WO2014044549A2 - Verfahren zum laden und entladen eines speichermediums in einem wärmespeicher und anlage zur durchführung dieses verfahrens - Google Patents

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WO2014044549A2
WO2014044549A2 PCT/EP2013/068448 EP2013068448W WO2014044549A2 WO 2014044549 A2 WO2014044549 A2 WO 2014044549A2 EP 2013068448 W EP2013068448 W EP 2013068448W WO 2014044549 A2 WO2014044549 A2 WO 2014044549A2
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storage medium
heat
working fluid
cycle
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Daniel Reznik
Henrik Stiesdal
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/12—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having two or more accumulators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether

Definitions

  • the invention relates to a method for loading and unloading a storage medium in a heat storage.
  • the storage medium in a first heat exchanger is warmed up by a working fluid.
  • a working fluid In this case, he witnesses by a switched as a working machine first thermal fluid energy machine, a pressure increase in the working fluid ⁇ before passing through the first heat exchanger and after passing through the heat accumulator, the working fluid is expanded again.
  • the working fluid is cooled in the first heat exchanger or a second heat exchanger. Before passing through the said heat exchanger (ie the first heat exchanger or the second heat exchanger) is a
  • the machine relates to a system for storing and dispensing thermal energy with a storage medium, wherein the storage medium can absorb heat from a charging circuit for a working fluid and deliver it to a discharge circuit for a Hälfuid,
  • the charging circuit following units in the specified order Lines connected to each other: A connected as a working machine first thermal fluid energy machine, a first heat exchanger for the storage medium, means for relaxing the working fluid, in particular a first Dros ⁇ sel, and a third heat exchanger.
  • the first heat exchanger or a second heat exchanger for the storage medium a switched as a prime mover second thermal Flu ⁇ idenergy machine or connected as a combustion engine first fluid energy machine, the third Heat exchanger or a fourth heat exchanger and a pump.
  • ⁇ ser application of a heat exchanger for the storage medium it is meant that the heat exchanger is provided for transferring heat onto the storage medium or the storage medium. The heat is used in each From ⁇ dependence on the installation of this heat exchanger in the said lines for feeding heat into the Entladeniklauf or for discharging heat from the charging circuit.
  • thermal fluid energy machine used as a work machine is thus operated as a compressor or as a compressor.
  • a thermal fluid energy machine for performing work converts the space available in the working gas thermi ⁇ specific energy.
  • the thermal fluid energy machine is thus operated as a motor.
  • thermal fluid energy machine is a generic term for machines that can extract thermal energy from or supply thermal energy to a working fluid
  • Thermal energy is understood as meaning both thermal energy and refrigeration energy - machines
  • hydrodynamic thermal fluid energy machines can be used, the wheels allow a continuous flow of the working gas.
  • axial-acting turbines or Ve dense are used.
  • the object is to provide a method for loading and Entla ⁇ a heat accumulator and a plant for carrying out this method, may be carried out a SpeI ⁇ assurance and recovery of energy with relatively ho ⁇ hem efficiency with the or with and doing a comparatively low cost of components arises.
  • both the loading cycle and the unloading cycle are designed as Rankine cycle, wherein the working fluid is vaporized during the charging cycle via a third heat exchanger, and during the discharge ⁇ cycle on this third or a fourth heat exchanger is condensed.
  • the third heat exchanger and, in the case of a presence of the fourth heat exchanger and the fourth heat exchanger, a temperature compensation with the environment forth. Temperature equalization means that the temperature is approaching the ambient temperature, even if the ambient temperature itself is not reached.
  • the storage medium is a liquid which during the charging cycle from a hot reservoir through the first heat exchanger into a hot one Reservoir is directed.
  • the flow direction is reversed, ie the storage medium flows from the hot reservoir through the first heat exchanger or the second heat exchanger (if present) into the warm reservoir.
  • a warm reservoir in the context of the invention, a reservoir is understood, the temperature is above the ambient temperature.
  • a reservoir is to be understood as a hot reservoir whose temperature is not warm ie higher than that of the warm Re ⁇ servoirs. In this way, in other words, the heat flow directions in the different process steps of loading and unloading of the storage medium are specified.
  • the first thermal fluid energy machine may be, for example, a pump such as a piston pump or else a hydrodynamic compressor, that is to say a flow engine.
  • a pump such as a piston pump or else a hydrodynamic compressor, that is to say a flow engine.
  • water is used as the storage medium.
  • Water is cost-effective to procure and in the case of sturgeon ⁇ the plant installations environmentally safe and absolutely harmless.
  • water has a relatively high townkapazi ⁇ ty and therefore is advantageously suitable as a storage medium.
  • Water as well as other liquids still have the advantage that they can be stored in tanks and need not be present in the deposit Were ⁇ exchanger, but only in the line system connecting the warm reservoir to the hot reservoir. This can be used optimally throughout its entire size during the entire charging or discharging cycle. Therefore, the heat ⁇ exchanger can be made relatively compact. Material is saved, whereby the investment costs for the process are advantageously low.
  • a heat storage system made of sand would have to be used, for example, in its entire Lumen be provided with a heat exchanger, with an effective heat transfer would always be guaranteed only in the area of a storage medium flowing through the heat front.
  • Another advantage of using a liquid storage medium is that the capacity of a plant performing the process can be easily scaled. All you have to do is connect additional tanks that do not require any heat exchangers themselves. On the other hand, the performance of the charging and discharging cycle can be scaled by connecting an additional heat exchanger with the same capacity.
  • the heat storage concept can be used as Baukas ⁇ tensystem insofar, with standard components, a large range of required services and capacities can be covered.
  • the water is stored in the hot reservoir with a temperature of less than 100 ° C.
  • This has the advantage that the water can not be boiled and so the pressure in the reservoir is not increased or at least only slightly increased.
  • large-volume reservoirs for water can be built cost-effectively with a minimum of construction effort, which is beneficial to the economics of the process.
  • the working fluid phase for charging carbon dioxide ⁇ may be used as the working fluid phase for charging carbon dioxide ⁇ .
  • This is particularly suitable for realizing a heat pump cycle in the temperature window, which is available as the storage medium when using pressureless water, on the basis of the Rankine process.
  • the carbon dioxide can be advantageously even overheated, that is, that the heat pump cycle is over ⁇ critically.
  • a hydrocarbon compound can be used as the working fluid for the discharge ⁇ cycle.
  • propane can be used.
  • the possible pro ⁇ zess cup of propane (nomenclature as refrigerants: R290) advantageously makes it possible to run a Rankine process below 100 ° C. in the process window provided by pressureless water.
  • CO 2 and propane also have the advantage that release of these gases into the atmosphere is harmless from an environmental point of view. With propane, it only has to be taken into account that a concentration of this gas must be avoided in order to avoid a fire hazard.
