WO2013156292A1

WO2013156292A1 - Anlage zur speicherung und abgabe thermischer energie und verfahren zu deren betrieb

Info

Publication number: WO2013156292A1
Application number: PCT/EP2013/056735
Authority: WO
Inventors: Ursus KRÜGER; Daniel Reznik; Henrik Stiesdal
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2013-10-24
Also published as: EP2825735A1; CN104302875A; US20150059342A1; DE102012206296A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie sowie ein Verfahren zu deren Betrieb. Die Anlage arbeitet nach dem Brayton-Prozess, bei dem über ein Verdichter (13) ein Wärmespeicher (14) und über Turbinen (15) ein Kältespeicher (16) aufgeladen wird. Zum Entladen wird dieser Prozess umgekehrt. Erfindungsgemäß ist zusätzlich vorgesehen, dass der Kältespeicher einen Kühlkreislauf (31) versorgt, der über ein Kühlaggregat (33) die Kühlung für einen supraleitenden Generator (36) zur Verfügung stellt. Hierdurch kann vorteilhaft insbesondere bei Windkraftanlagen (22) ein günstiges Generatorgewicht erreicht werden, da diese hinsichtlich ihres Gewichtes wegen der Unterbringung in der Gondel des Windkraftwerkes (22) begrenzt sind. Hierdurch lassen sich vorteilhaft höhere Leistungen im Windkraftwerk (22) umsetzen.

Description

Beschreibung

Anlage zur Speicherung und Abgabe thermischer Energie und Verfahren zu deren Betrieb

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Speicherung thermischer Energie, die einen Kreislauf für ein Arbeitsgas aufweist. Dabei werden in dem Kreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch eine Leitung für das Ar- beitsgas miteinander verbunden: eine erste thermische Fluidenergie-Maschine, ein Wärmespeicher, eine zweite thermische Fluidenergie-Maschine und ein Kältespeicher.

In Durchflussrichtung des Arbeitsgases vom Wärmespeicher zum Kältespeicher gesehen ist die erste thermische Fluidenergie- Maschine als Arbeitsmaschine und die zweite thermische Fluidenergie-Maschine als Kraftmaschine geschaltet.

Weiterhin betrifft die Erfindung zwei Verfahren zum Betrieb dieser Anlage. Bei einem Verfahren zum Speicherung von ther- mischer Energie wird der Kreislauf in Richtung vom Wärmespeicher zum Kältespeicher durchlaufen, was der oben angegebenen Reihenfolge der Baueinheiten entspricht. Gemäß einem weiteren Verfahren, auf das sich die Erfindung ebenfalls bezieht, kann gespeicherte thermische Energie aus der Anlage auch umgewan- delt werden, z. B. in mechanische Energie. Hierbei werden die Einheiten in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen, mit anderen Worten wird die Durchflussrichtung des Arbeitsgases umgekehrt. Dieses passiert dann zuerst den Kältespeicher und dann den Wärmespeicher, wobei in diesem Fall die erste thermische Fluidenergie-Maschine als Kraftmaschine und die thermische Fluidenergie-Maschine als Arbeitsmaschine betrieben wird.

Die Begriffe Kraftmaschine und Arbeitsmaschine werden im Rahmen dieser Anmeldung so verwendet, dass eine Arbeitsmaschine mechanische Arbeit aufnimmt, um ihren Zweck zu erfüllen. Eine thermische Fluidenergie-Maschine, die als Arbeitsmaschine verwendet wird, wird somit als Verdichter oder als Kompressor verwendet. Demgegenüber verrichtet eine Kraftmaschine Arbeit, wobei eine thermische Fluidenergie-Maschine zur Verrichtung der Arbeit die im Arbeitsgas zur Verfügung stehende thermische Energie umwandelt. In diesem Fall wird die thermische Fluidenergie-Maschine also als Motor betrieben.

Der Begriff „thermische Fluidenergie-Maschine" bildet einen Oberbegriff von Maschinen, die einem Arbeitsfluid, im Zusammenhang mit dieser Anmeldung ein Arbeitsgas, thermische Energie entziehen oder diesem thermische Energie zuführen können. Unter thermischer Energie ist sowohl Wärmeenergie als auch

Kälteenergie zu verstehen. Thermische Fluidenergie-Maschinen können beispielsweise als Kolbenmaschinen ausgeführt sein. Bevorzugt können auch hydrodynamische thermische Fluidenergie-Maschinen verwendet werden, deren Laufräder einen konti- nuierlichen Fluss des Arbeitsgases erlauben. Vorzugsweise kommen axial wirkende Turbinen bzw. Verdichter zum Einsatz.

