjected to pressure only. If the side wall 5 is made of steel, the thermal expansion will increase the diameter of the container.
  • the supporting bulk builds up its active pressure according to counter pressure, so that in the subsequent increase in the diameter of the filling of heat-storing bulk material, the side wall 5 is already stably supported by the supporting bulk material and a further diameter increase of Side wall is largely or completely suppressed: it remains according to the invention in the principle only compressive stress of the side wall, which allows a correspondingly easy and simple design.
  • a more dense material (with respect to the heat-storing material) is preferably used for the supporting bulk material 14, since it does not have to be flowed through by a fluid. This will generally be the case when using excavation from the pit into which the inventive heat accumulator 1 is laid.
  • the passive pressure of the supporting bulk material 14 is at the outset greater than that of the heat-storing bulk material 4, with the corresponding advantage of a stable support of the side wall fifth
  • the supporting bulk material 14 is compressed relative to the loose filling state, which may be advantageous in particular for certain bulk materials, but is scarcely necessary, for example, in the case of coarse bulk materials consisting of hard individual parts such as coarse gravel. It should be noted that the expert in the selection of the supporting bulk material will take into account in particular its passive pressure, but in the determination of the material of the bulk material is basically free and this can vote on the needs on site. The bulk material 14 can then be different from the material of the substrate.
  • Figure 2 shows a preferred embodiment of a heat accumulator 20, the side wall 21 is inclined at an angle to the horizontal, such that the container 22 of the heat accumulator 20 widens against the top.
  • the container 22 has the shape of an inverted truncated cone.
  • the container 22 is completely surrounded by a supporting bulk material 23, such as gravel, which fills a pit 25 indicated by dashed lines in the figure, which has been dug out of the ground 24 is.
  • a supporting bulk material 23 such as gravel, which fills a pit 25 indicated by dashed lines in the figure, which has been dug out of the ground 24 is.
  • a supporting bulk material 23 such as gravel
  • the bulk material 4 storing heat under expansion pressure can shift slightly upwards, since the reaction of the wall to its individual stones has an upward component due to the inclined position.
  • a unit area of the side wall 21 exerts a reaction force according to the vector 25 of the reaction force, this vector 25 has a horizontally inwardly directed component 26 and the above, vertically upward component 27, which in turn store a movement of the individual stones of the heat Bulk 4 has up to the episode.
  • the heat-storing bulk material during operation of the heat accumulator has a passive pressure which is higher than the desired operating pressure resistance (without safety reserve) of the side wall of the container containing the heat-storing bulk material 4. This is possible because the angle of inclination of the side wall 21 with respect to the horizontal has a value such that the operating pressure of the heat-storing bulk material 4 is smaller than the operating pressure resistance of the side wall 21.
  • the inclination of the side wall 21 not only gives the above-described advantageous effect on the heat-storing bulk material 4, but at the same time the advantageous effect on the supporting bulk material described with reference to the force vector 40:
  • a surface unit of the side wall 21 is loaded and exerted by the operating pressure on the corresponding region of the supporting bulk material 23 from a force according to the vector 40 having an outwardly directed horizontal component 41 and a downward vertical component 42 has.
  • the supporting bulk material 23 on the surface 43 could be pushed away partially upwards, as indicated by the outline of an accumulation 44.
  • the effect of the supporting bulk material would be reduced in the region of the surface 43, with the risk that this effect continues towards the bottom and the supporting bulk material 23 loosens in the region of the side wall 23, with the result that the side wall 21 reaches a correspondingly higher level Stress would have to be interpreted.
  • the side wall can be supported by a supporting bulk material, which allows larger heat storage (ie heat storage, the filling of which have a large volume), since without such support the side wall would be difficult to produce economically due to the forces to be absorbed.
  • the operating pressure can be markedly lowered by the described inclination of the side wall, which facilitates the construction of a conventional side wall.
  • these two building blocks enable To reduce the stress on the side wall such that other materials than steel, such as concrete, can be used even for large heat accumulators, which in turn brings about further, considerable advantages, as described in connection with FIG is described.
  • an angle of inclination between 50 and 85 degrees makes it possible to realize the effect according to the invention in virtually all possible combinations of bulk materials.
  • An inclination between 60 and 80 degrees is suitable for most common bulk materials (gravel or ceramics in combination with substrate material), while an inclination angle of 70 degrees may serve as an average when uncertainties arise with respect to the friction angle of the materials or non-homogeneous materials are used.
  • a heat-storing bulk material such as rounded gravel with a particle size of 28 to 32 mm, a specific weight of 15 kN / m3 and a friction angle of 40 degrees in combination with a supporting bulk material such as loose, non-grosiver " Standard floor "with a specific weight of 22 kN / m3 and a friction angle of 30 degrees with an inclination angle of the side wall of 80 degrees to the horizontal a passive pressure of the gravel of about 269 kN / m2, while the passive pressure of the supporting" standard floor " 420 kN / m2.
  • Figures 3a to 3c show various possible configurations in the structure of the supporting bulk material.
  • FIG. 3a shows a container 30, partially sunk in the underground, of a heat accumulator, the associated fluid lines and other components for relieving the figure being omitted.
  • a bulk material 31 surrounds the side wall 32 over its entire height, fills the one hand, the pit 33 and on the other hand forms a landfill 34.
  • the flank of the landfill 34 is shallower than the angle of friction of the supporting bulk material 31, whereby the landfill remains stable and can absorb the considerable forces of the operating pressure.
  • the stability of the flank of the landfill 34 is aided by the inclination of the side wall 32 which, under operating pressure, compresses the landfill 34 in a stabilizing manner via the force component directed downwards (see FIG. 2, downward directed force component 42).
  • FIG. 3b shows a partially submerged container 35, the substrate producing sufficient active pressure to support the sidewall 36.
  • the landfill 37 from supporting bulk material is in turn supported on the outside by an outer end wall 38. This results in a diameter reduction of the arrangement, since the flank of the supporting bulk material shown in FIG. 3a is eliminated. Due to the internal friction in the supporting bulk material 37, the outer end wall is subjected to comparatively little load by the operating pressure acting on the side wall 36, and can easily be carried out by the person skilled in the art in a conventional manner.
  • the excavation for the pit, in which the container 35 is located is used for the landfill 37.
  • FIG. 3c shows a container 40 standing on the ground (or even above the ground, for example on a scaffold), wherein the supporting bulk material 42 has accumulated around the side wall 41 so that its side wall 41 is supported by a filling 42 of supporting bulk material is supported, wherein an outer end wall 43 surrounds the land 42 and limited.
  • the arrangements of FIGS. 3a to 3c, or mixed forms thereof, can be selected by the person skilled in the art, preferably according to the local conditions.
  • FIG. 4 shows a side wall 51 of a heat accumulator according to the invention consisting of concrete elements 50 (see FIG. All concrete elements 50 have the same shape, so they can be produced in series. Over the length, the concrete elements 50 are slightly conical, so that the angle of inclination of the side wall 51 determined by the person skilled in the specific case is formed when the Concrete elements 50 are joined to this.
  • the side wall can also be made of another non-metallic material.
  • the term “non-metallic” or “concrete” does not exclude that the skilled artisan may provide metallic reinforcements due to the intended stress on the sidewall or members forming the sidewall.
  • the side wall in principle only claimed on pressure. Due to the structural conditions in the real heat storage according to the present invention, a certain further stress can not be excluded, which may well be desired by the skilled person in addition to the use of the inventive advantages.
  • the longitudinal edges 52,53 of the concrete elements 50 have a step 54, so that a wider surface 55 and a narrower surface 56 is formed.
  • the concrete elements 50 are now positioned next to each other, alternately the wider surface 55 and then the narrower surface 56 is directed outwards, with the result that the stepped longitudinal edges 52,53 are supported on each other, so that the side wall 51 is closed.
  • the person skilled in the art can also provide a different geometry of the edges 52, 53, so that the concrete elements 50 fit together appropriately.
  • By engaging in each other results in a mutually defined position of each adjacent concrete elements.
  • a slight relative movement of the adjacent elements 50 in the installed state still be possible by the edges of the steps slide slightly on each other, so that remaining, the slightest displacements of the elements due to the operation of the heat storage are possible.
  • a concrete element 50 is formed as an elongate, flat plate, both of which straight longitudinal edges 52,53 are formed as a step 54 which can be brought into engagement with the step 54 of an adjacent concrete element 50.
  • the width of a concrete element 50 at the lower end 62 is smaller than the width at the upper end 63.
  • the lower width 62, the upper width 63 and the ratio of the widths 62,63 are formed such that a number of concrete elements 50 can be joined together with engaging longitudinal edges to a closed shell of a truncated cone, as shown in the figure.
