WO2014124747A1 - Heat accumulator and heat-accumulator power plant - Google Patents

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WO2014124747A1
WO2014124747A1 PCT/EP2014/000376 EP2014000376W WO2014124747A1 WO 2014124747 A1 WO2014124747 A1 WO 2014124747A1 EP 2014000376 W EP2014000376 W EP 2014000376W WO 2014124747 A1 WO2014124747 A1 WO 2014124747A1
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WO
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heat
heat storage
accumulator
transfer fluid
flow
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Application number
PCT/EP2014/000376
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German (de)
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Inventor
Lars Zoellner
Klaus Knop
Original Assignee
Carbon-Clean Technologies Gmbh
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/14Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having both steam accumulator and heater, e.g. superheating accumulator
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24HFLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H7/00Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release
    • F24H7/02Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release the released heat being conveyed to a transfer fluid
    • F24H7/04Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release the released heat being conveyed to a transfer fluid with forced circulation of the transfer fluid
    • F24H7/0408Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release the released heat being conveyed to a transfer fluid with forced circulation of the transfer fluid using electrical energy supply
    • F24H7/0416Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release the released heat being conveyed to a transfer fluid with forced circulation of the transfer fluid using electrical energy supply the transfer fluid being air
    • F24H7/0425Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release the released heat being conveyed to a transfer fluid with forced circulation of the transfer fluid using electrical energy supply the transfer fluid being air with supplementary heating means

Definitions

  • the invention relates to an electrically heatable heat accumulator for converting electrical energy into thermal energy, in particular for using overcapacities in a power grid and / or for ensuring the grid stability of a power grid, and / or for converting fluctuating electrical energy from renewable energy sources, such as wind energy. and / or solar energy, and for the storage and time-shifted transmission of thermal energy to a heat storage power plant, wherein the transmitted thermal energy is converted back into electrical energy in the heat storage power plant via mechanical energy, and / or for time-delayed extraction of process heat.
  • the present invention relates to a heat storage power plant with at least one heat accumulator of the aforementioned type.
  • renewable renewable energy sources such as wind and solar energy
  • geothermal and tidal energy alternatively or in parallel to conventional energy production from fossil fuels, always wins against the background of long-term exhausting fossil fuels and global warming by climate gases more important.
  • EP 1 577 548 A1 and EP 1 577 549 A1 disclose processes for storing energy and generating electricity, wherein a heat accumulator is heated by means of renewable energy, such as wind energy or solar energy. If necessary, the heat is used in the heat storage to generate steam that is fed directly to a thermodynamic process in a steam turbine, the steam generation is optionally complemented conventionally.
  • a similar method is known from WO 2009/1 12421 A1, wherein a heat storage, a heating element for storing energy from the power grid in the heat storage and a heat exchanger having a primary side and a secondary side are provided in a device for using excess capacity in the power grid, wherein the primary side is thermally coupled to the heat storage for the removal of heat from the heat storage and wherein the secondary side is connected in a power plant and the power plant comprises a gas turbine.
  • US 5,384,489 describes an apparatus in which electrical energy is generated by wind energy, with which a heating element is operated to heat a fluid in a storage tank, and a device to withdraw the stored energy from the tank again.
  • the energy extracted from the storage tank is used for space heating / room cooling, for cooling in general, Desalination, but preferably used for steam generation to generate electricity.
  • Object of the present invention is to provide a heat storage and a heat storage power plant of the type mentioned, the heat storage should have a low memory complexity.
  • the heat storage and the heat storage power plant should allow a simple and cost-effective use of excess capacity in the power grid.
  • the reduction of excess capacity in the power grid and the provision of electrical power at short-term high consumption peaks should be as flexible and as short a time as possible.
  • the heat storage device has a plurality of heat storage modules, each heat storage module having at least one electrical heating resistor for converting electrical energy into heat energy, at least one heat storage material heatable by the heating resistor, and flow channels for a heat transfer fluid, and wherein partial or complete loading of the heat accumulator several heat storage modules, preferably all heat storage modules, individually or individually controllable and can be energized independently.