Das eingangs angegebene Prinzip ist beispielsweise gemäß der US 2010/0257862 AI beschrieben. Hier kommen Kolbenmaschinen zum Einsatz, um das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Gemäß der US 5,436,508 ist es überdies bekannt, dass mittels der eingangs angegebenen Anlagen zur Speicherung thermischer Energie auch Überkapazitäten bei der Nutzung von Windenergie zur Herstellung elektrischen Stroms zwischenge- speichert werden können, um diese im Bedarfsfall wieder abzurufen .

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anlage zur Speicherung von thermischer Energie der eingangs angegebenen Art bzw. Verfahren zur Wandlung von thermischer Energie (beispielsweise Wandlung von mechanischer in thermischer Energie mit anschließender Speicherung oder Wandlung der gespeicherten thermischen Energie in mechanische Energie) anzugeben, mit der bzw. mit dem eine möglichst effiziente Nutzung der gespeicherten thermischen Energie möglich ist.

Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Anlage erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kältespeicher in einen von dem genannten Kreislauf verschiedenen Kühlkreislauf für ein Kühlmedium geschaltet werden kann, indem folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch eine Leitung für ein Kühlmedium miteinander verbunden sind: der Kältespeicher, ein Kühlaggregat und ein zu kühlender Kälteabnehmer. Das Kühlmedium ist normalerweise von dem Arbeitsgas verschieden, was erklärt, dass der Kühlkreislauf von dem Kreislauf verschieden ist. Um eine Reinigung bei einem Wechsel des Betriebszustandes zu vermeiden, ist es besonders vorteilhaft, wenn auch in dem Kältespeicher die zum Wärmeübergang genutzten Kanäle zwei Kanalsysteme ergeben und insoweit jedes der Kanalsysteme an einen der Kreisläufe angeschlossen werden kann. Der Kühl- kreislauf nutzt somit das eine Kanalsystem, während der Ladekreislauf das andere Kanalsystem nutzt. Der Ladekreislauf kann sich allerdings das Kanalsystem in dem Kältespeicher und evtl. auch weitere Teile der mit dieser verbundenen Leitung mit einem Endladekreislauf teilen (hierzu im Folgenden noch mehr) . Während der Ladekreislauf für die Speicherung der thermischen Energie verantwortlich ist, kann über den Entla- dekreislauf die thermische Energie wieder an das Arbeitsgas abgegeben werden.

Das Kühlaggregat ist notwendig, um für den zu kühlenden Kälteabnehmer das erforderliche Temperaturniveau einstellen zu können. Denn die Speichertemperatur des Kältespeichers ist höher, als das benötigte Temperaturniveau. Allerdings kann durch den Kältespeicher eine Vorkühlung des Kühlmediums erfolgen, so dass in dem Kühlaggregat ein geringerer Temperaturunterschied überwunden werden muss. Dies verringert vor- teilhaft auch den Energiebedarf für das Kühlaggregat. Genutzt werden kann Prozesskälte, die bei der Anlage zur Speicherung von thermischer Energie ohnehin anfällt. Diese steht zwar bei einer Entladung zwecks Abgabe thermischer Energie nicht mehr zur Verfügung, dafür muss diese zum Betrieb des zu kühlenden Kälteabnehmers jedoch nicht gesondert erzeugt werden. Die gesamte Energiebilanz der Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie und des Kälteabnehmers wird dadurch vorteilhaft verbessert. Der Ladekreislauf (und Entladekreislauf) können als offener oder geschlossener Kreislauf betrieben werden (hierzu im Folgenden noch mehr) . Bei einem offenen Kreislauf bildet Luft das Arbeitsgas, welches der Atmosphäre entnommen und anschließend dieser wieder zugeführt werden kann. Als Kühlaggregat kann jegliche Form von Aggregat zum Einsatz kommen. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Thermosiphons, welcher vorteilhaft vergleichsweise geringe Temperaturniveaus erreicht.

Der Kälteabnehmer ist gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung mit einer supraleitenden Komponente ausgestattet. Als Kühlmedium kann hier insbesondere für den Fall, dass Hochtemperatursupraleiter Verwendung finden, beispielsweise