  • the body of a concrete element 50 may be curved in the direction of its width (but over its entire length), the radius of curvature becoming smaller towards the narrower end from the wider end and being designed to substantially correspond to the radius of curvature of the truncated cone.
  • the supports 57 shown in dashed lines are still provided, which allow the concrete elements 50 during the construction of the heat accumulator in the prepared pit against each other to arrange and align, so that then the pit can be filled with the supporting bulk material.
  • the supporting action of these supports 57 is of subordinate importance.
  • a bottom 65 of the container 51 It can also be seen a bottom 65 of the container 51.
  • the thermal conductivity of concrete is massively smaller than that of steel, which allows the temporally longer storage of heat of high temperature without major additional insulation effort.
  • a side wall according to the embodiment of Figure 4 is preferably outside with a sealing film enclosed, which in turn then rests on the supporting bulk material.
  • Between the side wall 51 and the supporting bulk material is also a special insulation layer according to the invention, but which must be pressure resistant, since it is between the side wall 51 and the supporting bulk material (which is not shown to relieve the figure).
  • Such containers may for example have a diameter of 5 m to 25 m and a height of 4 m to 9.5 m.
  • FIG. 5a shows a further configuration according to the invention for a heat accumulator according to the invention.
  • the side wall 70 is divided as a whole into different segments 71, 72.
  • segment 71 is inclined relative to the horizontal, and the segment 72 arranged vertically, but this is sufficient to reduce the operating pressure of existing therein (and to relieve the figure omitted) heat-storing bulk material such that the side wall of non-metallic Materials, such as the concrete elements 50 described above, can be formed.
  • the person skilled in the art will select such a configuration, for example, if the available space is scarce on one side of the pit provided for the heat store.
  • FIG. 5b shows an additional configuration according to the invention for a heat accumulator according to the invention.
  • the side wall 80 is split as a whole into different segments 81-84.
  • One of the segments 81 is vertically aligned, the other segments 82 to 84 are inclined relative to the horizontal according to the invention, which is sufficient to reduce the operating pressure of the bulk material (which is omitted in order to relieve the figure) in such a way that the sidewall may be formed of non-metallic materials, such as the concrete elements 50 described above.
  • the segment 84 is flat.
  • Such geometrical mixing forms will be determined by the person skilled in the art according to the conditions on site, but the inclination and the surface portion of the inclined segments provide such that the effect according to the invention of the inclined side wall is effective.
  • FIG. 6 shows an example of a temperature distribution in the heat-storing bulk material of a heat accumulator during operation according to the present invention.
  • the assumptions made are: height of the bulk material 3m, where in the diagram the height is indicated at the top with 0m and at the bottom of the heat storage with 3m.
  • the flow with heat-supplying gas is from top to bottom with 0.1 kg / s and an inlet temperature of 550 ° C.
  • the diagram shows the temperature distribution in the bulk material after 20 h.
  • a temperature stratification is shown with a top layer or zone A of the bulk material (section 91 of the curve 90) having the highest temperature, and a lowest layer C having the lowest temperature (section 92 of the curve 90).
  • the highest temperature reaches and exceeds 500 ° C, while the lowest temperature is below 100 ° C.
  • a middle layer or zone B of the bulk material (section 93 of curve 90) shows an approximately uniform temperature drop across its height.
  • the curve 90 shifts to the right or to the left, with its edge, i. whose section 93 remains essentially unchanged.
  • the height of the layer or zone B thus remains substantially the same.
  • the zone A can extend over a height of a few cm at the beginning of the heat storage up to about 2m, in which case the temperature of the bulk material on the ground in the still existing, but now only 0.5m thick layer C. remains at about 50 ° C.
  • the support according to the invention of the side wall preferably extends over the entire height of the heat accumulator, even if in the layer C the temperature of the bulk material is kept below 100 ° C. This also applies to the inventive, for supporting synergetic inclination of the side wall.
  • the inventive advantages are realized as soon as the inlet temperature of the fluid exceeds 100 ° C, that is, the heat storage via a dry filling takes place at temperatures relevant to their thermal expansion.
  • the inlet temperature may be or exceed 200 ° C, 300 ° C, 400 ° C or 500 ° C.
  • the bulk material (4) has a temperature which exceeds 100 ° C. during heat storage, and the side wall (5, 21, 32, 36, 41, 51, 70, 80) for receiving the operating pressure of the heat-storing bulk material (4) supported on the outside against a supporting bulk material (14, 23, 33, 37, 42), ⁇ wherein the bulk material (4) is traversed by a hot fluid for storing heat from top to bottom, and whose inlet temperature is above 100 ° C, in such
  • the bulk material (4) in an upper zone of the heat accumulator heats up to substantially the inlet temperature, in a middle zone between the substantially inlet temperature and 100 ° C and in a lower zone below 100 ° C, and that the further supply of heat is such that the temperature in the lower zone is always below 100 ° C during the storage period.
  • a heat accumulator is provided by the present invention, which is suitable for small systems and for the storage of large amounts of heat, such as those generated in large solar power plants.
  • a single large or a plurality of suitably interconnected smaller heat storage can be provided, since the inventive heat storage, especially in a version with a side wall made of concrete elements, can be produced inexpensively and on-site in series. Due to the insulating effect of the supporting bulk material and a side wall made of concrete (of course, the person skilled in the art can also provide the base and the lid of the container made of a material such as concrete), a long-term storage time is possible, even with high-temperature heat at 500 degrees C or higher, eg at 650 degrees C.

Abstract

Bekannte Hochtemperatur-Wärmespeicher für die Speicherung von Wärme bei einer Temperatur von über 100°C einem Behälter für Wärme speicherndes Schüttgut wie Kies/Keramik Kugeln besitzen eine Stahlwand, die für grössere Wärmespeicher bzw. die Speicherung von Wärme bei höheren Temperaturen konstruktiv äusserst aufwendig herzustellen ist. Erfindungsgemäss wird die Seitenwand des Wärmespeichers ihrerseits durch ein stützendes Schüttgut gestützt und ist bevorzugt geneigt, mit der Folge, dass die Seitenwand wesentlich geringer beansprucht ist und aus nicht metallischem Material, wie beispielsweise Beton hergestellt werden kann. Solch ein Wärmespeicher ist einfach und kostengünstig herzustellen und erlaubt auch langfristige Speicherung von grossen Wärmemengen bei hohen Temperaturen.

Description

Wärmespeicher
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmespeicher nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einen Wärmespeicher nach Anspruch 16.
Wärmespeicher finden unter anderem in Kraftwerken Verwendung, insbesondere in Solarkraftwerken. Für die Speicherung kleiner Wärmemengen (im Gegensatz zu der Speicherung im industriellen Massstab, s. unten) sind in den Untergrund eingesetzte Wärmespeicher bekannt, s. Hahne, E: "The ITW solar heating sys- tem: an oldtimer fully in action", SOLAR ENERGY, PERGAMON PRESS. OXFORD, GB, Bd. 69, Nr. 6, 1. Januar 2000 (200-01-01), Seiten 469 - 493, XPOO4221026, ISSN: 0038-092X(00) 00115-8. Der von Hahne offenbarte Wärmespeicher weist eine Wasser-Kies Füllung auf und wird in einen Niedertemperaturbereich von 0 °C bis ca. 35 °C zusammen mit einer Wärmepumpe betrieben (s. Hahne, E, a.a.O., Fig. 19 und Fig. 21).
Einen ebenfalls in den Untergrund eingesetzten Wärmespeicher insbesondere für die Versorgung eines Hauses mit Wärme, der über elektrischen Strom aufgeheizt werden soll, offenbart DE 3 101 537, wobei die Betriebstemperatur geeignet ist, das Heizungssystem des Hauses zu betreiben (Figur 3) also weit unter 100°C liegt.
Bei den geringen, unter 100°C liegenden Betriebstemperaturen dieser Wärmespeicher in Verbindung mit den kleinen Abmessungen ist die Wärmedehnung des Wärme speichernden Materials ohne Bedeutung.