  • a corresponding electrical circuit and at least one switch and, preferably, a control or regulating device for controlling or regulating the number of the energized heat storage modules can be provided.
  • the number of energized heat storage modules is determined depending on the available or a power grid to be taken amount of electricity. This allows reacting very quickly to varying amounts of electricity. Depending on the availability of excess electricity in a power grid, the number of heat storage modules energized can be changed in order to be able to extract the largest possible amount of electricity from the power grid.
  • the heat storage according to the invention allows a very fast network stabilization and is characterized by a low storage complexity.
  • Men of a heat storage module or multiple heat storage modules can be different amounts of electricity very quickly converted into thermal energy, which is then transferred time-shifted in more fuel-intensive times to the heat transfer fluid. Subsequently, the reconversion takes place in the heat storage power plant.
  • the heat accumulator according to the invention has a modular construction with a plurality of electrically heatable heat storage modules, wherein each heat storage module has at least one separate electrical heating resistor and wherein the total heat content of the heat storage substantially equal to the sum of the heat contents of the heat storage modules.
  • electrical energy from the heating resistor can be converted into heat energy, which is at least partially transferred to the heat storage material and then stored predominantly by the heat storage material and to a lesser extent by the heating resistor.
  • the heat transfer fluid can be used as a working fluid in a power plant process.
  • the heat storage power plant may, for example, at least one of the heat accumulator upstream compressor for compressing the heat transfer fluid and at least one turbine downstream of the heat storage for expanding the heated heat storage in the heat transfer fluid performing mechanical work and a generator for converting the mechanical work into electrical energy.
  • the heat transfer fluid which is preferably compressed air, flows through the heat accumulator and then serves as working fluid in the power plant process.
  • the heat accumulator may be formed in this context as a pressure vessel and / or it may be the flow channels for the heat transfer fluid under pressure.
  • water as a working fluid of a steam cycle can flow through the heat accumulator and be expanded in a steam turbine of the heat storage power plant.
  • the heat transfer fluid can be used as working fluid in combined gas and steam processes.
  • an indirect heat transfer from the thermal storage medium flowing through the heat transfer fluid to a working fluid of the power plant process is possible.
  • a heat transfer between the heat transfer fluid and the working fluid is preferably carried out via at least one heat exchanger downstream of the heat exchanger.
  • hot air from the heat accumulator may be provided to generate steam as a working medium for a steam process and / or a combined gas and steam process.
  • the heat storage module preferably has one or more heating resistors, wherein each heating resistor is preferably formed by a high-resistance wire or rod made of electrically conductive material, in particular iron or steel, such as structural steel or reinforcing steel, which is used as reinforcement in reinforced concrete. Also stainless steels can be used.
  • the heating resistor consists of an iron-aluminum alloy, wherein a passivating or corrosion-inhibiting surface layer of the heating conductor can be formed by aluminum.
  • a material for the heating resistor and a chromium-nickel alloy can be used. The wire or rod then forms a heating conductor of the heat storage module.
  • the heating resistor is preferably formed in one piece, but may also consist of a plurality of electrically interconnected conductor sections.
  • the heating resistor need not be designed as a high-resistance wire or high-resistance rod.
  • a heating resistor for example, a heating cartridge may be provided, namely a cylindrical metal cartridge as a housing with an inside turned heating coil. It is essential that the heating resistor is heated according to the invention by energization and can deliver its heat directly to the working fluid.
  • Each heating resistor can be connected via connection contacts of the heat storage module with a power grid. If the heat storage module has a plurality of heating resistors, these can be electrically connected to one another in any circuit arrangement, with basically two connection contacts already being sufficient to supply several or all of the heating resistors of a heat storage module. However, it can also be provided that, in the case of a plurality of heating resistors, each heating resistor can be connected to the power supply system via separate connecting contacts.
  • the heat storage capacity of the heat storage module is preferably in the range between 0.5 MWh and 10 MWh, more preferably between 1 MWh and 5 MWh.