Bi2223 oder YBCO, als Kühlmedium Stickstoff verwendet werden. Dieser muss auf ein Temperaturniveau von ca. 50 bis 60 K gebracht werden. Eine Vorkühlung über den Kältespeicher auf ca. 180 K vereinfacht den Kühlvorgang und verringert die Leis- tungsaufnähme am Kälteaggregat.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine ein Generator ist, der insbesondere in einer Windkraftanlage eingebaut sein kann. Diese Verwendung bietet besondere Vorteile, da elektrische Maschinen mit supraleitenden Komponenten (insbesondere der Wicklung eines elektrisch erregten Rotors in einem Synchrongenerator) mit einer geringeren Masse ausgeführt sein können. Die Masse des Generators bildet jedoch den limitierenden Fak- tor bei der Auslegung von Windkraftanlagen, da die in einer großen Höhe in der Gondel des Windkraftwerks montiert werden müssen. Bei konventionellen Generatoren erhöht sich die Masse der verwendeten Generatoren allerdings schneller als die Leistung, wobei in diesem Verhältnis etwa eine Potenz 1,6 liegt. Daher gilt derzeit die wirtschaftliche Grenze für eine Steigerung der Generatorleistung in Windkraftanlagen bei ca. 6 MW. Andererseits erfordert der Bau von Starkwind- Windkraftanlagen die Installation einer größeren Generator- leistung in der Gondel. Dies kann erfindungsgemäß durch Verwendung von Generatoren mit supraleitenden Komponenten erreicht werden. Ist die Windkraftanlage mit der erfindungsgemäßen Anlage zur Speicherung und Abgabe thermischer Energie gekoppelt, so hat dies den Vorteil, dass der Kältespeicher sinnvoll genutzt werden kann, um die Verluste, die aufgrund der notwendigen Kühlung der supraleitenden Generatorwicklungen erforderlich werden, gering zu halten. Gleichzeitig kann diese Anlage zur Speicherung von thermischer Energie auch verwendet werden, um in an sich bekannter Weise Überkapazitäten im elektrischen Netz zwischenzuspeichern und bei Verbrauchsspitzen an elektrischer Energie unter Abgabe der thermischen Energie wieder in elektrischen Strom umzuwandeln. Es handelt sich also um die Nutzung eines Synergieeffektes, der insgesamt die Effizienz beim Betrieb der Anlage insbesondere mit Windkraftanlagen erhöht. Allerdings kann die Anlage beispielsweise auch mit Pumpspeicherkraftwerken oder auch mit konventionellen Kraftwerken, wie z. B. Gasturbinenwerken betrieben werden.

Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass die elektrische Maschine ein Motor ist, der mit der ersten thermischen Fluidenergie-Maschine mechanisch gekoppelt ist. Diese Fluide- nergie-Maschine muss nämlich während des Ladevorgangs des Kältespeichers und des Wärmespeichers (evtl. auch eines zusätzlichen Niedertemperatur-Wärmespeichers) angetrieben werden, um den thermodynamischen Ladeprozess in Gang zu bringen. Besonders vorteilhaft ist es, auch diesen Motor als elektrische Maschine mit supraleitender Wicklung auszuführen, wenn die Infrastruktur zur Kühlung dieser Maschine wegen Verwendung eines supraleitenden Generators, beispielsweise im Windkraftwerk, zur Verfügung steht. Hiermit ist eine weitere Effizienzsteigerung für die Anlage möglich. Genauso effizienzsteigernd wirkt es sich vorteilhaft aus, wenn als elektrische Maschine ein weiterer Generator mit supraleitenden Komponenten (z. B. der Wicklung) zum Einsatz kommt. Dieser ist dann mit der ersten Fluidenergie-Maschine gekoppelt und kommt zum Einsatz, wenn in Zeiten von erhöhtem Energiebedarf der Wärmespeicher und der Kältespeicher entladen werden sollen. Es ist alternativ auch möglich, dass der Generator mit einer dritten thermischen Fluidenergie-Maschine verbunden ist, wobei die dritte Fluidenergie-Maschine mit der ersten thermischen Fluidenergie-Maschine sowie mit der zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine eine vierte thermische Fluidenergie-Maschine im Lade- und Entladekreislauf parallelgeschaltet ist. Dabei ist jeweils ein Ventilmechanismus zwi- sehen der ersten und der dritten und/oder der zweiten und der vierten thermischen Fluidenergie-Maschine vorgesehen. Durch Schalten des Ventilmechanismus kann nun vorteilhaft je nach Durchflussrichtung des Arbeitsgases jeweils die eine oder die andere Fluidenergie-Maschine ausgewählt werden. Dies hat den Vorteil, dass die jeweilige zur Anwendung kommende Fluidenergie-Maschine auf den zu schaltenden Betriebszustand optimiert werden kann. Da bei Verwendung von lediglich zwei Fluidener- gie-Maschinen beide in Abhängigkeit der Durchflussrichtung sowohl als Arbeitsmaschine als auch als Kraftmaschine verwen- det werden müssen, kann ohne das Vorsehen von zusätzlichen Fluidenergie-Maschinen nur ein konstruktiver Kompromiss gewählt werden. Da jedoch sowohl im thermischen Ladebetrieb wie auch im thermischen Entladebetrieb ein möglichst hoher Wirkungsgrad angestrebt wird, erlaubt die Parallelschaltung von Fluidenergie-Maschinen, sowohl das Verfahren zur Speicherung der thermischen Energie als auch das Verfahren zur Umwandlung der thermischen Energie bei optimalem Wirkungsgrad vorzunehmen. An Stelle der Verwendung von Ventilen können auch separate Leitungen für den Ladekreislauf und den Entladekreislauf vorgesehen werden. Die Konfiguration hat den Vorteil, dass die jeweils zum Einsatz kommenden Fluidenergie-Maschinen während des Ladeprozesses und des Entladeprozesses auf den jeweiligen Betriebszustand optimiert werden können. Hierdurch wird eine Steigerung der Effizienz des Systems erreicht. Die- ser wird allerdings mit höheren Anschaffungskosten der Anlage erkauft. Hier muss eine wirtschaftliche Abwägung erfolgen. Das Arbeitsgas kann wahlweise in einem geschlossenen oder einem offenen Kreislauf geführt werden (Dies gilt sowohl für den Ladekreislauf als auch für den Entladekreislauf, nicht aber für den Kühlkreislauf) . Ein offener Kreislauf verwendet als Arbeitsgas immer die Umgebungsluft . Diese wird aus der Umgebung angesaugt und am Ende des Prozesses auch wieder in diese entlassen, so dass die Umgebung den offenen Kreislauf schließt. Ein geschlossener Kreislauf erlaubt auch die Verwendung eines anderen Arbeitsgases als Umgebungsluft . Dieses Arbeitsgas wird in dem geschlossenen Kreislauf geführt. Da eine Entspannung in die Umgebung bei gleichzeitiger Einstellung des Umgebungsdruckes und der Umgebungstemperatur entfällt, muss das Arbeitsgas im Falle eines geschlossenen Kreislaufes durch einen Wärmetauscher geführt werden, der ei- ne Abgabe bzw. Aufnahme von Wärme des Arbeitsgases an die Umgebung erlaubt .