Für die Speicherung von Wärme bei höheren Temperaturen, insbesondere über 100°C, sind kleinere oder grössere zylinderförmige Stahltanks bekannt geworden, die auf Stützen ruhen und eine Trockenfüllung aus Kies oder Keramik besit- zen. Stahltanks werden verwendet um die Betriebskräfte im Wärmespeicher aufzufangen, die bei Betriebstemperaturen über 100°C auftreten und dann sehr hohe Werte annehmen können. Eine Trockenfüllung aus Kies oder, wie erwähnt, auch Keramik oder ein anderes geeignetes Schüttgut (wobei nachstehend der Einfachheit halber an Stelle der verschiedenen möglichen Materialien nur noch auf Kies Bezug genommen wird) besitzt eine vergleichsweise grosse Wärmekapazität und kann von einem Fluid, beispielsweise einem Gas, durchströmt werden, da die Zwischenräume zwischen den einzelnen Steinen genügend zusammenhängen und eine gleichmässige Durchströmung über den ganzen Querschnitt der Kiesfüllung erlauben. Durch ein heisses Fluid wird die Kiesfüllung erwärmt, die dann später ihrerseits die Wärme wieder an ein kühleres Fluid abgeben kann. Im Ganzen sind Wärmespeicher mit einem Wärme speichernden Schüttgut geeignet, durch Sonnenenergie erzeugte Wärme zu speichern.
Insbesondere bei der Erzeugung von Wärme durch Solarenergie hängt aber die aktuell erzeugte Wärmemenge von den Witterungsbedingungen (und natürlich von der Tageszeit) ab, wobei die Schwankungen über Tag witterungsbedingt sehr gross sein können. Häufige Witterungsschwankungen oder Schlechtwetterperioden bringen Ausfälle an Wärmeproduktion mit sich, die so gravierend sein können, dass die Produktion von solarer Wärme wetterbedingt an Standorten nicht in Frage kommt, die sonst von der Sonneneinstrahlung her nicht zum Vornherein ausgeschlossen werden müssten.
In Solarthermischen Kraftwerken wird die Strahlung der Sonne durch Kollektoren mit Hilfe des Konzentrators gespiegelt und gezielt auf einen Ort fokussiert, in welchem dadurch hohe Temperaturen entstehen. Die konzentrierte Wärme kann abgeführt und beispielsweise zum Betrieb von thermischen Kraftmaschinen wie Turbinen verwendet werden, die wiederum die Strom erzeugenden Generatoren antreiben.
Heute sind drei Grundformen von solarthermischen Kraftwerken im Einsatz: Dish-Sterling-Systeme, Solarturmkraftwerkssysteme und Parabolrinnensysteme.
Dish-Sterling-Systeme sind mit Paraboloidspiegeln ausgerüstet, die das Sonnenlicht auf einen Brennpunkt konzentrieren, wo ein Wärmeempfänger angeordnet ist. Die Spiegel sind zweiachsig drehbar gelagert, um dem aktuellen Sonnenstand nachgefahren werden zu können, und besitzen einen Durchmesser von wenigen Metern bis zu 10 m und mehr, womit dann Leistungen von bis zu 50 kW pro Modul erreicht werden. Ein beim Wärmeempfänger installierter Sterlingmotor wan- delt die thermische Energie direkt in mechanische Arbeit um, durch die wiederum Strom erzeugt wird.
An dieser Stelle sei auf die in US-PS 4,543,945 dargestellten Ausführungsformen und die installierten Anlagen Distal und Eurodish der EU in Spanien verwiesen.
Solarturmkraftwerksysteme besitzen einen zentralen, erhöht (auf dem "Turm") montierten Absorber für das durch hunderte bis tausende von einzelnen Spiegeln mit zu ihm gespiegelte Sonnenlicht, womit die Strahlungsenergie der Sonne über die vielen Spiegel bzw. Konzentratoren im Absorber konzentriert und so Temperaturen bis zu 1300° C erreicht werden, was für den Wirkungsgrad der nachgeschalteten thermischen Maschinen (in der Regel ein Dampf- oder Fluidturbi- nenkraftwerk zur Stromerzeugung) günstig ist. Die Anlage "Solar two" in Kalifornien besitzt eine Leistung von mehreren MW. Parabolrinnenkraftwerke besitzen Kollektoren in hoher Anzahl, die lange Konzentratoren mit geringer Querabmessung aufweisen, und damit nicht einen Brennpunkt, sondern eine Brennlinie besitzen. Diese Linienkonzentratoren besitzen heute eine Länge von 20 m bis zu 150 m. In der Brennlinie verläuft ein Absorberrohr für die konzentrierte Wärme (bis gegen 500°C), das diese zum Kraft- werk transportiert. Als Transportmedium kommt beispielsweiseThermoöl oder überhitzter Wasserdampf in Frage.
Die 9 SEGS-Parabolrinnen-Kraftwerke in Südkalifornien produzieren zusammen eine Leistung von ca. 350 MW. Das 2007 ans Netz gegangene Kraftwerk "Nevada Solar One" besitzt Rinnenkollektoren mit 182'400 gekrümmten Spiegeln, die auf einer Fläche von 140 Hektar angeordnet sind und produziert 65 MW. Ein weiteres Beispiel für ein Parabolrinnenkraftwerk ist Andasol 1 in Andalusien, mit einer Konzentratorfläche von 510Ό00 m2 und 50 MW Leistung, wobei die Temperatur in den Absorberrohren ca. 400° C erreichen soll. Die Kosten beliefen sich auf dreihundert Millionen€. Ebenso Andasol 2, das Mitte 2009 den Testbe- trieb aufgenommen hat, sowie Andasol 3, das Mitte 2011 den Betrieb aufnehmen soll.
Es ergibt sich, dass ein sehr breites Bedürfnis für die Speicherung von Wärme besteht:
Einerseits für die verschiedensten Wärmemengen von einzelnen kleinen Systemen wie z. B. Dish-Sterling Systemen bis hin zu im industriellen Massstab produzierter Wärme von Kraftwerken wie Andasol, wobei dann Wärmespeicher mit heute nicht realisierter Kapazität (und damit nicht realisierter Grösse) benötigt werden.
Andererseits soll die Speicherung nur kurzzeitig stattfinden (Beschattung, Wartungsarbeiten, Wind etc), dann mittelfristig, beispielsweise für den Gebrauch in der Nacht oder längerfristig während einer Schlecht-Wetterperiode.
Schliesslich, und besonders wichtig, soll Wärme bei möglichst hoher Temperatur gespeichert werden können, da hohe Temperaturen bei der Umwandlung in eine andere Energieform (beispielsweise Strom) für einen hohen Wirkungsgrad notwendig sind und wie oben erwähnt zunehmend durch Parabolrinnenkraftwerke, insbesondere durch Solarturmsysteme aber auch durch kleine Parabolspiegel bereit gestellt werden können. Damit sind die Verluste bei der Wärmespeicherung nicht nur von der Isolation während der Speicherdauer und damit vom Temperaturabfall, sondern auch von der Temperatur der aus dem Speicher entnommenen Wärme bestimmt. Wie oben erwähnt, kann die im Konzentrator eines Parabolrin- nenkraftwerks erzeugte Wärme über 100°C, beispielsweise 200°C, 400°C oder 500 °C oder mehr erreichen, wobei durch die weitere Entwicklung noch höhere Temperaturen angestrebt werden. Die Kiesfüllung (bzw. Trockenfüllung, da eine Wasserfüllung bei den genannten Temperaturen aufgrund der Dampfbildung und des damit verbundenen Betriebsdrucks keinen Sinn mehr macht) eines Wärmespeichers für die Speicherung von Wärme im industriellen Massstab besitzt nun erhebliches Gewicht, so dass der Behälter eine entsprechend massive Stahlwand aufweisen muss, um dem Druck des Kieses zu widerstehen. Für kleine Wärmespeicher ist die Konstruktion einer Stahlwand auf den ersten Blick weniger anspruchsvoll, für grosse Wärmespeicher sicher nicht mehr trivial. Der Ruhedruck der Kiesfüllung (aktiver Druck) ist dabei weniger problematisch, da aufgrund der Leerräume zwischen den Steinen mit einem aktiven Druck von ca. 30 % einer Wassersäule gerechnet werden muss. Natürlich hängt der aktive Druck von der Dichte des Schüttguts ab und kann höhere Werte annehmen. In der Regel (aber keineswegs zwingend) wird die gewünschte Durchströmbarkeit des Schüttguts aber dazu führen, dass ein Schüttgut nicht allzu hoher Dichte verwendet wird.