  • the loading capacity of the heat storage module related to the volume of the heat storage module can be between 0.1 MW t hermisc m 3 to 5 MW t hermic / m 3 , preferably between 0.5 MWthermisch m 3 to 1, 5 MWthermisch m 3 , in particular approximately 0, 8 MWthermisch / m 3 , amount.
  • the total heat storage capacity of the heat accumulator may be more than 10 MWh, preferably more than 100 MWh, more preferably more than 500 MWh.
  • the specified performances refer to the thermal storage capacity or the heat content of the heat accumulator at a maximum storage temperature in the range between 900 ° C and 1,300 ° C, preferably in the range between 1000 ° C and 1200 ° C, more preferably in the range of 1100 ° C.
  • the heat storage power plant according to the invention competes with pumped-storage power plants and compressed-air storage power plants and can be used industrially for power generation / storage.
  • the heat storage power plant according to the invention over pumped storage power plants and compressed air storage power plants is characterized by a significantly low system complexity and in particular does not rely on the presence of specific geographic conditions, so that compared to pumped storage power plants and compressed air storage power plants significantly cheaper use of excess capacity in the power grid with high efficiency, ie at low energy conversion losses.
  • the heat storage system according to the invention can also be used for non-large-scale applications with storage capacities of less than 20 MWh.
  • each heat storage module of the heat accumulator has the same dimensions.
  • the heat storage module may be parallelepiped-shaped and, depending on the material used of the heat conductor, a base area of preferably about 1 m 2 to 16 m 2 , at a height of preferably 1 m for simple heating conductors made of steel or iron up to a height of 4 m for high-strength heaters, such as silicon carbide.
  • a high stability of the shape of the heat conductor in the heat storage module is ensured.
  • each heat storage module of the heat storage individually d. H. irrespective of the other heat storage modules, can be controlled and energized
  • the heating resistors of the heat storage modules are electrically connected to one another via connection contacts.
  • connection contacts To form a series or parallel connection of the heating resistors, at least one switch can be provided.
  • a control or regulating device may be provided.
  • At least one further switch can be provided, which allows the amount of electricity converted into heat in the heat accumulator to be replaced by required wise change the number of energized heating resistors or the number of energized heat storage modules to change and control.
  • a switch can be provided with which individual heat storage modules or their heating resistors can be connected to the power supply or disconnected from the power supply, if necessary, to remove more or less electric power from the power supply and to convert it into heat. It can be provided a control and / or regulating device that allows a largely automated control and / or regulation of the heat storage capacity.
  • the modular design of the heat accumulator according to the invention opens up the possibility that the heat accumulator has at least one flow cell for the heat transfer fluid, wherein the flow cell has a plurality of preferably superimposed heat storage modules and wherein the heat storage modules of a flow cell in the discharge of the heat storage are subsequently flowed through by the heat transfer fluid.
  • the heat storage modules of a flow cell can be energized individually and can be energized independently of the other heat storage modules of the flow cell.
  • all or more heating resistors of the heat storage modules of a flow cell with at least one switch in an electrical circuit in series and / or parallel switchable and thus can be supplied with current.
  • the heat accumulator according to the invention preferably has a plurality of throughflow cells through which the heat transfer fluid can flow separately, wherein the flow of the heat transfer fluid through each flow cell can be individually shut off or regulated.
  • each flow cell can be individually controlled for partial or complete loading of the heat accumulator and the heat storage modules of each flow cell can be supplied with current independently of the heat storage modules of the other flow cells.
  • a corresponding circuit and, preferably, a correspondingly designed control or regulating device can be provided in order to allow one or more flow cells to flow through the heat transfer fluid as required. This allows the heat that is removed from the heat storage and provided in the heat storage power plant for reconversion, in a fast and easy way to adapt to the actual power requirements.
  • subsequently only one flow-through cell can be flowed through by the heat transfer fluid until this throughflow cell has been discharged and the storage temperature of the storage modules of this throughflow cell has reached or fallen below a predetermined minimum value. Then, the next flow cell is released and flows through the heat transfer fluid, while the last flowed through (s) discharged cell (s) is blocked for the heat transfer fluid or become.