Zusätzlich kann vorgesehen werden, dass vor der ersten Flui- denergie-Maschine zusätzlich ein Niedertemperatur- Wärmespeicher in dem Kreislauf vorgesehen ist. Dieser Wärmespeicher wird als Niedertemperatur-Wärmespeicher bezeichnet, weil das durch die Speicherung der Wärme erreichte Temperaturniveau prinzipbedingt unter dem Temperaturniveau des Wärmespeichers liegt. Wärme ist durch den Bezug der Umgebungs- temperatur der Anlage definiert. Alles über Umgebungstemperatur ist Wärme während alles unterhalb der Umgebungstemperatur Kälte ist. Damit wird auch klar, dass das Temperaturniveau des Kältespeichers unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. Die Verwendung des Niedertemperatur-Wärmespeichers hat folgende Vorteile. Wird die Anlage zur Speicherung der thermischen Energie verwendet, so wird der Niedertemperatur-Wärmespeicher vor Passieren der in diesem Fall als Arbeitsmaschine (Verdichter) arbeitenden ersten Fluidenergie -Maschine durch- laufen. Hierdurch wird das Arbeitsgas bereits über Umgebungstemperatur aufgewärmt. Dies hat den Vorteil, dass die Arbeitsmaschine eine geringere Leistung aufnehmen muss, um die geforderte Temperatur des Arbeitsgases zu erreichen. Konkret soll der Wärmespeicher auf über 500°C aufgewärmt werden, was vorteilhaft anschließend an das Vorwärmen des Arbeitsgases auch mit technisch verfügbaren thermodynamisehen Verdichtern erfolgen kann, die eine Verdichtung des Arbeitsgases auf 15 bar erlauben. Vorteilhaft kann daher auf Komponenten für die Baueinheiten der Anlage zurückgegriffen werden, die am Markt ohne kostspielige Modifikationen erhältlich sind.

Die Lösung der Aufgabe gelingt überdies durch das eingangs genannte Verfahren zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie dadurch, dass der Kältespeicher bei Bedarf in einen von dem genannten Kreislauf verschiedenen Kühlkreislauf geschaltet wird, wobei in dem Kühlkreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge von einem Kühlmedium durch- flössen werden: der Kältespeicher, ein Kühlaggregat und ein zu kühlender Kältenehmer. Mit diesem Verfahren werden die oben zur erfindungsgemäßen Anlage erläuterten Vorteile erreicht, wobei das Verfahren mit der oben genannten Anlage durchführbar ist. Als besonders geeignetes Kühlmedium, insbe- sondere für supraleitende Komponenten, kann Stickstoff verwendet werden. Dieser liegt bei der zur Kühlung dieser supraleitenden Komponenten erforderlichen Temperaturen flüssig vor und kann beispielsweise in einem Thermosiphon als Kälteaggregat auf das erforderliche Temperaturniveau gebracht werden. Die Vorkühlung über den Kältespeicher verringert hierbei den Energieaufwand bei dem Betrieb des Kühlaggregates . Außerdem kann dies geringer dimensioniert werden. Dies macht diese Lösung besonders wirtschaftlich. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind hierbei jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Anlage als Schaltbild und Figur 2 und 3 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen

Verfahrens (Brayton-Prozess) anhand von weiteren Schaltbildern.