Im Betrieb des Wärmespeichers muss der Natur der Sache nach die Kiesfüllung erwärmt und abgekühlt werden. Bei der Erwärmung auf die oben genannten Temperaturen von über 100 °C, in einem Bereich von bis zu 400 °C, 500 °C, oder noch höher, dehnt sich die Kiesfüllung aus, was einen Expansionsdruck erzeugt, dem die Stahlwand widerstehen muss, so dass eine entsprechend massive Konstruktion notwendig ist. Ist nun eine Ausdehnung der Kiesfüllung durch die starre Wand nicht möglich, wird die Ausdehnung der einzelnen Steine kompensiert durch eine Verschiebung ihrer Anordnung gegeneinander, so dass sich der Leerraum zwischen den Steinen um das durch die Wärmedehnung der Steine konsumierte Volumen verringert. Der Expansionsdruck entspricht also in seiner Grös- senordnung demjenigen Druck, der von aussen aufgebracht werden müsste, um eine Kiesfüllung durch eine vertikale Wand zusammenzuschieben (passiver Druck).
Der passive (wie natürlich auch der aktive) Druck ist abhängig von der Art des Schüttguts und beträgt im Fall von locker geschüttetem Kies etwa das Dreifache des Drucks einer Wassersäule, oder mehr. Mit anderen Worten ist es so, dass der massgebende Betriebsdruck im konventionellen Wärmespeicher dem passiven Druck entspricht, der wesentlich höher ist als der aktive Druck der Kiesfüllung. Hier ist zu berücksichtigen, dass sich Stahl schneller erwärmt als Kies, mit der Folge, dass die Stahlwand des Kiesbehälters bei der Aufheizung des Kieses diesem in der Temperatur und damit auch in der Wärmedehnung voraneilt. Damit nimmt während dem Aufheizvorgang das Volumen des Behälters stärker zu als dasjenige der Kiesfüllung, welche damit etwas in sich zusammenfällt (d.h. ein etwas breiteres, aber weniger hohes Volumen einnimmt). Hat die Behälter- Stahlwand die Temperatur des wärmenden Fluids erreicht (die etwas über der Speichertemperatur liegen wird) folgt das Kies in seiner Temperatur erst nach und beginnt durch die entsprechende Volumenzunahme Expansionsdruck aufzubauen, der sein Maximum bei der Speichertemperatur erreicht. Dies kann dazu führen, dass die Streckgrenze der (heissen, s. oben, und darum weniger beanspruchbaren) Stahlwand überschritten wird und der Behälter sich verformt, letztlich zerstört wird.
Im Ganzen muss der Behälter insbesondere für grössere Wärmespeicher recht eigentlich gepanzert werden, um den im Betrieb auftretenden Drücken widerstehen zu können, was konstruktiv aufwendig und in der Herstellung kompliziert und teuer ist.
Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfachen Wärmespeicher bereitzustellen, der die Speicherung kleiner, aber auch grosser Wärmemengen bis hin zum industriellen Massstab ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmespeicher mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder Anspruch 19 sowie durch ein Betriebsverfahren nach Anspruch 27 gelöst.
Dadurch, dass die Seitenwand von aussen abgestützt ist, wird sie im Wesentlichen nur auf Druck beansprucht, ohne dass sie einer Umfangsdehnung auf Grund einer druckbedingten Durchmesserzunahme widerstehen muss, was eine erheblich niedrigere Beanspruchung der Seitenwand zur Folge hat und eine entsprechend einfache Konstruktion erlaubt. Dadurch, dass die Abstützung durch ein Schüttgut erfolgt, lässt sich überraschend in einfachster Weise eine genügend widerstandsfähige Abstützung erzielen, da die Abstützung zum Vornherein einen aktiven Druck aufweist, der in der Grössenordnung des Betriebsdrucks (d.h. des aktiven Drucks) des Wärme speichernden Schüttguts liegt.
Es entfällt die im Stand der Technik bei Betriebstemperaturen des Schüttguts von über 100°C verwendete Seitenwand, die konstruktiv aufwendig ausgebildet ist um die durch die thermische Expansion des Schüttguts verursachten Kräfte aufnehmen zu können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die die Seitenwand (oder mindestens Bereiche der Seitenwand) in einem Neigungswinkel geneigt, was dazu führt, dass sich das Wärme speichernde Schüttgut bei der während der Speicherung von Wärme erfolgenden Expansion etwas gegen oben verschiebt, so dass sich das Volumen der Schüttgutfüllung erhöht und damit der real auftretende Betriebsdruck kleiner wird als Expansionsdruck bei einer vertikal angeordneten Seiten- wand.
Damit ist die Druckbelastung der Seitenwand noch einmal reduziert, mit der Folge, dass für die Seitenwand nicht nur Stahl eingesetzt werden, sondern diese einer weiteren Ausführungsform entsprechend auch aus Beton bestehen kann.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen weisen die Merkmale der abhängigen Ansprüche auf.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren noch etwas näher beschrie- ben.
Es zeigt: Figur 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung mit im Untergrund versenktem Behälter für das die Wärme speichernde Schüttgut,
Figur 2 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einer geneigten Seitenwand,
Figur 3 a bis c schematisch weitere Ausführungsformen, bei denen das stützende Schüttgut über dem Untergrund aufgeschüttet ist, Figur 4 eine aus Betonsegmenten zusammengesetzte Betonwand für den Behälter von Wärme speicherndem Schüttgut,
Figur 5a und 5b verschiedene Konfigurationen für einen erfindungsgemässen Wärmespeicher, und
Figur 6 ein Beispiel einer Temperaturverteilung im Wärme speichernden Schüttgut eines Wärmespeichers beim Betrieb gemäss der vorliegenden Erfindung.
Figur 1 zeigt schematisch einen Wärmespeicher 1, der in den Untergrund 2 ein- gelassen ist und einen Behälter 3 für eine Trockenfüllung aus Wärme speicherndem Schüttgut 4 aufweist. Der Behälter 3 besitzt eine Seitenwand 5, die das Wärme speichernde Schüttgut 4 umschliesst. Von einem Maschinenhaus 6 führt eine Fluidleitung 7 in den Bodenbereich 8 des Wärmespeichers 1, wo sich das Fluid verteilen und über einen Siebboden 9 gleichförmig verteilt in das Wärme speichernde Schüttgut 4 eintreten, dieses durchströmen, oben aus diesem austreten und über die Fluidleitung 10 in das Maschinenhaus 6 zurückgeführt werden kann.
In der Figur nicht dargestellt sind die weiteren Komponenten, mit denen das Ma- schinenhaus 6 mit einer Wärmequelle wie einem Solarkraftwerk verbunden ist. Ebenfalls nicht dargestellt sind die Komponenten, zu denen hin die dem Wärmespeicher 1 entnommene gespeicherte Wärme vom Maschinenhaus 6 aus geführt wird. In der Figur dargestellt ist eine Durchströmung mit Fluid von unten nach oben. Damit kann das Wärme speichernde Schüttgut 4 durch heisses, von der Wärmequelle stammendes Fluid auf über 100°C aufgeheizt werden. Nach Bedarf kann später kaltes Fluid durch das Wärme speichernde Schüttgut 4 geleitet werden, das sich entsprechend aufheizt und dann zur Umwandlung von Energie nutzbar ist, etwa zur Dampferzeugung, wobei der Dampf dann seinerseits eine Turbine für die Produktion von Strom antreiben kann. Als Fluid wird vorzugsweise ein Gas wie Luft eingesetzt. Andere Fluide, auch flüssige, sind ebenfalls denkbar. Als Wärme speicherndes Schüttgut 4 dient bevorzugt eine Füllung aus Kies. Andere Schüttgüter sind ebenfalls denkbar. Schliesslich sind für die Führung des Fluids durch das Wärme speichernde Schüttgut 4 verschiedenste Lösungen möglich, z.B. derart, dass sich im Wärme speichernden Schüttgut 4 eine Temperaturschichtung ergibt und die Durchströmung im Gleichstrom oder im Gegenstrom erfolgt, s. dazu die Beschreibung zu Figur 6.
Der Fachmann kann die oben erwähnten Elemente auslegen bzw. modifizieren um eine optimale Wärmespeicherung nach den Gegebenheiten vor Ort zu erzie- len. Insbesondere kann der Wärmespeicher 1 für die Speicherung der Wärme einer kleinen Einheit oder für die Speicherung von Wärme im industriellen Massstab ausgelegt und entsprechend ausgebildet werden.
Der in der Figur dargestellte Untergrund 2 weist eine unterschiedliche Struktur auf. Einerseits eine feste Struktur, wie z.B. Felsen 13 und andererseits eine schüttgutartige Struktur 14, wie z.B. Erde oder Kies.