  • ammonia can also be used as the working fluid for the discharge cycle and the charging cycle.
  • This has the advantage that in ammonia both the charging cycle and the discharging cycle can be configured as a Rankine process, so that only one line system can be run through for both the charging cycle and the discharging cycle (more on this in the following).
  • components of the system are advantageously saved, which is provided for implementation of the method according to the invention ⁇ .
  • a particular embodiment of the invention is obtained when the storage medium is passed through a fifth heat exchanger during the charging cycle before it is introduced through the first heat exchanger.
  • ⁇ exchanger heat to the working fluid in the fifth heat is released after it has left the third heat exchanger and before being introduced into the first thermal fluid energy machine.
  • the storage medium which leaves the warm reservoir, is cooled before it is introduced into the first heat exchanger.
  • the fifth heat exchanger made ⁇ heat in the working fluid is available as additional heat to Ver ⁇ addition, after the working fluid has been compressed by the first thermal fluid energy machine.
  • the above object is achieved according to the invention with the aforementioned system by the third heat exchanger and in the event of the presence of the fourth heat exchanger of the fourth heat exchanger ensure a heat exchange with the environment of the system.
  • the storage medium is a liquid which can be stored in a reservoir was ⁇ men or in a hot reservoir, the two reservoirs are connected via a connection line ⁇ . In this connection line are also the first heat exchanger and in the case of the presence of the second heat exchanger also this. In letz ⁇ more advanced case, the storage medium can either be routed through the first or the second heat exchanger.
  • the system described is primarily suitable for carrying out the method specified above.
  • the components for the erfindungsge ⁇ Permitted plant are inexpensive to obtain or herzustel ⁇ len, which increases the efficiency of the system. It can be provided a common charge and discharge circuit, which can be switched with suitable valves or there is a separate from the charging cycle discharge ⁇ see (this later more). Equally advantageous for the charging circuit and the discharge circuit ⁇ completely separate interconnected lines can be provided.
  • the first thermi ⁇ specific fluid energy machine is attached ⁇ joined to an electrical machine, which is fed, Ge from a generating device for renewable energy, in particular a wind turbine.
  • the system can then be used to temporarily store overcapacities from regenerative power generation, in the form of heat.
  • the heat storage can be discharged and in this way the cached energy in the form of electrical energy in the network can be made available.
  • FIG 1 shows an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows an embodiment of the invention
  • Plant according to Figure 1 can be performed in a diagram of the temperature T as a function of the enthalpy S, Figure 3 and 4, another embodiment of the inventions ⁇ inventive system with separate circuits for charging and discharging as block diagrams and Figure 5 and 6 embodiments of the invention
  • FIG. 1 shows a system with which excess electrical energy of a wind power plant 11 can be converted into thermal energy, which can be stored in a heat accumulator 12.
  • the heat accumulator 12 consists of a hot reservoir 12h and a warm reservoir 12w for water as a storage medium, which are interconnected by a line 12c.
  • the electrical energy of the wind power plant ⁇ 11 is set by means of a motor M in the plant fed. If necessary, the heat accumulator 12 can be discharged, which ultimately can be generated via a generator G electrical energy.
  • a charging circuit 13 and a Entladeniklauf 14 reali ⁇ Siert For converting electrical energy into thermal energy and vice versa in the plant-ge, a charging circuit 13 and a Entladeniklauf 14 reali ⁇ Siert.
  • valves 15 consist of schematically illustrated lines in which a working fluid, such as ammonia, can circulate.
  • a working fluid such as ammonia
  • valves 15 either the charging circuit 13 or the discharge circuit 14 is activated in each case by establishing a connection to the heat accumulator 12.
  • a third heat exchanger 16 is provided in the charging and discharging circuit, which can be fed with river water of a schematically indicated flow 17.
  • valves 18 are provided so that it can be used in the charging circuit 13 and Entla ⁇ de Vietnamese ⁇ de Vietnamese flow 17.
  • a sixth heat exchanger 19 may be used. Arise in the area of the heat exchanger in this way two separate circuits for charging circuit 13 and Entladeniklauf 14, as interpreted in Figure 1 at ⁇ , which makes unnecessary the valves 18th
  • connecting line 12c between the warm reservoir 12w and the hot reservoir 12h must be traversed in one direction or the other depending on the operating state.
  • two circulating pumps 31, 32 are provided, which can be switched via valves 33.
  • the valve 34 is opened, so that water from the warm Reser ⁇ voir 12w can flow into the hot reservoir 12h, wherein the water is heated via a first heat exchanger 35. in the
  • the first heat exchanger 35 is flowed through in the other direction. This is effected by means of the circulation pump 31 and opening of the valve 33. The water from the hot reservoir 12h can in this way deliver the heat to the working fluid and flows into the warm reservoir 12w. In both cases (charge cycle and discharge cycle), the first heat exchanger 35 is operated in countercurrent.
  • the respective flow directions of the charging circuit 13 and the discharge circuit 14 are indicated by arrows.
  • FIG. 2 shows a charging cycle 20 and a discharge cycle 21, as they can be run through with ammonia as the working medium (R717).
  • the working medium In position 1 of the cycle, the working medium is at a pressure of 5 bar.
  • the boiling point of ammonia is 4 ° C.
  • the heat from the river water at 15 ° C can be used to vaporize the Häme ⁇ dium in the third heat exchanger 16. In this way one arrives at position 2.
  • the working medium with the aid of the motor M is controlled by a ers ⁇ te fluid energy machine 22, which is connected denser than hydrodynamic comparison, to a pressure of more than 112 bar, for example, 120 bar, brought.
  • This Hit ⁇ ze can be entered into the storage medium, then, in this case wherein the heat exchanger is used and the storage medium is heated to 270 ° C.
  • the working medium is isobarically cooled to a temperature of less than 30 ° C to give the 4-position of the cycle is reached.
  • a first throttle 23 the working ⁇ medium can be relaxed and reached in this way again a pressure of 5 bar.
  • the simple component of a throttle is advantageous enough.
  • a turbine or the like is not required.
  • 1,1,1,2-tetrafluoroethane (R134a) or butone (R600) can also be used as the working medium.
  • Thermal storage media also include thermal oil and molten salts.
  • the discharge cycle 21 proceeds as follows.
  • the Kondensati ⁇ onstik may be set at 10 bar, so that the ⁇ detemperatur of the working medium (also ammonia) at 25 ° C, so above the temperature level of the flow at 15 ° C.
  • liquid ammonia is present and is brought to a supercritical pressure by means of a pump 24 (this means that the critical point CP lies within the area enclosed by the process curves).
  • the working ⁇ medium is warmed up and brought supercritical to the position 9.
  • the Tempe ⁇ temperature level present in the heat accumulator 12 can not be fully achieved. For example, heating to 220 ° C is possible.