  • the loading of the flow cells by energizing the heat storage modules can be carried out with a time delay to the discharge of the flow cells. Regardless, it is of course also possible for a plurality of throughflow cells to be flowed through simultaneously by the heat transfer fluid in order to heat a larger volume flow of the heat transfer fluid.
  • At least one adjustable shut-off element can be provided between two adjacent flow cells, wherein a flow path of the heat transfer fluid is released by a flow cell and closed by the other flow cell by adjusting the shutoff.
  • Several flow cells can be arranged next to each other and can be flowed through by appropriate position of the shut-off elements of the heat transfer fluid below.
  • a development of the invention can provide that a plurality of heat storage modules is arranged side by side in a geometric heat storage row, wherein the heating resistors of the heat storage modules of the heat storage row are connected in series in an electrical circuit.
  • heating resistors connected in series are flowed through by the same current, so that the heating resistors are heated equally during energization.
  • the total electrical resistance of the heat storage modules of a heat storage row then corresponds to the sum of the individual resistances of the heat storage modules.
  • each flow cell has a plurality of heat storage rows arranged one above the other, wherein the heat storage modules of the superimposed heat storage rows are subsequently flowed through by the working fluid and wherein the heat storage rows with at least one switch, if necessary, are electrically connected in series or in parallel and / or wherein the number of energized heat storage rows is changed as needed.
  • a heat insulation enclosing the flow cell and / or the heat storage can be provided.
  • a common thermal insulation is provided which encloses all flow cells of the heat accumulator.
  • the thermal insulation may have a multilayer structure with a vacuum formed between two layers, so that an unwanted heat transfer is reduced as much as possible.
  • the proportion of the heat content of the at least one heating resistor to the total heat content of the heat storage module may be less than 20%, preferably less than 10%, in particular less than 5% in a preferred embodiment of the invention. In other words, this means that the heat storage capacity of the heat storage module to more than 80%, preferably more than 90%, more preferably more than 95%, is determined by the heat storage material.
  • the heat accumulator according to the invention may also provide at least one heat storage module which has at least one electrical heating resistor and flow passages surrounding the heating resistor for a heat transfer fluid, in particular a working fluid of the thermal power plant, wherein the heating resistor by the removal of electrical energy from a Power supply is energized and the electrical energy is converted into heat energy and stored by the heating resistor, wherein the working fluid is heatable by direct heat transfer from the heating resistor and wherein the proportion of heat content of the at least one heating resistor in the total heat content of the heat storage module is at least 30%, in particular at least 50% ,
  • the proportion of heat content of the at least one heating resistor in the total heat content of the heat storage module is more than 60%, more preferably more than 70%.
  • the proportion of heat content of all heating resistors in the total heat content of the heat storage module amounts to at least 30%, in particular at least 50%, more preferably more than 60%, more preferably more than 70%.
  • the aforementioned values refer to a (maximum) storage temperature in the range between 900 ° C and 1300 ° C, preferably in the range between 1000 ° C and 1200 ° C, more preferably in the range of 1100 ° C.
  • the heat content or the heat storage capacity or the thermal energy of the heating resistor is defined here as the product of the specific heat capacity and the mass of the heating resistor and a specific temperature of the heat accumulator.
  • the total heat content of the heat storage module from the heat content of all components and components of the heat storage module is determined at the specific temperature, the heat storage module in particular internals or bulk material may have a deviating from the material of the heating resistor second heat storage material.
  • the heat energy is given here in the Sl unit system in Joule [J].
  • the heat transfer between the heating resistor and the heat storage material of a heat storage module can preferably be effected by forced convection and / or radiation.
  • the heater and heat storage material are not in direct contact with each other and are substantially spaced apart so that heat transfer may be predominantly or entirely by forced convection and / or radiation but not by heat conduction. This takes into account the fact that the heating resistor on the one hand and the heat storage material on the other hand generally have a different thermal expansion, so that at a spacing of heat conductor and heat storage material damage to the usually less dimensionally stable heat storage material due to moving through a longitudinal extent relative to the heat storage material Heat conductor is excluded.