Im Betrieb wird die Seitenwand 5 durch das sich erhitzende, die Wärme speichernde Schüttgut durch gegen aussen gerichteten, im Fall eines zylindrischen Behälters 3 durch radialen Betriebsdruck belastet, wobei die Seitenwand 5 ihrerseits gegen aussen am sie stützenden Schüttgut 14 abgestützt ist. Dadurch wird die Seitenwand 5 im Wesentlichen nur auf Druck beansprucht. Besteht die Seitenwand 5 aus Stahl, wird durch die Wärmedehnung der Durchmesser des Behäl- ters 3 grösser, mit der Folge, dass sich das stützende Schüttgut seinem aktiven Druck entsprechend Gegendruck aufbaut, so dass bei der nachfolgenden Zunahme des Durchmessers der Füllung aus Wärme speicherndem Schüttgut die Seitenwand 5 bereits stabil durch das stützende Schüttgut abgestützt ist und eine weitere Durchmesserzunahme der Seitenwand weitgehend oder ganz unterdrückt wird: es bleibt erfindungsgemäss bei der grundsätzlichen nur Druck- Beanspruchung der Seitenwand, was eine entsprechend leichte und einfache Ausführung ermöglicht. Hier ist anzufügen, dass bevorzugt für das stützende Schüttgut 14 ein dichteres Material (gegenüber dem Wärme speichernden Mate- rial) verwendet wird, da dieses nicht von einem Fluid durchströmt werden muss. Dies wird bei Verwendung von Aushub aus der Grube, in die der erfindungsge- mässe Wärmespeicher 1 gelegt wird, in der Regel der Fall sein. Damit ist der passive Druck des stützenden Schüttguts 14 zum Vornherein grösser als derjenige des Wärme speichernden Schüttguts 4, mit dem entsprechenden Vorteil einer stabilen Abstützung der Seitenwand 5.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das stützende Schüttgut 14 gegenüber dem lockeren Füllzustand verdichtet, was insbesondere bei gewissen Schüttgütern vorteilhaft sein kann, aber beispielsweise bei groben, aus harten Einzelteilen bestehenden Schüttgütern wie grobem Kies kaum notwendig ist. Hier ist anzumerken, dass der Fachmann bei der Auswahl des stützenden Schüttguts insbesondere dessen passiven Druck berücksichtigen wird, aber in der Bestimmung des Materials des Schüttguts grundsätzlich frei ist und dieses auf die Bedürfnisse vor Ort abstimmen kann. Das Schüttgut 14 kann dann vom Material des Unter- grunds verschieden sein.
Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Wärmespeichers 20, dessen Seitenwand 21 in einem Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen geneigt ist, derart, dass sich der Behälter 22 des Wärmespeichers 20 gegen oben erweitert. In der Ausführungsform gemäss Figur 2 besitzt der Behälter 22 die Form eines umgekehrten Kegelstumpfs. Der Behälter 22 ist ganz von einem stützenden Schüttgut 23 wie beispielsweise Kies umgeben, das eine in der Figur gestrichelt angedeutete Grube 25 ausfüllt, die aus dem Untergrund 24 ausgehoben worden ist. Grundsätzlich ist es so, dass der Raum zwischen der ausgehobenen Grube 25 und dem in dieser eingesetzten Behälter 22 durch das Material des Untergrunds wieder zugeschüttet werden kann, das dann das stützende Schüttgut 23 bildet. Je nach der Materialbeschaffenheit kann der Fachmann auch vorsehen, eine an- deres Schüttgut 23 dafür vorzusehen, das die gewünschten Eigenschaften, insbesondere den gewünschten aktiven Druck aufweist.
Durch die Neigung der Seitenwand 21 kann das unter Expansionsdruck stehende Wärme speichernde Schüttgut 4 sich etwas nach oben verschieben, da die Reak- tion der Wand auf dessen einzelne Steine dank der Schräglage eine nach oben gerichtete Komponente besitzt:
Eine Flächeneinheit der Seitenwand 21 übt eine Reaktionskraft gemäss dem Vektor 25 der Reaktionskraft auf, wobei dieser Vektor 25 eine horizontal nach innen gerichtete Komponente 26 sowie die oben genannte, vertikal nach oben gerichtete Komponente 27 besitzt, welche wiederum eine Bewegung der einzelnen Steine des Wärme speichernden Schüttguts 4 nach oben zur Folge hat.
Verschieben sich Steine nun etwas nach oben, erfolgt durch die gleichzeitige Zunahme des Volumens eine Druckentlastung. Dieser Effekt spielt über die ganze Höhe des Behälters 20. Zwar spielt dieser Effekt auf Grund der Reibung der einzelnen Steine unter sich und mit der Seitenwand 21 nur beschränkt, aber dennoch so weit, dass sich der reale Betriebsdruck gegenüber dem aktiven Druck entsprechenden Expansionsdruck bei vertikaler Seitenwand merklich verringert. Dies wiederum führt zu einer Entlastung der Seitenwand, da eben der auf sie wirkende Betriebsdruck kleiner ist als bei einer vertikal ausgerichteten Seitenwand.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Wärme spei- chernde Schüttgut im Betrieb des Wärmespeichers einen passiven Druck auf, der höher ist als die Soll-Betriebsdrucksfestigkeit (ohne Sicherheitsreserve) der Seitenwand des Behälters, der das Wärme speichernde Schüttgut 4 enthält. Dies ist möglich, weil der Neigungswinkel der Seitenwand 21 gegenüber der Horizontalen einen Wert derart aufweist, dass der Betriebsdruck des Wärme speichernden Schüttguts 4 kleiner ist als als die Betriebsdruckfestigkeit der Seitenwand 21.
Die Neigung der Seitenwand 21 ergibt nicht nur die oben beschriebene vorteil- hafte Wirkung auf das Wärme speichernde Schüttgut 4, sondern zugleich auch die anhand des Kraftvektors 40 beschriebene vorteilhafte Wirkung auf das stützende Schüttgut: Eine Flächeneinheit der Seitenwand 21 wird durch den Betriebsdruck belastet und übt auf den entsprechenden Bereich des stützenden Schüttguts 23 eine Kraft gemäss dem Vektor 40 aus, der eine nach aussen ge- richtete horizontale Komponente 41 und eine nach unten gerichtete vertikale Komponente 42 besitzt.
Durch die horizontale Komponente 42 allein könnte das stützende Schüttgut 23 an der Oberfläche 43 teilweise nach oben weggedrückt werden, wie dies durch den Umriss einer Anhäufung 44 angedeutet ist. Dadurch würde im Bereich der Oberfläche 43 die Wirkung des stützenden Schüttguts vermindert, mit der Gefahr, dass sich dieser Effekt gegen unten fortsetzt und sich das stützende Schüttgut 23 im Bereich der Seitenwand 23 lockert, mit der Folge, dass die Seitenwand 21 auf eine entsprechend höhere Beanspruchung ausgelegt werden müsste.
Durch die vertikal nach unten gerichtete Komponente 42 jedoch wird die Gefahr einer Anhäufung 44 vermieden, da das unter Druck stehende stützende Schüttgut 23 nicht nur horizontal nach aussen weg, sondern auch gleichzeitig gegen unten gedrückt wird.
Zusammenfassend kann einerseits die Seitenwand durch ein stützendes Schüttgut gestützt werden, was überhaupt grössere Wärmespeicher (d.h. Wärmespeicher, deren Füllung ein grosses Volumen besitzen) erlaubt, da ohne solche Stüt- zung die Seitenwand aufgrund der aufzufangenden Kräfte kaum wirtschaftlich herzustellen wäre. Zudem kann der Betriebsdruck durch die geschilderte Neigung der Seitenwand merklich gesenkt werden, was die Konstruktion einer konventionellen Seitenwand erleichtert. In Kombination ermöglichen diese beiden Bauprin- zipien, die Beanspruchung der Seitenwand derart zu reduzieren, dass dann auch für grosse Wärmespeicher auf andere Materialien als Stahl, wie beispielsweise Beton zurückgegriffen werden kann, was wiederum die erfindungsgemässen, weiteren, erheblichen Vorteile mit sich bringt, wie es im Zusammenhang mit der Figur 4 beschrieben ist.
Da der konkrete, optimale Neigungswinkel der Seitenwand davon abhängt, welche Schüttgüter verwendet werden, sei an dieser Stelle angefügt, dass ein Neigungswinkel zwischen 50 und 85 Grad ermöglicht, den erfindungsgemässen Ef- fekt bei praktisch alle möglichen Kombinationen von Schüttgutmaterialien zu realisieren. Ein Neigungswinkel zwischen 60 und 80 Grad ist für die meisten gängigen Schüttgüter geeignet (Kies oder Keramik in Verbindung mit Material des Untergrunds), während ein Neigungswinkel von 70 Grad als Mittelwert dienen mag, wenn sich Unsicherheiten im Hinblick auf den Reibungswinkel der Materialien er- geben bzw. nicht homogene Materialien verwendet werden.