  • a second fluid energy can be used.
  • Machine 25 in the form of a turbine mechanical energy Won ⁇ NEN, which is converted via the generator G into electrical energy.
  • the mechanical connections between the generator G and the second fluid energy machine 25 and the motor M and the first fluid energy machine 22 are designed as shafts 26. After the expansion of the working medium, the position 10 is reached.
  • the relaxed working medium is still gaseous and is condensed at 25 ° C, in which case the river water is warmed up.
  • FIG. 3 shows the part of the system which is responsible for the charging cycle.
  • the connecting line 12d passes through
  • Flow direction seen from the warm reservoir 12w first a fifth heat exchanger 36 and is passed through a circulating pump 37 through the first heat exchanger 35 before the water enters the hot reservoir 12h.
  • the water is initially off heat to the working fluid of the La ⁇ deniklaufes. 13 This is Kohlendi ⁇ oxide (CO 2) ⁇
  • the water cools the fifth heat exchanger 36 from 40 ° C to 15 ° C.
  • the pressure remains essentially constant at 1 bar in the entire heat accumulator.
  • the working fluid takes first through the third heat exchangers 16 heat from the environment and heated to the ⁇ sem way at 10 ° C. It also evaporates, so that the
  • the warm reservoir 12w and the hot reservoir 12h are connected to a second heat exchanger 38 via another connecting line 12e.
  • another circulating pump 39 is used.
  • the water is pumped from the hot reservoir 12h via the second heat exchanger 38 into the warm reservoir 12 and is cooled at a constant pressure of 1 bar from 97 ° C to 40 ° C from.
  • the working fluid used is propane (C 3 H 8 ), which circulates in a discharge circuit 14 which is completely separate from the charge circuit 13 according to FIG.
  • propane C 3 H 8
  • the propane is compressed from 9 bar to 38 bar.
  • the temperature increases from 24 to 93 ° C and the vapor content increases from 0 to 1.03.
  • the superheated propane is expanded in the form of a turbine in the second thermal fluid energy machine 25, the temperature dropping to 24 ° C., the pressure to 9 bar and the vapor content to 0.9.
  • the resulting energy is conducted via a shaft 26 to the generator G and into electrical energy changed.
  • FIG. 1 the described states of carbon dioxide and propane are marked with the Zif ⁇ fern 1 to 10 and shown gra ⁇ phisch in Figures 5 and 6 also in Figures 3 and 4.
  • FIG. 5 and 6 pS diagrams are used, ie the pressure p is to be read as a function of the enthalpy S.
  • Figure 5 takes the heat pump process, which is designed as a backward operating Rankine cycle, rather than critical (the kri ⁇ diagram point CP is located in the area enclosed by the curves process area).
  • the taking place in accordance with Figure 6 discharging process, however, no supercritical He ⁇ overheating of propane takes place.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden und Entladen eines Speichermediums (beispielsweise H2O), welches erfindungsgemäß über einen Wärmetauscher (35) zwischen einem kühleren Reservoir (12w) und einem wärmeren Reservoir (12h) ausgetauscht werden kann. Über den Wärmetauscher ist damit die Aufnahme bzw. Abgabe von thermischer Energie möglich. Diese kann beispielsweise von einer Windkraftanlage (11) stammen. In einem Ladeprozess wird über einen Verdichter (22) ein Arbeitsfluid wie beispielsweise CO2 verdichtet und nach Durchlaufen des Wärmetauschers (35) wieder entspannt. Um die gespeicherte thermische Energie im Bedarfsfall wieder in elektrische Energe umzuwandeln, wird als Arbeitsgas beispielsweise Propan über den Wärmetauscher 35 erhitzt und über eine Turbine (25) entspannt. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass als Speichermedium die umweltverträgliche Flüssigkeit Wasser verwendet werden kann. Diese lässt sich in großen Mengen speichern, wodurch große Wärmekapazitäten realisierbar sind. Die angesprochenen Arbeitsfluide ermöglichen das Arbeiten in einem vergleichsweise engen Prozessfenster für das Wasser, z. B. 40°C im kühleren Reservoir (12w) und 97°C im wärmeren Reservoir (12h).

Description

Beschreibung
Verfahren zum Laden und Entladen eines Speichermediums in einem Wärmespeicher und Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden und Entladen eines Speichermediums in einem Wärmespeicher. Bei diesem Verfahren wird während eines Ladezyklus das Speichermedium in einem ersten Wärmetauscher durch ein Arbeitsfluid aufgewärmt. Dabei wird vor dem Durchlaufen des ersten Wärmetauschers durch eine als Arbeitsmaschine geschaltete erste thermische Fluidenergie-Maschine eine Druckerhöhung im Arbeitsfluid er¬ zeugt und nach dem Durchlaufen des Wärmespeichers wird das Arbeitsfluid wieder entspannt. Während eines Entladezyklus des Speichermediums wird in dem ersten Wärmetauscher oder einem zweiten Wärmetauscher das Arbeitsfluid abgekühlt. Vor dem Durchlaufen des genannten Wärmetauschers (also dem ersten Wärmetauscher oder dem zweiten Wärmetauscher) wird eine
Druckerhöhung erzeugt und nach dem Durchlaufen des genannten Wärmetauschers das Arbeitsfluid über eine als Kraftmaschine geschaltete zweite thermische Fluidenergiemaschine oder die als Kraftmaschine geschaltete erste thermische Fluidenergie- Maschine entspannt. Beim Ladezyklus wird damit mechanische Energie in Wärmeenergie umgewandelt, wobei die gespeicherte Wärmeenergie während des Entladezyklus zurück in mechanische Energie gewandelt werden kann. Ein solches Verfahren eignet sich daher beispielsweise dazu, Überkapazitäten aus der rege¬ nerativen Stromerzeugung über einen elektrischen Motor in Wärmeenergie zu wandeln und anschließend über einen Generator im Bedarfsfall wieder in elektrischen Strom zurückzuwandeln .
Außerdem betrifft die Maschine eine Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Ene gie mit einem Speichermedium, wobei das Speichermedium Wärme von einem Ladekreislauf für ein Arbeitsfluid aufnehmen und an einen Entladekreislauf für ein Arbeitslfuid abgeben kann, Dabei sind in dem Ladekreis- lauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch Leitungen miteinander verbunden: Eine als Arbeitsmaschine geschaltete erste thermische Fluidenergie-Maschine, ein erster Wärmetauscher für das Speichermedium, eine Einrichtung zur Entspannung des Arbeitsfluides , insbesondere eine erste Dros¬ sel, und ein dritter Wärmetauscher. Außerdem sind in dem Entladekreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch Leitungen miteinander verbunden: Der erste Wärmetauscher oder ein zweiter Wärmetauscher für das Speichermedium, eine als Kraftmaschine geschaltete zweite thermische Flu¬ idenergie-Maschine oder die als Kraftmaschine geschaltete erste Fluidenergie-Maschine, der dritte Wärmetauscher oder ein vierter Wärmetauscher und eine Pumpe. Wird im Sinne die¬ ser Anmeldung von einem Wärmetauscher für das Speichermedium gesprochen, so ist damit gemeint, dass der Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme auf das Speichermedium oder von dem Speichermedium vorgesehen ist. Die Wärme wird jeweils in Ab¬ hängigkeit vom Einbau dieses Wärmetauschers in die genannten Leitungen zum Einspeisen von Wärme in den Entladekreislauf oder zum Austragen von Wärme aus dem Ladekreislauf verwendet.