  • the heat storage material may be formed by molded blocks, which may have a plurality of throughflow openings for the heat transfer medium and / or a plurality of through openings for the heating conductor.
  • the shaped bricks may have separate openings for the heat transfer medium on the one hand and for the heating conductor on the other. This ensures that first channels for the heating element and second channels for the heat transfer fluid are fluidly separated from each other, so that the heating element does not come into contact with the heat transfer fluid. Particularly in the case of corrosive heat carrier fluids, this has an advantageous effect on the service life of the heat storage module.
  • the stones can also be recesses on the edges and / or depressions in such a way that, when assembling or collapsing the shaped bricks between adjacent bricks, a plurality of flow openings for the heat transfer medium and / or, preferably, a plurality of through openings for the heating conductor are formed.
  • the channels for the heating conductor and the channels for the heat transfer fluid can run in different directions. For example, horizontally extending first channels may be provided for the heating conductor between two superimposed rows of stones of the conglomerates and the two rows passing through vertically extending second channels for the heat transfer fluid.
  • the heating conductor is not firmly connected to the shaped bricks, but guided freely movable in the through holes. This is advantageous with regard to a different thermal expansion of heat conductor and heat storage material. If the heat conductor does not bear against the shaped bricks, it can not lead to abrasion of the molded bricks at a different thermal expansion.
  • the heating resistor is flowed around directly by the heat transfer fluid, corrosion of the heating resistor may occur at high temperatures in the heat accumulator.
  • an inert gas in particular nitrogen, can be used as the heat transfer fluid.
  • nitrogen can be used as the heat transfer fluid.
  • the heating element can also be embedded in the molded block material, which can be done, for example, by sheathing the heating conductor with a ceramic material and then firing the sheathed heating conductor with the material of the shaped block.
  • the heat storage material may also be pourable or free-flowing.
  • the heating conductor can then be embedded in the bed.
  • the bed can also have ceramic channels, which are fired by heating and are provided for flow through the heat transfer medium and / or for the implementation of the heat conductor.
  • Form stones can be made of chamotte or other ceramic material.
  • the material of the heating resistor may have a specific heat capacity of 0.4 kJ / (kgK) to 0.8 kJ / (kgK), while the specific heat capacity of the material of the mold holding elements is in the range between 1.0 kJ / (kgK) and 1, 4 kJ / (kgK) can lie.
  • the abovementioned values of the specific heat capacities are based on the maximum storage temperature during the heating of the heat transfer fluid, which is preferably in the range between 900 ° C. and 1300 ° C., more preferably in the range between 1000 ° C. and 1200 ° C., particularly preferably in the range of about 1 100 ° C, lies.
  • Each heat storage module may have a composite formed from a plurality of interconnected molded blocks as a heat storage material.
  • the heating resistor is then passed through the composite, preferably meandering, so that a sufficiently large heat transfer surface for the heat transfer from the heating element is created on the heat storage material. As a result, a very short loading time of the heat storage module is achieved.
  • the molding compound in the heat storage module can be achieved by preferably in three spatial directions connected blocks.
  • the heating resistor can then traverse the composite in three directions, preferably in a different way.
  • the heat storage module comprises at least one shape retaining element made of a material with compared to the heating resistor of lower electrical conductivity for stabilizing the heating resistor and / or mutual insulation of adjacent conductor sections of the heating resistor, wherein the proportion of heat content of at least a shape-retaining element in the total heat content of the heat storage module according to the invention less than 70%, in particular less than 50%.
  • the material of which the shape-retaining element consists has no or practically insignificant electrical conductivity and, in particular, serves to spatially support, fix and stabilize the heating resistor.
  • a plurality of shape-retaining elements are provided, in which case the proportion of the heat content of all shape-retaining elements in the total heat content of the heat storage module is less than 70%, in particular less than 50%.
  • the above values refer to the above mentioned maximum storage temperatures.
  • the proportion of the heat content of the at least one heating resistor and the proportion of the heat content of the at least one shape-holding element a ratio of greater than 1: 2, preferably greater than 1: 3, to each other.