Eine Anlage zur Speicherung thermischer Energie gemäß Figur 1 weist eine Leitung 11 auf, mit der mehrere Einheiten derart miteinander verbunden sind, dass diese durch ein Arbeitsgas durchflössen werden können. Das Arbeitsgas fließt durch einen Niedertemperatur-Wärmespeicher 12 und anschließend durch eine erste thermische Fluidenergie-Maschine 13, die als hydrodynamischer Verdichter ausgebildet ist. Weiterhin führt die Leitung dann zu einem Wärmespeicher 14. Dieser ist mit einer zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine 15 verbunden, wel- che als hydrodynamische Turbine ausgeführt ist. Von der Turbine führt die Leitung 11 zu einem Kältespeicher 16. Der Kältespeicher 16 ist mit dem Niedertemperatur-Wärmespeicher 12 durch die Leitung 11 verbunden, wobei in diesem Leitungsabschnitt außerdem ein Wärmetauscher 17 vorgesehen ist, über den das Arbeitsgas Wärme an die Umgebung abgeben oder aus der Umgebung aufnehmen kann (je nach Betriebsart) .

In Figur 1 ist insofern ein geschlossener Kreislauf für das Arbeitsgas vorgesehen. Allerdings ist es in gleicher Weise vorstellbar, dass in nicht dargestellter Weise der Leitungsabschnitt zwischen dem Kältespeicher 16 und dem Niedertemperatur-Wärmespeicher 12 mitsamt dem Wärmetauscher 17 entfällt. In diesem Fall würde der Kreislauf über die Umgebung geschlossen werden, wobei das Arbeitsgas, welches in diesem Fall aus Umgebungsluft besteht, am Niedertemperatur-Wärme-

Speicher 12 angesaugt und nach dem Kältespeicher 16 wieder in die Umgebung ausgeblasen würde.

Weiterhin ist in Figur 1 eine dritte thermische Fluidenergie- Maschine 18 in Form einer hydrodynamischen Turbine und eine vierte thermische Fluidenergie-Maschine 19 in Form eines hydrodynamischen Verdichters vorgesehen. Zu bemerken ist weiterhin, dass die erste hydrodynamische Fluidenergie-Maschine 13 in der Leitung 11 mit der dritten hydrodynamischen Fluidenergie-Maschine 18 parallel geschaltet ist und die zweite Fluidenergie-Maschine 15 in der Leitung 11 mit der vierten Fluidenergie-Maschine 19 parallel geschaltet ist. Ventilme- chanismen 20 sorgen durch Öffnen und Schließen dafür, dass jeweils nur die erste und zweite Fluidenergie-Maschine oder die dritte und vierte Fluidenergie-Maschine durchflössen werden. Die erste und zweite Fluidenergie-Maschine 13 und 15 sind über eine erste Welle 21 mechanisch miteinander gekop- pelt und werden durch einen elektrischen Motor M angetrieben, der von einem Windkraftwerk 22 gespeist wird, solange die erzeugte elektrische Energie im Stromnetz nicht nachgefragt wird. Während dieses Betriebszustandes werden der Wärmespeicher 14 und der Kältespeicher 16 aufgeladen, wie später noch genauer erläutert wird. Ist die Nachfrage an elektrischer

Energie im Verhältnis zur aktuell erzeugten Menge an elektrischer Energie größer, so wird der durch das Windkraftwerk 22 erzeugte Strom direkt in das Netz eingespeist. Zusätzlich unterstützt die Anlage in einem anderen Betriebszustand die Stromerzeugung, indem der Wärmespeicher 14 und der Kältespeicher 16 entladen werden und mit einer zweiten Welle 23 durch die Fluidenergie-Maschinen 18 und 19 ein Generator Gl angetrieben wird. Die zweite Welle 23 ist dazu mechanisch mit der dritten Fluidenergie-Maschine 18 und der vierten Fluidener- gie-Maschine 19 gekoppelt.

Der Aufbau des Niedertemperatur-Wärmespeichers 12, des Wärmespeichers 14 und des Kältespeichers 16 bei der Anlage gemäß Figur 1 ist jeweils gleich und wird durch eine Ausschnitts - Vergrößerung anhand des Kältespeichers 16 näher erläutert.