Die Begriffe Kraftmaschine und Arbeitsmaschine werden im Rah¬ men 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 betrieben. Demgegenüber verrichtet eine Kraftmaschine Arbeit, wobei eine thermische Fluidenergie-Maschine zur Verrichtung der Arbeit die im Arbeitsgas zur Verfügung stehende thermi¬ sche Energie umwandelt. In diesem Fall wird die thermische Fluidenergie-Maschine also als Motor betrieben.
Der Begriff „thermische Fluidenergie-Maschine" bildet einen Oberbegriff für Maschinen, die einem Arbeitsfluid thermische Energie entziehen oder diesem thermische Energie zuführen können. Unter thermischer Energie ist sowohl Wärmeenergie als auch Kälteenergie zu verstehen. Thermische Fluidenergie- Maschinen (im Folgenden auch kürzer als Fluidernergie- Maschinen bezeichnet) können beispielsweise als Kolbenmaschi- nen ausgeführt sein. Bevorzugt können auch hydrodynamische thermische Fluidenergie-Maschinen verwendet werden, deren Laufräder einen kontinuierlichen Fluss des Arbeitsgases erlauben. Vorzugsweise kommen axial wirkende Turbinen bzw. Ve dichter zum Einsatz.
Das eingangs angegebene Prinzip ist beispielsweise gemäß der WO 2009/044139 A2 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 abzu¬ rufen .
Die Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Laden und Entla¬ den eines Wärmespeichers bzw. eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, mit dem bzw. mit der eine Spei¬ cherung und Rückgewinnung von Energie mit vergleichsweise ho¬ hem Wirkungsgrad erfolgen kann und dabei ein vergleichsweise geringer Aufwand an Komponenten entsteht.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Verfahren er¬ findungsgemäß dadurch gelöst, dass sowohl der Ladezyklus als auch der Entladezyklus als Rankine-Prozess ausgestaltet sind, bei dem das Arbeitsfluid während des Ladezyklus über einen dritten Wärmetauscher verdampft wird und während des Entlade¬ zyklus über diesen dritten oder einen vierten Wärmetauscher kondensiert wird. Dabei stellen der dritte Wärmetauscher und im Falle eines Vorhandenseins des vierten Wärmetauschers auch der vierte Wärmetauscher einen Temperaturausgleich mit der Umgebung her. Unter einem Temperaturausgleich ist zu verstehen, dass die Temperatur an die Umgebungstemperatur angenähert wird, auch wenn die Umgebungstemperatur selbst nicht erreicht wird. Außerdem ist erfindungsgemäß das Speichermedium eine Flüssigkeit, welche während des Ladezyklus von einem warmen Reservoir durch den ersten Wärmetauscher in ein heißes Reservoir geleitet wird. Während des Entladezyklus wird die Flussrichtung umgekehrt, d. h. das Speichermedium fließt von dem heißen Reservoir durch den ersten Wärmetauscher oder den zweiten Wärmetauscher (wenn vorhanden) in das warme Reservoir. Als warmes Reservoir im Sinne der Erfindung wird ein Reservoir verstanden, dessen Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Im Vergleich hierzu soll unter einem heißen Reservoir ein Reservoir verstanden werden, dessen Temperatur nicht warm, d. h. höher als diejenige des warmen Re¬ servoirs ist. Hierdurch werden mit anderen Worten die Wärmeflussrichtungen bei den unterschiedlichen Verfahrensschritten des Ladens und des Entladens des Speichermediums vorgegeben.
Weiterhin ist anzumerken, dass es sich bei der ersten thermischen Fluidenergiemaschine beispielsweise um eine Pumpe wie eine Kolbenpumpe oder auch um einen hydrodynamischen Verdichter, also eine Strömungskraftmaschine, handeln kann. Beim La¬ dezyklus und beim Entladezyklus können sowohl jeweils dassel¬ be als auch unterschiedliche Arbeitsfluide zum Einsatz kommen (hierzu im Folgenden noch mehr) .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Speichermedium Wasser zum Einsatz kommt. Wasser ist kostengünstig zu beschaffen und im Falle von Stör¬ fällen der Anlage umwelttechnisch auch absolut unbedenklich. Außerdem weist Wasser eine verhältnismäßig hohe Wärmekapazi¬ tät auf und eignet sich vorteilhaft daher als Speichermedium. Wasser wie auch andere Flüssigkeiten haben weiterhin den Vorteil, dass diese in Tanks gelagert werden können und der Wär¬ metauscher nicht in der Lagerstätte vorhanden sein muss, sondern lediglich in dem Leitungssystem, welches das warme Reservoir mit dem heißen Reservoir verbindet. Dieses kann während des gesamten Lade- bzw. Entladezyklus über seine gesamte Baugröße optimal genutzt werden. Daher lässt sich der Wärme¬ tauscher vergleichsweise kompakt herstellen. Es wird Material gespart, wodurch die Investitionskosten für das Verfahren vorteilhaft gering ausfallen. Verglichen hierzu müsste ein Wärmespeicher aus Sand beispielsweise in seinem gesamten Vo- lumen mit einem Wärmetauscher versehen werden, wobei ein effektiver Wärmeübergang immer nur im Bereich einer das Speichermedium durchfließenden Wärmefront gewährleistet wäre. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines flüssigen Speichermediums liegt darin, dass die Kapazität einer das Verfahren durchführenden Anlage leicht skaliert werden kann. Es müssen lediglich zusätzliche Tanks angeschlossen werden, die selbst keine Wärmetauscher benötigen. Anders herum kann die Leistung des Lade- und Entladezyklus dadurch skaliert werden, dass bei gleicher Kapazität ein zusätzlicher Wärmetauscher angeschlossen wird. Das Wärmespeicherkonzept kann insofern als Baukas¬ tensystem verwendet werden, wobei mit Standardkomponenten ein großer Bereich von erforderlichen Leistungen und Kapazitäten abgedeckt werden kann.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wasser im heißen Reservoir mit einer Temperatur von unter 100°C gespeichert wird. Dies hat den Vorteil, dass das Wasser nicht zum Sieden gebracht werden kann und so der Druck in dem Reservoir nicht erhöht oder zumindest nur leicht erhöht wird. Hierdurch können großvolumige Reservoirs für Wasser mit einem minimalen baulichen Aufwand kosteneffizient gebaut werden, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zuträglich ist.