Beispielsweise ergibt sich bei der Wahl eines Wärme speichernden Schüttguts wie abgerundetem Kies mit einer Granulometrie von 28 bis 32 mm, einem spezifischen Gewicht von 15 kN/m3 und einem Reibungswinkel von 40 Grad in Kombi- nation mit einem stützenden Schüttgut wie lockerer, nicht koesiver "Standardboden" mit einem spezifischen Gewicht von 22 kN/m3 und einem Reibungswinkel von 30 Grad bei einem Neigungswinkel der Seitenwand von 80 Grad gegenüber der Horizontalen ein passiver Druck des Kieses von ca. 269 kN/m2, während der passive Druck des stützenden "Standardbodens" 420 kN/m2 beträgt.
Die Figuren 3a bis 3c zeigen verschiedene mögliche Konfigurationen im Aufbau des stützenden Schüttguts.
Figur 3a zeigt einen teilweise im Untergrund versenkten Behälter 30 eines Wär- mespeichers, wobei die dazu gehörenden Fluidleitungen und weiteren Komponenten zur Entlastung der Figur weggelassen sind. Ein Schüttgut 31 umgibt die Seitenwand 32 über deren ganze Höhe, füllt einerseits die Grube 33 und bildet andererseits eine Aufschüttung 34. Die Flanke der Aufschüttung 34 ist flacher als der Reibungswinkel des stützenden Schüttguts 31, womit die Aufschüttung stabil bleibt und die erheblichen Kräfte des Betriebsdrucks aufnehmen kann. Die Stabilität der Flanke der Aufschüttung 34 wird unterstützt durch die Neigung der Seitenwand 32, die unter Betriebsdruck über die nach unten gerichtete Kraftkompo- nente (s. Figur 2, nach unten gerichtete Kraftkomponente 42) die Aufschüttung 34 noch stabilisierend verdichtet.
Figur 3b zeigt einen teilweise im Untergrund versenkten Behälter 35, wobei der Untergrund genügend aktiven Druck erzeugt, um die Seitenwand 36 zu stützen. Die Aufschüttung 37 aus stützendem Schüttgut wird ihrerseits aussen durch eine äussere Endwand 38 gestützt. Dadurch ergibt sich eine Durchmesserreduktion der Anordnung, da die in Figur 3a dargestellte Flanke des stützenden Schüttguts entfällt. Die äussere Endwand wird aufgrund der inneren Reibung im stützenden Schüttgut 37 durch den auf die Seitenwand 36 wirkenden Betriebsdruck ver- gleichsweise wenig belastet, und kann durch den Fachmann leicht in konventioneller Art ausgeführt werden. Bevorzugt wird der Aushub für die Grube, in welcher der Behälter 35 liegt, für die Aufschüttung 37 verwendet.
Figur 3c zeigt einen auf dem Untergrund (oder auch über dem Untergrund, bei- spielsweise auf einem Gerüst) stehenden Behälter 40, wobei das Stützende Schüttgut 42 um die Seitenwand 41 herum angehäuft ist, so dass dessen Seitenwand 41 durch eine Aufschüttung 42 aus stützendem Schüttgut gestützt ist, wobei eine äussere Endwand 43 die Aufschüttung 42 umgibt und begrenzt. Die Anordnungen der Figuren 3a bis 3c, oder Mischformen davon, können durch den Fachmann bevorzugt nach den vor Ort herrschenden Verhältnissen ausgewählt werden.
Figur 4 zeigt eine aus Betonelementen 50 bestehende Seitenwand 51 eines er- findungsgemässen Wärmespeichers (s. Figur 2). Alle Betonelemente 50 besitzen gleiche Form, können also in Serie hergestellt werden. Über die Länge sind die Betonelemente 50 leicht konisch ausgebildet, so dass sich der vom Fachmann im konkreten Fall bestimmte Neigungswinkel der Seitenwand 51 ausbildet, wenn die Betonelemente 50 zu dieser zusammengefügt werden. Hier sei angefügt, dass die Seitenwand auch aus einem anderen nicht-metallischen Material gefertigt werden kann. Der Begriff "nicht-metallisch" oder "Beton" schliesst jedoch nicht aus, dass der Fachmann aufgrund der vorgesehenen Beanspruchung der Seiten- wand bzw. der die Seitenwand bildenden Elemente metallische Verstärkungen vorsehen kann. Zwar ist erfindungsgemäss die Seitenwand im Grundsatz nur auf Druck beansprucht. Aufgrund der konstruktiven Gegebenheiten im realen ausgeführten Wärmespeicher gemäss der vorliegenden Erfindung ist eine gewisse weitere Beanspruchung nicht auszuschliessen, die vom Fachmann neben der Nut- zung der erfindungsgemässen Vorteile durchaus gewollt sein kann.
Die Längsränder 52,53 der Betonelemente 50 weisen eine Stufe 54 auf, so dass eine breitere Oberfläche 55 und eine schmalere Oberfläche 56 entsteht. Die Betonelemente 50 werden nun neben einander positioniert, wobei abwechselnd die breitere Oberfläche 55 und dann die schmalere Oberfläche 56 gegen aussen gerichtet ist, mit der Folge, dass sich die gestuften Längsränder 52,53 auf einander abstützen, so dass die Seitenwand 51 geschlossen ist.
Der Fachmann kann auch eine andere Geometrie der Ränder 52,53 vorsehen, so dass die Betonelemente 50 geeignet ineinander greifen. Durch dieses in einander greifen ergibt sich eine gegenseitig definierte Lage der jeweils angrenzenden Betonelemente. Zugleich wird durch die Stufenform eine leichte Relativbewegung der angrenzenden Elemente 50 in verbautem Zustand nach wie vor möglich sein, indem die Flanken der Stufen etwas auf einander gleiten, so dass verbleibende, geringste Verschiebungen der Elemente aufgrund des Betriebs des Wärmespeichers möglich sind.
Im Einzelnen ist ein Betonelement 50 als langgestreckte, flache Platte ausgebildet, deren beide gerade verlaufende Längsränder 52,53 als Stufe 54 ausgebildet sind, die mit der Stufe 54 eines benachbarten Betonelements 50 zum Eingriff gebracht werden kann. Die Breite eines Betonelements 50 am unteren Ende 62 ist kleiner als die Breite am oberen Ende 63. Zudem sind die untere Breite 62, die obere Breite 63 sowie das Verhältnis der Breiten 62,63 derart ausgebildet, dass eine Anzahl von Betonelementen 50 mit im Eingriff stehenden Längsrändern zu einem geschlossenen Mantel eines Kegelstumpfs zusammengefügt werden kann, wie dies in der Figur dargestellt ist. Bevorzugt kann der Körper eines Betonelements 50 in Richtung seiner Breite (dies aber über seine ganze Länge) gekrümmt sein, wobei der Krümmungsradius vom breiteren Ende her gegen das schmalere Ende kleiner wird und derart ausgebildet ist, dass er dem Krümmungsradius des Kegelstumpfs im Wesentlichen entspricht.
In der Figur sind noch die gestrichelt dargestellten Stützen 57 vorgesehen, welche erlauben, die Betonelemente 50 während dem Bau des Wärmespeichers in der vorbereiteten Grube gegeneinander anzuordnen und auszurichten, so dass dann die Grube mit dem stützenden Schüttgut gefüllt werden kann. Im Betrieb des erfindungsgemässen Wärmespeichers ist die Stützwirkung dieser Stützen 57 jedoch von untergeordneter Bedeutung.