  • a plurality of shape-retaining elements are provided, so that the stated proportions always refer to the heat content of all shape-retaining elements.
  • the shape-retaining element may consist of chamotte or another ceramic material. If a plurality of shape-retaining elements are provided for stabilizing the heating resistor, they may be web-shaped or rod-shaped and arranged in a plurality of parallel planes, wherein openings are formed between the shape-retaining elements of adjacent planes for conductor sections of the heat conductor which are in particular orthogonal to the planes. The shape-retaining elements of adjacent planes can then be arranged running in a crosswise manner with respect to each other.
  • the material of the heating resistor preferably has a smaller specific heat capacity than the material of which the shape holding elements consist.
  • the material of the heating resistor may have a specific heat capacity of 0.4 kJ / (kgK) to 0.8 kJ / (kgK), while the specific heat capacity of the material of the mold holding elements is in the range between 1.0 kJ / (kgK) and 1, 4 kJ / (kgK) can lie.
  • the abovementioned values of the specific heat capacities are based on the maximum storage temperature during the heating of the heat transfer fluid, which is preferably in the range between 900 ° C. and 1,300 ° C., preferably in the range between 1,000 ° C.
  • the material of the heating resistor has a higher density, so that the weight fraction of the heating resistor in the total weight of the heat storage module can be greater than the weight fraction of the shape-retaining elements in the total weight, in each case based on a specific volume of the heat storage module. Based on the specific volume of the heat storage module, this leads to a higher heat content of the heating resistor compared to the heat content of the mold holding elements. This makes it possible to achieve a small size of the heat storage module according to the invention with a high heat storage capacity.
  • the heat storage module can be formed only by a rod or wire-shaped heating conductor as a heating resistor and by a plurality of molded bricks and / or shape-retaining elements.
  • the heating element can be formed in one or more pieces and can be connected via two connection contacts for a current supply to a power grid.
  • the heating resistor and the molded blocks and / or shape-retaining elements are not separated to the outside by a housing which is sealed with respect to the heat-transfer fluid, so that the heating resistor and the shape-retaining elements can be bypassed or flowed through freely by the heat transfer fluid.
  • the invention preferably advantageously provides that the heating resistor is formed into a spatial structure defining the geometry of the heat storage module.
  • a wire extending in a plurality of spatial directions is provided as a heating conductor, wherein strip-shaped shape holding elements can then be arranged between adjacent conductor sections of the heating conductor in order to stabilize the heating conductor and prevent conductor sections from bending when the heat storage power plant is erected and / or during later operation and a short circuit connection is formed, through which a high current can flow, which leads to a destruction of the heating conductor.
  • a meandering heating conductor it may be helical or have a different profile. At the location of a wire and rods of an electrically conductive material at the ends can be connected to each other, so that there is a continuous heating conductor.
  • the dimensions of the heat storage module are determined in this context by the dimensions of the space created by straight and / or bent portions of the heat conductor. It is expedient that the space structure is cuboid, preferably cuboid, so that heat storage modules can be stacked in a simple manner. In this way, on the one hand, the transport of the heat storage modules to a construction site of the heat storage power plant is simplified and on the other created the possibility to reduce the space required for the heat storage at the site by stacking several heat storage modules on top of each other.
  • FIG. 1 is a schematic view of a heat storage module of a heat storage device according to the invention for a heat storage power plant in a perspective view obliquely from above,
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a possible embodiment of the heat storage module, a schematic side view of the heat storage module shown in FIG. 2, FIG.
  • FIG. 4 is a schematic representation of a heat storage row of a heat accumulator according to the invention, wherein the heat storage row has a plurality of heat storage modules,
  • FIG. 5 is a schematic representation of a flow cell of a heat accumulator according to the invention with a plurality of superposed heat storage rows
  • Fig. 6, 7 are each a schematic side view of an inventive
  • a heat accumulator with a plurality of juxtaposed arranged and subsequently flowed through by a working fluid of a heat storage power flow cells a schematic representation of a heat accumulator of the type shown in Figs. 6 and 7, wherein the working fluid is fed to a gas turbine, after flowing through the heat accumulator
  • FIG. 9 is a schematic representation of a first embodiment of a
  • Heat storage power plant with a heat accumulator of the type shown in Fig. 8, 10 shows an alternative embodiment of a heat storage power plant with a heat accumulator of the type shown in Fig. 8,
  • FIG. 11 shows a composite of molded bricks for a heat storage module according to the invention, the molded bricks forming a heat storage material of the heat storage module, in a schematic side view, FIG.