Vorteilhaft kann als Arbeitsfluid für den Ladezyklus Kohlen¬ dioxid verwendet werden. Dies ist insbesondere geeignet, um in dem Temperaturfenster, was bei Verwendung von drucklosem Wasser als Speichermedium zur Verfügung steht, unter Zugrundelegung des Rankine-Prozesses einen Wärmepumpenkreislauf zu realisieren. Dabei kann das Kohlendioxid vorteilhaft sogar überhitzt werden, d. h., dass der Wärmepumpenkreislauf über¬ kritisch abläuft.
Weiterhin vorteilhaft kann als Arbeitsfluid für den Entlade¬ zyklus eine KohlenwasserstoffVerbindung verwendet werden. Insbesondere kann Propan verwendet werden. Das mögliche Pro¬ zessfenster von Propan (Nomenklatur als Kältemittel: R290) ermöglicht es vorteilhaft, in dem durch druckloses Wasser zur Verfügung gestellten Prozessfenster unterhalb von 100°C einen Rankine-Prozess ablaufen zu lassen. CO2 und Propan haben überdies den Vorteil, dass ein Freisetzen dieser Gase in die Atmosphäre aus Umweltgesichtspunkten unbedenklich ist. Bei Propan muss lediglich beachtet werden, dass eine Aufkonzentration dieses Gases vermieden werden muss, um eine Brandgefahr zu vermeiden.
Vorteilhaft kann als Arbeitsfluid für den Entladezyklus und den Ladezyklus auch Ammoniak verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass in Ammoniak sowohl der Ladezyklus als auch der Entladezyklus als Rankine-Prozess ausgestaltet werden kann, so dass lediglich ein Leitungssystem zum Durchlaufen sowohl des Ladezyklus als auch des Entladezyklus durchlaufen werden kann (hierzu im Folgenden noch mehr) . Hierdurch werden vorteilhaft Komponenten der Anlage eingespart, welche zur Durch¬ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen ist.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung erhält man, wenn das Speichermedium während des Ladezyklus durch einen fünften Wärmetauscher geleitet wird, bevor es durch den ersten Wärmetauscher eingeleitet wird. Dabei wird in dem fünften Wärme¬ tauscher Wärme an das Arbeitsfluid abgegeben, nachdem dieses den dritten Wärmetauscher verlassen hat und bevor diese in die erste thermische Fluidenergie-Maschine eingeleitet wird. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass das Speichermedium, das das warme Reservoir verlässt, abgekühlt wird, bevor es in den ersten Wärmetauscher eingeleitet wird. Dort kann es infolgedessen eine größere Wärmemenge vom Arbeitsfluid aufneh¬ men. Gleichzeitig steht die im fünften Wärmetauscher aufge¬ nommene Wärme im Arbeitsfluid als zusätzliche Wärme zur Ver¬ fügung, nachdem das Arbeitsfluid durch die erste thermische Fluidenergie-Maschine verdichtet wurde. Insgesamt steigt da¬ mit der Temperaturunterschied in dem ersten Wärmetauscher mit dem Effekt, dass ein größerer Wärmefluss erzielt werden kann. Außerdem wird die oben angegebene Aufgabe erfindungsgemäß auch mit der eingangs erwähnten Anlage gelöst, indem der dritte Wärmetauscher und im Falle eines Vorhandenseins des vierten Wärmetauschers der vierte Wärmetauscher einen Wärme- austausch mit der Umgebung der Anlage gewährleisten. Außerdem ist das Speichermedium eine Flüssigkeit, welche in einem war¬ men Reservoir oder in einem heißen Reservoir gespeichert werden kann, wobei die beiden Reservoirs über eine Verbindungs¬ leitung verbunden sind. In dieser Verbindungsleitung befinden sich außerdem der erste Wärmetauscher und im Falle eines Vorhandenseins des zweiten Wärmetauschers auch dieser. Im letz¬ teren Fall kann das Speichermedium entweder über den ersten oder den zweiten Wärmetauscher geleitet werden. Die beschriebene Anlage eignet sich vorrangig zur Durchführung des oben angegebenen Verfahrens. Die Komponenten für die erfindungsge¬ mäße Anlage sind kostengünstig zu beschaffen bzw. herzustel¬ len, was die Wirtschaftlichkeit der Anlage erhöht. Es können ein gemeinsamer Lade- und Entladekreislauf vorgesehen sein, die mit geeigneten Ventilen geschaltet werden können oder es wird ein vom Ladekreislauf getrennter Entladekreislauf vorge¬ sehen (hierzu im Folgenden noch mehr) . Genauso können vorteilhaft für den Ladekreislauf und den Entladekreislauf voll¬ ständig voneinander getrennte Verbindungsleitungen vorgesehen sein .
Zuletzt ist es besonders vorteilhaft, wenn die erste thermi¬ sche Fluidenergie-Maschine an eine elektrische Maschine ange¬ schlossen ist, die von einer Erzeugungseinrichtung für regenerative Energie, insbesondere einer Windkraftanlage, ge- speist wird. Die Anlage kann erfindungsgemäß dann dazu ver¬ wendet werden, Überkapazitäten aus der regenerativen Stromerzeugung zwischenzuspeichern, und zwar in Form von Wärme. In Zeiten eines Bedarfs an elektrischer Energie, der nicht mehr gedeckt werden kann, kann der Wärmespeicher entladen werden und auf diesem Wege die zwischengespeicherte Energie in Form von elektrischer Energie im Netz zur Verfügung gestellt werden. Hierdurch lässt sich vorteilhaft der Anteil an regenera- tiver Energiegewinnung erhöhen, ohne auf die Anforderung einer Versorgungssicherheit verzichten zu müssen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anlage als Blockschaltbild,
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens, welches mit der erfindungsgemäßen
Anlage gemäß Figur 1 durchgeführt werden kann in einem Diagramm der Temperatur T in Abhängigkeit von der Enthalpie S, Figur 3 und 4 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfin¬ dungsgemäßen Anlage mit getrennten Kreisläufen zum Laden und Entladen als Blockschaltbilder und Figur 5 und 6 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Verfahrens, welches mit der Anlage gemäß der Figuren 3 und 4 durchgeführt werden kann, in einer Darstellung des Druckes p in Abhängigkeit von der Enthalpie S.