Weiter ersichtlich ist ein Boden 65 des Behälters 51. Die Wärmeleitfähigkeit von Beton ist massiv kleiner als diejenige von Stahl, was die zeitlich längere Speicherung von Wärme hoher Temperatur ohne grösseren zusätzlichen Isolationsaufwand ermöglicht. Um eine kühlende Konvektion von Luft zu unterbinden, wird eine Seitenwand gemäss der Ausführungsform von Figur 4 bevorzugt aussen mit einer Dichtfolie umschlossen, die ihrerseits dann am stützenden Schüttgut aufliegt. Zwischen der Seitenwand 51 und dem stützenden Schüttgut ist auch eine spezielle Isolationsschicht erfindungsgemäss, die jedoch druckbelastbar sein muss, da sie zwischen der Seitenwand 51 und dem stützenden Schüttgut (das zur Entlastung der Figur nicht eingezeichnet ist) liegt. Solche Behälter können beispielsweise einen Durchmesser von 5 m bis 25 m und eine Höhe von 4 m bis 9,5 m aufweisen. Figur 5a zeigt eine weitere, erfindungsgemässe Konfiguration für einen erfin- dungsgemässen Wärmespeicher. Die Seitenwand 70 ist als ganzes in verschiedene Segmente 71, 72 aufgeteilt. Dabei ist nur das Segment 71 gegenüber der Horizontalen geneigt, und das Segment 72 vertikal angeordnet, was aber genügt, um den Betriebsdruck des darin vorhandenen (und zur Entlastung der Figur weggelassenen) Wärme speichernden Schüttguts derart zu reduzieren, dass die Seitenwand aus nicht-metallischen Materialien, wie die oben beschriebenen Betonelemente 50, ausgebildet werden kann. Der Fachmann wird eine solche Konfiguration beispielsweise dann wählen, wenn auf der einen Seite der für den Wärme- Speicher vorgesehenen Grube der zur Verfügung stehende Raum knapp ist. Hier sei angemerkt, dass beispielsweise am Ort des vertikalen Segments 72 felsiger Untergrund vorliegen könnte, so dass der Fachmann nur das geneigte Segment 72 durch ein stützendes Schüttgut stützen müsste, während das vertikale Segment 71 direkt durch den Fels abgestützt würde. Solche Mischformen liegen zwar im Bereich der vorliegenden Erfindung, sind aber selten, und in der Regel durch spezielle Bodenformationen motiviert. In der Regel wird die gesamte Seitenwand 70 rund, als Kegelstumpf ausgebildet und rundum durch stützendes Schüttgut umgeben sein. Figur 5b zeigt eine zusätzliche, erfindungsgemässe Konfiguration für einen Erfin- dungsgemässen Wärmespeicher. Die Seitenwand 80 ist als ganzes in verschiedene Segmente 81 bis 84 aufgeteilt. Eines der Segmente 81 ist dabei vertikal ausgerichtet, die anderen Segmente 82 bis 84 sind gegenüber der Horizontalen er- findungsgemäss geneigt, was genügt, um den Betriebsdruck des darin vorhande- nen (und zur Entlastung der Figur weggelassenen) Wärme speichernden Schüttguts derart zu reduzieren, dass die Seitenwand aus nicht-metallischen Materialien, wie die oben beschriebenen Betonelemente 50, ausgebildet werden kann. Zusätzlich ist das Segment 84 eben ausgebildet. Solche geometrischen Mischformen wird der Fachmann nach den Verhältnissen vor Ort bestimmen, die Neigung und den Flächenanteil der geneigten Segmente jedoch derart vorsehen, dass der erfindungsgemässe Effekt der geneigten Seitenwand wirksam ist. Figur 6 zeigt ein Beispiel einer Temperaturverteilung im Wärme speichernden Schüttgut eines Wärmespeichers beim Betrieb gemäss der vorliegenden Erfindung. Dargestellt ist ein Diagramm, dessen Kurve 90 gemäss einer Modellrechnung die Temperaturverteilung in °C im Wärme speichernden Schüttgut eines Wärmespeichers gemäss Figur 1 darstellt. Die getroffenen Annahmen sind dabei: Höhe des Schüttgutes 3m, wobei im Diagramm die Höhe an dessen Oberseite mit 0m und am Boden des Wärmespeichers mit 3m angegeben ist. Die Durchströmung mit Wärme zuführendem Gas erfolgt von oben nach unten mit 0,1 kg/s und einer Eintrittstemperatur von 550°C. Das Diagramm zeigt die Temperaturverteilung im Schüttgut nach 20 h.
Es zeigt sich eine Temperaturschichtung mit einer die höchste Temperatur auf- weisenden obersten Schicht oder Zone A des Schüttguts (Abschnitt 91 der Kurve 90), und einer die tiefste Temperatur aufweisende untersten Schicht C (Abschnitt 92 der Kurve 90). Dabei erreicht und übersteigt hier die höchste Temperatur 500°C, während die tiefste Temperatur unter 100°C liegt. Eine mittlere Schicht oder Zone B des Schüttguts (Abschnitt 93 der Kurve 90) zeigt einen etwa gleichmässigen Temperaturabfall über ihre Höhe.
Bei länger oder kürzer dauernden Wärmezufuhr in den Speicher verschiebt sich die Kurve 90 nach rechts bzw. nach links, wobei deren Flanke, d.h. deren Ab- schnitt 93, im Wesentlichen unverändert bleibt. Die Höhe der Schicht oder Zone B bleibt also im Wesentlichen dieselbe.
Entsprechend kann sich die Zone A über eine Höhe von wenigen cm zu Beginn der Wärmespeicherung bis hin zu ca. 2m erstrecken, wobei dann die Temperatur des Schüttguts am Boden in der nach wie vor vorhandenen, aber nun nur noch knapp 0,5m dicken Schicht C bei ca. 50°C verbleibt. Das bedeutet, dass die erfindungsgemässe Abstützung der Seitenwand sich bevorzugt über die ganze Höhe des Wärmespeichers erstreckt, auch dann, wenn in der Schicht C die Temperatur des Schüttguts unter 100°C gehalten wird. Dies gilt ebenso für die erfindungsgemässe, zur Abstützung synergetischen Neigung der Seitenwand.
Bei einem Betriebsverfahren gemäss der vorliegenden Erfindung wird dem Wärmespeicher nur soviel Wärme zugeführt, dass stets eine untere Schicht C mit einer Temperatur unter 100°C vorhanden ist (was nicht zwingend ist, da auch Aus- führungsformen mit einer Austrittstemperatur des Fluids von über 100°C erfin- dungsgemäss sind), so dass die Austrittstemperatur des die Wärme dem Speicher zuführenden Fluids ebenfalls bei 100°C (die Temperatur des Fluids wird stets etwas höher sein als das von ihm aufgeheizte Schüttgut) oder bevorzugt darunter bei ca. 50°C liegt. In diesem Betriebsmodus gibt dann das Fluid eine maximale Wärmemenge an den Speicher ab, was für den Wirkungsgrad der Wärmespeicherung im Kraftwerk vorteilhaft ist.
Die erfindungsgemässen Vorteile werden realisiert, sobald die Eintrittstemperatur des Fluids 100°C übersteigt, also die Wärmespeicherung über eine Trockenfüllung bei für deren Wärmexpansion relevanten Temperaturen stattfindet. Je nach Auslegung des Kraftwerks vor Ort bzw. der vorhandenen Anlagen, in die ein erfin- dungsgemässer Wärmespeicher integriert wird, kann die Eintrittstemperatur 200°C, 300°C, 400°C oder 500°C betragen oder übersteigen. Entsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemässes Betriebsverfahren für einen Wärmespeicher mit einer Wärme speichernden Trockenfüllung von Schüttgut, die von einer sie umschliessenden Seitenwand (5) umgeben ist, dadurch aus, dass
■ das Schüttgut (4) eine während der Wärmespeicherung 100°C überstei- gende Temperatur aufweist und die Seitenwand (5,21, 32,36,41,51,70,80) zur Aufnahme des Betriebsdrucks des Wärme speichernden Schüttguts (4) ihrerseits gegen aussen an einem stützenden Schüttgut (14,23,33, 37,42) abgestützt ist, ■ wobei das Schüttgut (4) zur Speicherung von Wärme von oben nach unten von einem heissen Fluid durchströmt wird, und wobei dessen Eintrittstemperatur über 100°C liegt, derart,
■ dass sich das Schüttgut (4) in einer oberen Zone des Wärmespeichers auf im Wesentlichen die Eintrittstemperatur erhitzt, in einer mittleren Zone zwischen der im wesentlichen Eintrittstemperatur und 100°C und in einer unteren Zone unter 100°C liegt, und dass die weitere Zufuhr von Wärme derart bemessen wird, dass die Temperatur in der unteren Zone während der Speicherdauer stets unter 100°C liegt.
Im Ganzen wird durch die vorliegende Erfindung ein Wärmespeicher bereitgestellt, der für kleine Systeme und für die Speicherung grosser Wärmemengen, wie sie in grossen Solarkraftanlagen erzeugt werden, geeignet ist. Für grosse Wärmemengen kann ein einziger grosser oder mehrere geeignet zusammenge- schaltete kleinere Wärmespeicher vorgesehen werden, da der erfindungsgemäs- se Wärmespeicher, insbesondere in einer Ausführung mit einer aus Betonelementen hergestellten Seitenwand, kostengünstig und vor Ort in Serie produziert werden kann. Durch die Isolationswirkung des stützenden Schüttguts und einer aus Beton bestehenden Seitenwand (natürlich kann der Fachmann auch den Bo- den und den Deckel des Behälters aus einem Material wie Beton vorsehen) sind ist eine langfristige Speicherzeit möglich, auch von Wärme mit hoher Temperatur, die bei 500 Grad C oder höher liegt, z.B. bei 650 Grad C.