  • Fig. 12 is a plan view of the composite shown in Figure 1 1 and
  • FIG. 13 shows the course of a heating conductor through the composite shown in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 1 schematically shows a heat storage module 1 of a heat accumulator 2 shown in more detail in FIGS. 6 to 8.
  • the heat storage module 1 has a heating conductor 3 as a heating resistor, wherein the heating conductor 3 is bent in all spatial directions X, Y, Z of FIG. 1 meandering and forms a spatial structure that determines the geometry and dimensions of the heat storage module 1.
  • the spatial structure in the present case has a cube shape, but in principle may also have a different shape. However, the cube shape is advantageous because it allows the stacking of a plurality of heat storage modules 1 in a simple manner and thereby simplifies the transport and assembly.
  • the heating conductor 3 is formed by a high-resistance wire or high-resistance connected at the ends rods made of an electrically conductive material such as iron or steel.
  • the cube-shaped heat storage module 1 may have an edge length of about 1 m.
  • the metallic heating conductor 3 represents an electrical resistance in the heat storage module 1, wherein the material of the heating conductor 3 also fulfills a heat storage function.
  • the heat storage function is predominantly fulfilled by a heat storage material of the heat storage module 1, wherein the heat storage material may be chamotte or another ceramic material.
  • the heating conductor 3 is electrically contactable via a connection contact 4, 5, which are shown only schematically in FIG. 1 and which may be the ends of the heating conductor 3 in the simplest embodiment. Between straight and angled conductor sections of the heating element 3 schematically shown flow channels 6 are provided for a heat transfer fluid 13, the as a working fluid of a heat storage power plant 22, 23 shown schematically in Figs. 9 and 10 can be used.
  • the heating conductor 3 can be supplied with electricity from a power network, the electrical energy 25 being converted into heat energy and by the heating conductor 3 and preferably a heat storage material of the heat storage module 1, not shown in FIG , is stored.
  • the heat transfer fluid 13 can then be heated by direct or indirect heat transfer from the heating 3 and / or heat storage material, the proportion of heat content of the heating element 3 in the total heat content of the heat storage module 1 at a certain temperature in the range of 900 ° C. to 1300 ° C may be less than 20%, preferably less than 10%, in particular less than 5%.
  • the heat storage material then essentially determines the heat storage capacity of the heat storage module. 1
  • the heat storage module 1 it is also possible in principle that the heating element 3 takes over the actual heat storage function, in which case the proportion of heat content of the heating element 3 in the total heat content of the heat storage module 1 more than 50%, preferably more than 60%, more preferably more than 70%.
  • the heat content of the heating conductor 3 and the heat content of the heat storage material is based on the volume of the heat storage module 1, wherein the heat storage module 1 temperature range under consideration preferably has a total storage capacity of between 0.5 and 2 MWh / m 3, in particular of approximately 1 MWh / m 3 , may have.
  • a spatial arrangement of the heating conductor 3 can be stabilized with shape-retaining elements 7, 8 which are not electrically or only insignificantly conductive.
  • the heating conductor 3 is preferably made of iron or steel, the shape holding elements 7, 8, for example, chamotte or other ceramic material and are in the embodiment shown web or rod-shaped and arranged in several parallel planes one above the other. It can be provided that the proportion of the heat content of the shape retaining elements 7, 8 in the total heat content of the heat storage module 1 at a given temperature is less than 50%.
  • the shape holding elements 7, 8 of adjacent planes are arranged running crosswise to each other.
  • the heat storage module 1 it is such that this is formed only by the heating conductor 3, the connection elements 4, 5 (which may be part of the heating element 3) and by the heat storage material, for example formed as a shape retaining elements 7, 8.