Vorgesehen ist ein Behälter, dessen Wand 24 mit einem Isolationsmaterial 25 versehen ist, welches große Poren 26 aufweist. Im Inneren des Behälters ist Beton 27 vorgesehen, der als Wärmespeicher oder Kältespeicher fungiert. Innerhalb des Betons 27 sind Rohre 28 parallel verlaufend verlegt, durch die das Arbeitsgas strömt und dabei Wärme abgibt oder Wärme aufnimmt (je nach Betriebsart und Speicherart) . Der Kältespeicher 16 versorgt außerdem noch eine weitere Leitung 31 mit der gespeicherten Kälte. Für diese Leitung 31 ist ein nicht näher dargestelltes Kanalsystem im Kältespeicher 16 vorgesehen, welches unabhängig von einem anderen Kanalsystem (ebenfalls nicht dargestellt) ist, welches mit der Leitung 11 verbunden ist. Die Leitung 31 gehört zu einem Kühlkreislauf, mit dem ein Kühlmedium wie z. B. Stickstoff vorgekühlt werden kann. Mit einer Pumpe 32 wird dieses in dem Kühlkreislauf umgewälzt und auch durch ein Kühlaggregat in Form eines nicht näher dargestellten Thermosiphons hindurchgepumpt. Über verschiedene Ventile 34 können Bypassleitungen 35 in dem Kühl- kreislauf hineingeschaltet werden, die jeweils mit Wärmetauscher 36 verbunden sind. Die Wärmetauscher 36 führen jeweils zu dem Motor M, dem Generator Gl und einem Generator G2 im Windkraftwerk 22. Diese sind mit supraleitenden Komponenten, insbesondere Wicklungen, aus Hochtemperatursupraleitern versehen. Das Kühlmittel reicht aus, um diese Wicklungen auf einem Temperaturniveau zu halten, dass die supraleitenden Eigenschaften erhalten bleiben.

In Figur 1 ist eine Variante des Kühlkreislaufes dargestellt, in der das Kühlaggregat außerhalb des Windkraftwerkes 22 angeordnet ist. Um die Wege der zu isolierenden Leitung 31 möglichst kurz zu halten, ist das Kühlaggregat jedoch in der un- mittelbaren Nähe des Windkraftwerkes 22 und des Motors M sowie des Generators Gl anzuordnen. Damit sollte auch der Kältespeicher 16 in der Umgebung des Windkraftwerks 22 angeordnet werden. Ein solcher Kältespeicher 16 wird vorteilhaft jeweils nur einem oder einige wenige Windkraftwerke 22 eines Windparks zugeordnet sein. Andererseits würden die Verluste aufgrund des Transportes der Kälte in der Leitung 31 bzw. der Aufwand einer thermischen Isolierung zu hoch.

Anhand der Anlage gemäß den Figuren 2 und 3 sollen der ther- mische Auflade- und Entladeprozess näher erläutert werden. In Figur 2 ist zunächst der Ladeprozess dargestellt, der nach dem Prinzip einer Wärmepumpe funktioniert. Dargestellt ist im Unterschied zu Figur 1 in den Figuren 2 und 3 ein offener Kreislauf, der jedoch, wie strichpunktiert angedeutet, unter Einsatz des optional vorgesehenen Wärmetauschers 17 geschlossen werden könnte. Die Zustände im Arbeitsgas, welche bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 2 und 3 aus Luft besteht, sind jeweils an den Leitungen in Kreisen dargestellt. Links oben ist der Druck in bar angegeben. Rechts oben wird die En- talpie in KJ/Kg angegeben. Links unten steht die Temperatur in °C und rechts unten wird der Massefluss in Kg/s angegeben. Die Flussrichtung des Gases ist durch Pfeile in der Leitung 11 angedeutet.

In der Modellrechnung gelangt das Arbeitsgas mit 1 bar und 20°C in den (vorher aufgeladenen) Niedertemperatur-Wärmespeicher und verlässt diesen mit einer Temperatur von 80°C. Durch Komprimierung mittels der als Verdichter arbeitenden ersten Fluidenergie-Maschine 13 kommt es zu einer Druckerhöhung auf 15 bar und infolgedessen auch zu einer Temperaturerhöhung auf 547°C. Dieser Berechnung liegt folgende Formel zugrunde

T₂=T₁₊ (T_2s-Ti) / r\_c ; Τ₂₃=Τ_ιΠ ^{(K_1) /K}, wobei

T₂ die Temperatur am Verdichterausgang,

Τχ die Temperatur am Verdichtereingang,

r|_c der isentropische Wirkungsgrad des Kompressors,

n das Druckverhältnis (hier 15:1) und

K die Kompressibilität ist, die bei Luft 1,4 beträgt.

Der isentropische Wirkungsgrad r\_c kann einem Kompressor mit 0,85 vorausgesetzt werden.

Das erhitzte Arbeitsgas durchläuft nun den Wärmespeicher 14, wo der Hauptteil der verfügbaren thermischen Energie gespeichert wird. Während der Speicherung kühlt sich das Arbeitsgas auf 20°C ab, während der Druck (abgesehen von strömungsbedingten Druckverlusten) mit 15 bar erhalten bleibt. Anschließend wird das Arbeitsgas in zwei in Serie geschalteten Stufen 15a, 15b einer zweiten Fluidenergie-Maschine ent- spannt, so dass es auf einem Druckniveau von einem bar anlangt. Dabei kühlt sich das Arbeitsgas nach der ersten Stufe auf 5°C und nach der zweiten Stufe auf -114°C ab. Grundlage für diese Berechnung ist ebenfalls die oben angegebene For- mel .