Claims

Patentansprüche
Wärmespeicher mit einem Behälter für Wärme speicherndes Material, der eine dieses umschliessende Seitenwand (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärme speichernde Material aus einer Trockenfüllung von Schüttgut besteht, mit einer während der Wärmespeicherung 100°C übersteigenden Temperatur, und dass die Seitenwand (5,21,32, 36,41,51,70,80) zur Aufnahme des Betriebsdrucks des Wärme speichernden Schüttguts (4) ihrerseits gegen aussen an einem stützenden Schüttgut (14,23,33,37,42) abgestützt ist.
2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, wobei das stützende Schüttgut (14,23,33,37,42) gegenüber dem lockeren Füllzustand verdichtet ist.
Wärmespeicher nach Anspruch 1, wobei mindestens Segmente der Seitenwand (21,32,36,41,51,70,80) in einem Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen geneigt ist, derart, dass sich der Behälter (22,30,35,40) gegen oben erweitert
Wärmespeicher nach Anspruch 3, wobei der Neigungswinkel zwischen 50 bis 85 Grad, vorzugsweise zwischen 60 bis 80 Grad, besonders bevorzugt 70 Grad beträgt.
Wärmespeicher nach Anspruch 3, wobei das Wärme speichernde Schüttgut (4) im Betrieb einen passiven Druck aufweist, der höher ist als die Betriebsdruckfestigkeit der Seitenwand (21,32,36,41,51,70, 80) und wobei deren Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen einen Wert derart aufweist, dass der Betriebsdruck des Wärme speichernden Schüttguts (4) kleiner ist als die Betriebsdruckfestigkeit der Seitenwand (21,32,36, 41,51,70,80).
Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei dieser im Untergrund (24) versenkt ist und das Material des Untergrunds (23) wenigstens teilweise das stützende Schüttgut (4) bildet oder dass ein Schüttgut verwendet wird, das vom Material des Untergrunds verschieden ist.
7. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei dieser teilweise im Untergrund versenkt ist und der Untergrund selbst wenigstens teilweise das stützende Schüttgut (33) für den versenkt angeordneten Bereich der Seitenwand (32) bildet, und wobei der den Untergrund überragende Bereich der Seitenwand durch ein aufgeschüttetes stützendes Schüttgut (31) abgestützt ist.
8. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei dieser auf oder über dem Untergrund angeordnet ist und das stützende Schüttgut (42) um die Seitenwand (43) herum angehäuft ist.
9. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das stützende Schüttgut (42) durch eine äussere Endwand (43) umgeben ist.
10. Wärmespeicher nach Anspruch 1, wobei die Seitenwand (51) aus einem aus einem nicht-metallischen Material besteht und vorzugsweise metal- lische Verstärkungselemente aufweist .
11. Wärmespeicher nach Anspruch 10, wobei die Seitenwand (51) aus vorzugsweise vorgefertigten Segmenten (50) besteht, die randseitig ineinandergreifen.
12. Wärmespeicher nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Seitenwand (51) aus Beton besteht.
13. Wärmespeicher nach Anspruch 12, wobei die Seitenwand (51) aus verdich- tetem Leichtbeton oder Luftbeton besteht.
14. Betonsegment für die Seitenwand eines Wärmespeichers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es als langgestreckte, flache Platte (50) ausgebildet ist, deren beide gerade verlaufende Längsränder (53,54) als Stufe ausgebildet sind, die mit der Stufe eines benachbarten Betonsegments (50) zum Eingriff gebracht werden kann, wobei die Breite des Betonsegments am unteren Ende (62) kleiner ist als am oberen Ende (63) und die untere Breite (62), die obere Breite (63) sowie das Verhältnis der Breiten (62,63) derart vorbestimmt ist, dass eine Anzahl der Betonsegmente (50) mit im Eingriff stehenden Längsrändern (53,54) zu einem geschlossenen Mantel eines Kegelstumpfs zusammengefügt werden können.
15. Betonsegment nach Anspruch 14, wobei dessen Körper über seine Länge in Richtung der Breite gekrümmt ist, wobei der Krümmungsradius vom breiteren Ende (63) her gegen das schmalere Ende (62) kleiner wird und derart ausgebildet ist, dass er dem Krümmungsradius des Kegelstumpfs im Wesentlichen entspricht.
16. Betonsegment nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Neigungswinkel des Mantels des Kegelstumpfs gegenüber der Horizontalen zwischen 50 bis 85 Grad, vorzugsweise zwischen 60 bis 80 Grad, besonders bevorzugt 70 Grad beträgt.
17. Betonsegment nach Anspruch 14, wobei die Seitenwand (51) aus Beton, vorzugsweise Leichtbeton oder Luftbeton besteht.
18. Betonsegment nach Anspruch 17, wobei der Beton verdichtet ist.
19. Wärmespeicher mit einem Behälter für Wärme speicherndes Material der eine dieses umschliessende Seitenwand (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärme speichernde Material aus einer Trockenfüllung von Schüttgut besteht, mit einer während der Wärmespeicherung 100°C übersteigenden Temperatur, und dass mindestens Segmente der Seitenwand (21, 32, 36, 41,51,70,80) in einem Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen geneigt sind, derart, dass sich der Behälter (22,30,35,40) gegen oben erweitert.
20. Wärmespeicher nach Anspruch 1, wobei der Neigungswinkel zwischen 50 bis 85 Grad, vorzugsweise zwischen 60 bis 80 Grad, besonders bevorzugt 70 Grad beträgt.
21. Wärmespeicher nach Anspruch 19, wobei das Wärme speichernde Schüttgut (4) im Betrieb einen passiven Druck aufweist, der höher ist als die Betriebsdruckfestigkeit der Seitenwand (21,32,36,41,51,70, 80) und wobei deren Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen einen Wert derart aufweist, dass der Betriebsdruck des Wärme speichernden Schüttguts (4) kleiner ist als die Betriebsdruckfestigkeit der Seitenwand (21,32,36,41,51,70,80).
22. Wärmespeicher nach Anspruch 19, wobei die Seitenwand (51) aus einem aus einem nicht-metallischen Material besteht und vorzugsweise metallische Verstärkungselemente aufweist .
23. Wärmespeicher nach Anspruch 8, wobei die Seitenwand (51) aus vorzugsweise vorgefertigten Segmenten (50) besteht, die randseitig ineinandergreifen, wobei die Segmente (50) besonders bevorzugt aus Beton bestehen.
24. Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder 22, wobei eine Temperatur des Wärme speichernden Schüttguts (4) mindestens 100°C, bevorzugt mindestens 200°C, besonders bevorzugt mindestens 400°C, noch weiter bevorzugt 500°C erreicht oder übersteigt.25. Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder 22, wobei die Temperaturverteilung im Wärme speichernden Schüttgut (4) während der Speicherung der Wärme geschichtet ist, wobei eine oberste Schicht des Schüttguts (4) die höchste Temperatur und eine unterste Schicht des Schüttguts (4) die tiefste Temperatur aufweist.
Wärmespeicher nach Anspruch 25, wobei die höchste Temperatur 500°C erreicht oder übersteigt und die tiefste Temperatur unter 100°C liegt. Verfahren zum Betrieb eines Wärmespeichers nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Wärme speichernden Trockenfüllung von Schüttgut, die von einer sie umschliessenden Seitenwand (5) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut (4) eine während der Wär- mespeicherung 100°C übersteigende Temperatur aufweist und die Seitenwand (5,21,32,36,41,51,70,80) zur Aufnahme des Betriebsdrucks des Wärme speichernden Schüttguts (4) ihrerseits gegen aussen an einem stützenden Schüttgut (14,23,33,37,42) abgestützt ist, wobei das Schüttgut (4) zur Speicherung von Wärme von oben nach unten von einem heis- sen Fluid durchströmt wird, dessen Eintrittstemperatur über 100°C liegt, derart, dass sich das Schüttgut (4) in einer oberen Zone des Wärmespeichers auf im Wesentlichen die Eintrittstemperatur erhitzt, in einer mittleren Zone zwischen der im wesentlichen Eintrittstemperatur und 100°C und in einer unteren Zone unter 100°C liegt, und dass die weitere Zufuhr von Wärme derart bemessen wird, dass die Temperatur in der unteren Zone während der Speicherdauer stets unter 100°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Temperatur in der oberen Zone mindestens 200°C, besonders bevorzugt mindestens 400°C, noch weiter bevorzugt 500°C erreicht oder übersteigt.
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