In Figur 1 ist eine Anlage zu erkennen, mit der überschüssige elektrische Energie eines Windkraftwerks 11 in thermische Energie umgewandelt werden kann, die in einem Wärmespeicher 12 gespeichert werden kann. Der Wärmespeicher 12 besteht aus einem heißen Reservoir 12h und einem warmen Reservoir 12w für Wasser als Speichermedium, welche durch eine Leitung 12c miteinander verbunden sind. Die elektrische Energie des Wind¬ kraftwerks 11 wird über einen Motor M in die Anlage einge- speist. Im Bedarfsfall kann der Wärmespeicher 12 entladen werden, wobei letztendlich über einen Generator G elektrische Energie erzeugt werden kann. Zur Wandlung von elektrischer Energie in thermische Energie und umgekehrt sind in der Anla- ge ein Ladekreislauf 13 und ein Entladekreislauf 14 reali¬ siert. Diese bestehen aus schematisch dargestellten Leitungen, in denen ein Arbeitsfluid, wie beispielsweise Ammoniak, zirkulieren kann. Über Ventile 15 wird jeweils entweder der Ladekreislauf 13 oder der Entladekreislauf 14 aktiviert, in- dem eine Verbindung zum Wärmespeicher 12 hergestellt wird. Weiterhin ist in dem Lade- und Entladekreislauf ein dritter Wärmetauscher 16 vorgesehen, der mit Flusswasser eines schematisch angedeuteten Flusses 17 gespeist werden kann. Auch für die Verbindung des dritten Wärmetauschers 16 sind Ventile 18 vorgesehen, damit dieser im Ladekreislauf 13 und im Entla¬ dekreislauf 14 zur Anwendung kommen kann. Statt der Ventile 18 kann auch, wie strichpunktiert dargestellt, ein sechster Wärmetauscher 19 verwendet werden. Im Bereich der Wärmetauscher entstehen auf diesem Wege zwei getrennte Kreisläufe für Ladekreislauf 13 und Entladekreislauf 14, wie in Figur 1 an¬ gedeutet, was die Ventile 18 überflüssig macht.
Auch die Verbindungsleitung 12c zwischen dem warmen Reservoir 12w und dem heißen Reservoir 12h muss je nach Betriebszustand in die eine oder die andere Richtung durchlaufen werden.
Hierzu sind zwei Umwälzpumpen 31, 32 vorgesehen, die über Ventile 33 geschaltet werden können. Während eines Ladezyklus ist das Ventil 34 geöffnet, so dass Wasser vom warmen Reser¬ voir 12w in das heiße Reservoir 12h strömen kann, wobei das Wasser über einen ersten Wärmetauscher 35 erhitzt wird. Im
Entladezyklus wird der erste Wärmetauscher 35 in der anderen Richtung durchströmt. Dies wird mittels der Umwälzpumpe 31 und Öffnen des Ventils 33 bewirkt. Das Wasser aus dem heißen Reservoir 12h kann auf diesem Wege die Wärme an das Ar- beitsfluid abgeben und strömt in das warme Reservoir 12w. In beiden Fällen (Ladezyklus und Entladezyklus) wird der erste Wärmetauscher 35 im Gegenstrom betrieben. Die jeweiligen Flussrichtungen des Ladekreislaufes 13 und des Entladekreislaufes 14 sind mit Pfeilen angedeutet. Außerdem sind im Ladekreislauf 13 und Entladekreislauf 14 charakteris¬ tische Positionen durch Ziffern von 1 bis 10 gekennzeichnet, wobei diese charakteristischen Positionen der ablaufenden
Rankine-Prozesse auch in Figur 2 zu erkennen sind. Diese sol¬ len den Durchlauf des jeweiligen Prozesses im Folgenden näher erläutern . In Figur 2 sind ein Ladezyklus 20 und ein Entladezyklus 21 dargestellt, wie diese mit Ammoniak als Arbeitsmedium (R717) durchlaufen werden können. In Position 1 des Zyklus liegt das Arbeitsmedium mit einem Druck von 5 bar vor. Hier liegt die Siedetemperatur von Ammoniak bei 4°C. Damit kann die Wärme vom Flusswasser mit 15°C verwendet werden, um das Arbeitsme¬ dium im dritten Wärmetauscher 16 zu verdampfen. Auf diesem Weg gelangt man zu Position 2. Wie Figur 1 zu entnehmen ist, wird das Arbeitsmedium mit Hilfe des Motors M durch eine ers¬ te Fluidenergie-Maschine 22, die als hydrodynamischer Ver- dichter geschaltet ist, auf einen Druck von mehr als 112 bar, beispielsweise 120 bar, gebracht. Hierbei heizt sich das Ar¬ beitsmedium auf 320°C auf und erreicht Position 3. Diese Hit¬ ze kann anschließend in das Speichermedium eingetragen werden, wobei hierbei der Wärmetauscher zum Einsatz kommt und das Speichermedium auf 270 °C erhitzt wird. In diesem Pro¬ zessschritt wird das Arbeitsmedium isobar auf eine Temperatur von weniger als 30°C abgekühlt, wodurch Position 4 des Zyklus erreicht wird. Durch eine erste Drossel 23 kann das Arbeits¬ medium entspannt werden und erreicht auf diesem Wege wieder einen Druck von 5 bar. An dieser Stelle ist vorteilhaft das einfache Bauteil einer Drossel ausreichend. Eine Turbine oder dergleichen ist nicht erforderlich.
Alternativ können als Arbeitsmedium auch 1,1,1,2- Tetrafluoroethan (R134a) oder Buton (R600) verwendet werden. Als thermische Speichermedien kommen auch Thermoöl und Salzschmelzen in Betracht. Der Entladezyklus 21 verläuft folgendermaßen. Der Kondensati¬ onsdruck kann bei 10 bar eingestellt werden, so dass die Sie¬ detemperatur des Arbeitsmediums (ebenfalls Ammoniak) bei 25°C, also über den Temperaturniveau des Flusses bei 15°C liegt. In Position 5 des Entladezyklusses 21 liegt flüssiger Ammoniak vor und wird über eine Pumpe 24 auf einen superkritischen Druck gebracht (Dies bedeutet, dass die kritischen Punkt CP innerhalb der durch die Prozesskurven eingeschlosse- nen Fläche liegt) . Durch den Wärmespeicher wird das Arbeits¬ medium aufgewärmt und überkritisch auf die Position 9 gebracht. Dabei kann das im Wärmespeicher 12 vorliegende Tempe¬ raturniveau nicht ganz erreicht werden. Beispielsweise ist eine Erwärmung auf 220°C möglich. Aus dem Arbeitsmedium im überkritischen Zustand kann über eine zweite Fluidenergie-
Maschine 25 in Form einer Turbine mechanische Energie gewon¬ nen werden, die über den Generator G in elektrische Energie umgewandelt wird. Die mechanischen Verbindungen zwischen dem Generator G und der zweiten Fluidenergie-Maschine 25 sowie dem Motor M und der ersten Fluidenergie-Maschine 22 sind als Wellen 26 ausgeführt. Nach der Entspannung des Arbeitsmediums wird die Position 10 erreicht. Das entspannte Arbeitsmedium liegt noch gasförmig vor und wird bei 25°C kondensiert, wobei hierbei das Flusswasser aufgewärmt wird.