In den Teil der Leitung 11, der die beiden Stufen der zweiten Fluidenergie-Maschine 15a, 15b in Form einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine verbindet, ist zusätzlich ein Wasserabscheider 29 vorgesehen. Dieser ermöglicht nach einer ersten Entspannung eine Trocknung der Luft, so dass die in dieser enthaltene Luftfeuchtigkeit in der zweiten Stufe 15b der zweiten Fluidenergie-Maschine 15 nicht zu einer Vereisung der Turbinenblätter führt (nur für den Fall eines offenen Kreislaufes notwendig) .

Im weiteren Verlauf entzieht das entspannte und daher abgekühlte Arbeitsgas dem Kältespeicher 16 Wärme und wird dadurch auf 0°C erwärmt. Auf diesem Weg wird Kälteenergie im Kälte- Speicher 16 gespeichert, die bei einer anschließenden Energiegewinnung genutzt werden kann. Vergleicht man die Temperatur des Arbeitsgases am Ausgang des Kältespeichers 16 und am Eingang des Niedertemperatur-Wärmespeichers 12, so wird deutlich, warum für den Fall eines geschlossenen Kreislaufs der Wärmetauscher 17 zur Verfügung gestellt werden muss. Hier kann das Arbeitsgas wieder auf Umgebungstemperatur von 20°C aufgewärmt werden, wodurch der Umgebung Wärme entzogen wird, die dem Prozess zur Verfügung gestellt wird. Eine solche Maßnahme kann selbstverständlich entfallen, wenn das Arbeitsgas direkt aus der Umgebung angesaugt wird, da dies bereits Umgebungstemperatur aufweist.

Für die Kühlung ist in Figur 2 eine von der Variante in Figur 1 abweichende Ausführungsform dargestellt. Der Motor M und der Generator Gl weisen in diesem Fall keine supraleitenden Komponenten auf. Lediglich der Generator G2 im Windkraftwerk 22, der aufgrund seiner Einbauhöhe in der Gondel des Windkraftwerkes eine möglichst geringe Masse aufweisen soll, nutzt die Vorteile, die mit supraleitenden Wicklungen und deren geringeren notwendigen Leiterquerschnitten verbunden sind. Die Leitung 31 führt daher ohne Bypassleitungen direkt zum Windkraftwerk 22. Das Kühlaggregat 33 ist ebenfalls in der Gondel des Windkraftwerkes 22 untergebracht, so dass die Wege des Kühlmediums zumindest im tiefen Temperaturniveau vorteilhaft gering gehalten werden können.

Mittels Figur 3 kann der Entladezyklus des Wärmespeichers 14 und des Kältespeichers 16 nachvollzogen werden, wobei am Generator Gl elektrische Energie erzeugt wird. Anders als in Figur 1 werden in Figur 3 die erste Fluidenergie-Maschine 13 und die zweite (zweistufige) Fluidenergie-Maschine 15 sowohl im Lade- als auch im Entladezyklus verwendet. Dies beein- trächtigt das Funktionsprinzip der Anlage nicht, wird allerdings durch einen geringeren Wirkungsgrad erkauft. Abzuwägen sind daher der höhere Investitionsaufwand bei Verwendung zusätzlich einer dritten und einer vierten Fluidenergie-Maschine gegenüber dem Gewinn an Wirkungsgrad, der dadurch er- reicht wird, dass bei Verwendung von vier Fluidenergie-Ma- schinen jede auf den entsprechenden Betriebszustand optimiert werden kann. Weiterhin ist wieder strichpunktiert die Alternative eines geschlossenen Kreislaufes dargestellt. Der Wasserabscheider 29 ist in der Darstellung gemäß Figur 3 nicht dargestellt, da dieser nicht zum Einsatz gelangt.

Das Arbeitsgas wird durch den Kältespeicher 16 geleitet. Dabei wird es von 20°C auf -92°C abgekühlt. Diese Maßnahme dient zur Reduzierung der Leistungsaufnahme, um die als Kom- pressor arbeitende zweite Fluidenergie-Maschine zu betreiben. Die Leistungsaufnahme wird um den Faktor entsprechend des Temperaturunterschiedes in Kelvin also 293K/181K = 1,62 reduziert. In dem Beispiel komprimiert der Kompressor das Arbeitsgas auf 10 bar. Hierbei steigt die Temperatur auf 100°C. Technisch vertretbar wäre auch eine Kompression von bis zu 15 bar. Das komprimierte Arbeitsgas durchläuft den Wärmespeicher 14 und wird dadurch auf 500°C aufgeheizt, wobei der Druck leicht auf 9,8 bar abnimmt. Anschließend wird das Arbeitsgas durch die erste Fluidenergie-Maschine entspannt, die somit in diesem Betriebszustand als Turbine arbeitet. Es erfolgt eine Entspannung auf 1 bar, wobei am Ausgang der ersten Fluidenergie-Maschine immer noch eine Temperatur von 183°C im Arbeits- gas vorliegt.