In den Figuren 3 und 4 ist eine Anlage dargestellt, die ge¬ trennte Verbindungsleitungen 12d, 12e jeweils für den Lade¬ zyklus bzw. den Entladezyklus aufweisen. In Figur 3 ist der Teil der Anlage dargestellt, welcher für den Ladezyklus ver- antwortlich ist. Die Verbindungsleitung 12d durchläuft in
Flussrichtung gesehen vom warmen Reservoir 12w zunächst einen fünften Wärmetauscher 36 und wird über eine Umwälzpumpe 37 durch den ersten Wärmetauscher 35 geleitet, bevor das Wasser in das heiße Reservoir 12h gelangt. Im fünften Wärmetauscher 36 gibt das Wasser zunächst Wärme an das Arbeitsfluid des La¬ dekreislaufes 13 ab. Bei diesem handelt es sich um Kohlendi¬ oxid (CO2) · Das Wasser kühlt sich im fünften Wärmetauscher 36 von 40°C auf 15°C ab. Der Druck bleibt mit 1 bar im gesamten Wärmespeicher im Wesentlichen konstant.
Das Arbeitsfluid nimmt zunächst über den dritten Wärmetau- scher 16 Wärme aus der Umgebung auf und erwärmt sich auf die¬ sem Wege auf 10 °C. Dabei verdampft es auch, so dass der
Dampfgehalt von x=0,l auf x=l steigt. Der Druck liegt bei 40 bar. Im fünften Wärmetauscher nimmt das CO2 weitere Wärme auf und erwärmt sich unterkritisch auf 35°C. Anschließend wird das CO2 durch die erste thermische Fluidenergie-Maschine in Form einer Pumpe auf überkritische 90 bar verdichtet und er¬ wärmt sich auf 110 °C. Ein Großteil der Wärme wird über den ersten Wärmetauscher 35 an das Wasser abgegeben, welches sich dadurch auf 97 °C erwärmt. Das Arbeitsgas verlässt den ersten Wärmetauscher 35 mit einer Temperatur von 18 °C. Nach Entspannung durch die Drossel 23 liegt das Kohlendioxid bei einem Druck von 40 bar wieder weitgehend gasförmig vor.
Aus Figur 4 wird deutlich, dass für den Entladezyklus das warme Reservoir 12w und das heiße Reservoir 12h über eine andere Verbindungsleitung 12e an einen zweiten Wärmetauscher 38 angeschlossen werden. Hierbei kommt eine weitere Umwälzpumpe 39 zum Einsatz. Das Wasser wird von dem heißen Reservoir 12h über den zweiten Wärmetauscher 38 in das warme Reservoir 12 gepumpt und kühlt sich bei gleichbleibendem Druck von 1 bar von 97°C auf 40°C ab.
Als Arbeitsfluid kommt Propan (C3H8) zum Einsatz, welches in einem vom Ladekreislauf 13 gemäß Figur 3 vollständig getrenn- ten Entladekreislauf 14 umläuft. Durch eine Pumpe 24 wird das Propan von 9 bar auf 38 bar verdichtet. Nach Durchlaufen des zweiten Wärmetauschers 38 erhöht sich die Temperatur von 24 auf 93°C und der Dampfgehalt steigt von 0 auf 1,03. Das so überhitzte Propan wird in der zweiten thermischen Fluidener- gie-Maschine 25 in Gestalt einer Turbine entspannt, wobei die Temperatur auf 24 °C, der Druck auf 9 bar und der Dampfgehalt auf 0,9 sinkt. Die hierbei entstehende Energie wird über eine Welle 26 zum Generator G geleitet und in elektrische Energie gewandelt. Das Propan strömt anschließend durch einen vierten Wärmetauscher 39, wobei der Dampfgehalt bei gleichbleibender Temperatur im Propan auf x=0 sinkt.
Wie in Figur 1 sind auch in den Figuren 3 und 4 die beschriebenen Zustände des Kohlendioxids und des Propans mit den Zif¬ fern 1 bis 10 gekennzeichnet und in den Figuren 5 und 6 gra¬ phisch dargestellt. In den Figuren 5 und 6 werden p-S- Diagramme verwendet, d. h. es ist der Druck p in Abhängigkeit von der Enthalpie S abzulesen. Wie aus Figur 5 deutlich wird, findet der Wärmepumpenprozess , der als rückwärts laufender Rankine-Prozess ausgeführt ist, überkritisch statt (der kri¬ tische Punkt CP befindet sich in der durch die Prozesskurven eingeschlossenen Fläche) . Bei dem gemäß Figur 6 stattfindenden Entladeprozess findet allerdings keine überkritische Er¬ hitzung des Propans statt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laden und Entladen eines Speichermediums in einem Wärmespeicher (12) bei dem
· während eines Ladezyklus das Speichermedium in einem
ersten Wärmetauscher (35) durch ein Arbeitsfluid aufgewärmt wird, wobei vor dem Durchlaufen des ersten Wärme¬ tauschers (35) durch eine als Arbeitsmaschine geschalte¬ te ersten thermische Fluidenergie-Maschine (22) eine Druckerhöhung im Arbeitsfluid erzeugt wird und nach dem
Durchlaufen des Wärmespeichers (12) das Arbeitsfluid entspannt wird und
• während eines Entladezyklus das Speichermedium in dem ersten Wärmetauscher (35) oder einem zweiten Wärmetau- scher (38) durch ein Arbeitsfluid abgekühlt wird, wobei vor dem Durchlaufen des genannten Wärmetauschers eine Druckerhöhung im Arbeitsfluid erzeugt wird und nach dem Durchlaufen des genannten Wärmetauschers das Arbeitsflu¬ id über eine als Kraftmaschine geschaltete zweite ther- mische Fluidenergie-Maschine (25) oder die als Kraftma¬ schine geschaltete erste thermische Fluidenergie- Maschine (22) entspannt wird
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass sowohl der Ladezyklus als auch der Entladezyklus als Rankine-Prozess ausgestaltet sind, bei dem das Arbeitsfluid
• während des Ladezyklus über einen dritten Wärmetauscher (16) verdampft wird und
• während des Entladezyklus über den dritten oder einen vierten Wärmetauscher (19) kondensiert wird,
wobei der dritte Wärmetauscher (16) und im Falle eines Vor¬ handenseins des vierten Wärmetauschers auch der vierte Wärme¬ tauscher (19) einen Temperaturausgleich mit der Umgebung herstellen,
und dass das Speichermedium eine Flüssigkeit ist, welche
· während des Ladezyklus von einem warmen Reservoir (12w) durch den ersten Wärmetauscher (35) in ein heißes Reservoir (12h) geleitet wird und • während des Entladezyklus von dem heißen Reservoir (12h) durch den ersten Wärmetauscher (35) oder den zweiten Wärmetauscher (38) in das warme Reservoir (12w) geleitet wird .