Um diese Restwärme ebenfalls ausnutzen zu können, wird das Arbeitsgas anschließend durch den Niedertemperatur-Wärmespeicher geleitet und kühlt sich dadurch noch auf 130°C ab. Diese Wärme muss gespeichert werden, um in einem nachfolgenden La- deprozess des Wärmespeichers 14 und des Kältespeichers 16 zur Vorwärmung des Arbeitsgases auf 80°C zu dienen (wie oben bereits beschrieben) . Der Niedertemperatur-Wärmespeicher arbeitet somit als Zwischenspeicher und wird immer gerade dann aufgeladen, wenn die beiden anderen Speicher, d. h. der Wärmespeicher 14 und der Kältespeicher 16 entladen werden und anders herum. Wie bereits erwähnt, wird das Funktionsprinzip der Anlage und des Verfahrens jedoch nicht eingeschränkt, wenn der Niedertemperatur-Wärmespeicher weggelassen wird.

Claims

Patentansprüche

1. Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie, die einen Ladekreislauf und einen Entladekreislauf für ein Arbeitsgas aufweist, wobei in dem Ladekreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch eine Leitung (11) für das Arbeitsgas miteinander verbunden sind:

• eine erste thermische Fluidenergie-Maschine (13),

• ein Wärmespeicher (14),

· eine zweite thermische Fluidenergie-Maschine (15) und

• ein Kältespeicher (16),

wobei in Durchflussrichtung des Arbeitsgases vom Wärmespeicher (14) zum Kältespeicher (15) gesehen die erste thermische Fluidenergie-Maschine (13) als Arbeitsmaschine und die zweite thermische Fluidenergie-Maschine (15) als Kraftmaschine geschaltet ist,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

dass der Kältespeicher (16) in einen von den oben genannten Kreisläufen getrennten Kühlkreislauf geschaltet werden kann, in dem folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch eine Leitung (31) für ein Kühlmedium miteinander verbunden sind:

• der Kältespeicher,

• ein Kühlaggregat (33) und

· ein zu kühlender Kälteabnehmer (Gl, G2 , M) .

2. Anlage nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

dass der Kälteabnehmer (Gl, G2, M) eine elektrische Maschine mit supraleitenden Komponenten ist.

3. Anlage nach Anspruch 2,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

dass die elektrische Maschine ein Generator G2 ist

4. Anlage nach Anspruch 3 ,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Generator G2 in eine Windkraftanlage (22) eingebaut ist .

5. Anlage nach einem der Ansprüche 2 oder 4,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

dass die elektrische Maschine ein Motor M ist, der mit der ersten thermischen Fluidenergie -Maschine (13) mechanisch gekoppelt ist.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 5,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

dass die elektrische Maschine ein Generator Gl ist der mit der

• mit der ersten thermische Fluidenergie-Maschine (13) gekoppelt ist oder

• mit einer dritten thermischen Fluidenergie-Maschine, wobei die dritte thermische Fluidenergie-Maschine (18) mit der ersten thermischen Fluidenergie-Maschine (13) sowie mit der zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine (15) eine vierte thermische Fluidenergie-Maschine (19) im Lade- und Entladekreislauf parallel geschaltet ist, wobei jeweils ein Ventilmechanismus (20) zwischen der ersten und der dritten sowie der zweiten und der vierten thermischen Fluidenergie-Maschine vorgesehen ist.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

dass für die supraleitende Komponente ein Hochtemperatur- Supraleiter, insbesondere Bi2223 oder YBCO, zum Einsatz kommt .

8. Verfahren zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie, bei dem ein Arbeitsgas einen Ladekreislauf oder einen Entladekreislauf durchläuft, wobei in dem Ladekreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durchflössen werden :

• eine erste thermische Fluidenergie-Maschine (13),

• ein Wärmespeicher (14), • eine zweite thermische Fluidenergie -Maschine (15) und

• ein Kältespeicher (16),

wobei die erste thermische Fluidenergie-Maschine (13) als Ar beitsmaschine und die zweite thermischen Fluidenergie-Maschine (15) als Kraftmaschine betrieben wird,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

dass der Kältespeicher (16) bei Bedarf in einen von den genannten Kreislaufen getrennten Kühlkreislauf geschaltet wird wobei in dem Kühlkreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge von einem Kühlmedium durchflössen werden:

• der Kältespeicher,

• ein Kühlaggregat (33) und

• ein zu kühlender Kälteabnehmer (Gl, G2 , M) .

9. Verfahren nach Anspruch 8,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

dass als Kühlmedium Stickstoff verwendet wird.