2. Verfahren 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 als Speichermedium Wasser zum Einsatz kommt.
3. Verfahren 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 das Wasser im heißen Reservoir (12h) mit einer Temperatur von unter 100 °C gespeichert wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass als Arbeitsfluid für den Ladezyklus Kohlendioxid verwen¬ det wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass als Arbeitsfluid für den Entladezyklus eine Kohlenwas¬ serstoffVerbindung, insbesondere Propan verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass als Arbeitsfluid für den Ladezyklus und den Entladezyk¬ lus Ammoniak verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Ladezyklus transkritisch betrieben wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Speichermedium während des Ladezyklus durch einen fünften Wärmetauscher (36) geleitet wird, bevor es in den ersten Wärmetauscher (35) eingeleitet wird, wobei in dem fünften Wärmetauscher (36) Wärme an das Arbeitsfluid abgege¬ ben wird, nachdem dieses den dritten Wärmetauscher (16) verlassen hat und bevor dieses in die erste thermische Fluide- nergie-Maschine (22) eingeleitet wird.
9. Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie mit einem Speichermedium,
wobei das Speichermedium Wärme von einem Ladekreislauf (13) für ein Arbeitsfluid aufnehmen und an einen Entladekreislauf (14) für ein Arbeitsfluid abgeben kann,
wobei in dem Ladekreislauf (13) folgende Einheiten in der an¬ gegebenen Reihenfolge durch Leitungen miteinander verbunden sind :
· eine als Arbeitsmaschine geschaltete erste thermische
Fluidenergie-Maschine (22),
• ein erster Wärmetauscher (35) für das Speichermedium,
• eine Einrichtung zur Entspannung des Arbeitsfluides , insbesondere eine erste Drossel (23) , und
· ein dritter Wärmetauscher (16),
und wobei in dem Entladekreislauf (14) folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch Leitungen miteinander verbunden sind:
• der erste Wärmetauscher (35) oder ein zweiter Wärmetau- scher (38) für das Speichermedium,
• eine als Kraftmaschine geschaltete zweite thermische
Fluidenergie-Maschine (25) oder die als Kraftmaschine geschaltete erste Fluidenergie-Maschine (22),
• der dritte Wärmetauscher (16) oder ein vierter Wärmetau- scher (19) und
• eine Pumpe (24),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der dritte Wärmetauscher (16) und im Falle eines Vorhan¬ denseins des vierten Wärmetauschers der vierte Wärmetauscher (19) einen Wärmeaustausch mit der Umgebung der Anlage gewährleisten,
und dass das Speichermedium eine Flüssigkeit ist, welche in einem warmen Reservoir (12w) oder in einem heißen Reservoir (12h) gespeichert werden kann, wobei die beiden Reservoire über eine Verbindungsleitung 12 und über den ersten Wärmetauscher (35) und im Falle eines Vorhandenseins des zweiten Wär¬ metauschers über den ersten oder den zweiten Wärmetauscher (38) miteinander verbindbar sind.
10. Anlage nach Anspruch 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Ladekreislauf (13) und der Entladekreislauf (14) durch vollständig voneinander getrennte Leitungssysteme aus¬ gebildet sind.
11. Anlage nach Anspruch 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass für den Ladekreislauf (13) und den Entladekreislauf (14) vollständig voneinander getrennte Verbindungsleitungen (12d, 12e) vorgesehen sind.
12. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die erste thermische Fluidenergie-Maschine (22) an eine elektrische Maschine (M) angeschlossen ist, die von einer Erzeugungseinrichtung für regenerative Energie, insbesondere einer Windkraftanlage (11) gespeist wird.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT518186B1 (de) * 2016-06-10 2017-08-15 Technische Universität Wien Wärmekraftwerk und Verfahren zum Speichern von Wärme
WO2022166381A1 (zh) * 2021-02-07 2022-08-11 百穰新能源科技(深圳)有限公司 基于补充外部能量的co2气液相变的储能装置与方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3444448A1 (de) * 2017-08-18 2019-02-20 General Electric Technology GmbH System und verfahren zur umwandlung von elektrischer energie in thermische energie und zur speicherung von thermischer energie
DE102022211960A1 (de) * 2022-11-11 2024-05-16 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Kombianlage und Verfahren zum Betreiben einer Kombianlage
CN117266944B (zh) * 2023-11-22 2024-02-13 泉州装备制造研究所 一种基于储气罐温度控制的绝热压缩空气储能系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5436508A (en) 1991-02-12 1995-07-25 Anna-Margrethe Sorensen Wind-powered energy production and storing system
WO2009044139A2 (en) 2007-10-03 2009-04-09 Isentropic Limited Energy storage

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5384489A (en) * 1994-02-07 1995-01-24 Bellac; Alphonse H. Wind-powered electricity generating system including wind energy storage
US7096679B2 (en) * 2003-12-23 2006-08-29 Tecumseh Products Company Transcritical vapor compression system and method of operating including refrigerant storage tank and non-variable expansion device
ATE503915T1 (de) * 2008-07-16 2011-04-15 Abb Research Ltd Thermoelektrisches energiespeichersystem und verfahren zur speicherung von thermoelektrischer energie
EP2312129A1 (de) * 2009-10-13 2011-04-20 ABB Research Ltd. System zum Speichern von thermoelektrischer Energie mit einem internen Wärmetauscher und Verfahren zur Speicherung von thermoelektrischer Energie
WO2011103306A1 (en) * 2010-02-19 2011-08-25 Dynasep Llc Energy storage system
EP2400120A1 (de) * 2010-06-23 2011-12-28 ABB Research Ltd. Thermoelektrisches Energiespeichersystem
EP2441925A1 (de) * 2010-10-14 2012-04-18 ABB Research Ltd. Abwärmerückgewinnungssystem

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5436508A (en) 1991-02-12 1995-07-25 Anna-Margrethe Sorensen Wind-powered energy production and storing system
WO2009044139A2 (en) 2007-10-03 2009-04-09 Isentropic Limited Energy storage

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT518186B1 (de) * 2016-06-10 2017-08-15 Technische Universität Wien Wärmekraftwerk und Verfahren zum Speichern von Wärme
AT518186A4 (de) * 2016-06-10 2017-08-15 Technische Universität Wien Wärmekraftwerk und Verfahren zum Speichern von Wärme
WO2022166381A1 (zh) * 2021-02-07 2022-08-11 百穰新能源科技(深圳)有限公司 基于补充外部能量的co2气液相变的储能装置与方法

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