  • the heat storage module 1 preferably has no insulation and / or no (gas-tight) housing, so that the heat storage module 1 can be flowed through by the heat transfer fluid 13.
  • the total weight of the heat conductor 3 of a heat storage module 1 relative to the volume of the heat storage module 1 can be between 3000 kg / m 3 and 4000 kg / m 3 , while the total weight of the heat storage material 1, for example the shape-retaining elements, also relates to the volume of the heat storage module 1 7, 8, between 500 kg / m 3 and 700 kg / m 3 can be.
  • a plurality of heat storage modules 1 may be arranged in a geometric heat storage row 10, wherein the heating conductors 3 of the heat storage modules 1 are connected in series in an electrical circuit.
  • the connection elements 4, 5 of adjacent heat exchanger modules 1 are electrically connected to each other.
  • the connection element 4 of a first and in Fig. 4 left outside illustrated heat storage module 1 of the heat storage 10 is electrically contacted with the connection element 5 of the last heat storage module 1 of the heat storage row 10, so that the heat storage row 10 shows an electrical total resistance 1 1.
  • the heating conductors 3 connected in series are flowed through by the same current when the heat storage row 10 is energized.
  • the total resistance 1 1 of the heat storage row 10 results from the sum of the individual resistances of the heat storage modules.
  • 1 5 shows a flow-through cell 12 of the heat accumulator 2 shown in FIGS. 6 to 8, which is formed by a plurality of heat storage rows 10 arranged one above the other.
  • the flow-through cell 12 can have, for example, 5 heat storage rows 10 stacked on top of one another, wherein the heat storage modules 1 of the heat storage rows 10 arranged one above the other can be flowed through from below by a heat transfer fluid 13. This is shown schematically in FIG.
  • a plurality of heat storage rows 10 of a flow cell 12 with switches 16 can, if necessary, be electrically connected in series or in parallel and / or the number of heat storage rows 10 energized can be changed as required.
  • the loading duration of the heat storage modules that is, the duration of the power consumption, in which a certain amount of electricity is converted into thermal energy, and the storage capacity of the heat accumulator 2 can be changed in a simple manner.
  • a first heat storage module 1 of a lowermost heat storage row 10 is electrically contacted with a last heat storage module 1 of an uppermost heat storage row 10.
  • the resulting total resistance 17 of the flow cell 12 depends on whether the heat storage rows 10 are connected in series or in parallel. By parallel connection of the heat storage rows 10 of the total electrical resistance 17 decreases, so that the duration of the power consumption decreases.
  • the heat accumulator 2 is shown schematically, wherein the heat accumulator 2 in the illustrated embodiment has ten juxtaposed flow cells 12. At least one adjustable shut-off element 18 is provided between adjacent flow-through cells 12, wherein a flow path of the heat transfer fluid 13 through the flow-through cell 12 is released by the shut-off element 18 and closed by the other adjacent flow-through cells 12. According to FIG. 6, the heat transfer fluid 13 only flows through the first throughflow cell 12 shown on the left in FIGS. 6 and 7, wherein the position of the first shut-off element 18 between the first and second flow-through cells 12 Flow through the further downstream flow cells 12 is excluded.
  • the first flow cell 12 When flowing through with the heat transfer fluid 13, the first flow cell 12 cools due to heat transfer from the heating resistors of the heat storage modules 1 of the first flow cell 12 to the heat transfer fluid 13. If a predetermined minimum temperature of the heat transfer is reached, the first shut-off element 18 according to FIG adjusted, so that the heat transfer fluid 13 subsequently flows only through the second flow cell 12 and is heated. The downstream in the flow direction further shut-off elements 18 of the further flow cells 12 are in a position which excludes a flow through the heat transfer fluid 13.
  • the heat storage modules 1 of the second flow cell 12 are discharged or cooled, the heat storage modules 1 of the third flow cell 12 are released by changing the position of the arranged between the second flow cell 12 and the third flow cell 12 shut-off element 18 for a flow with the heat transfer fluid 13. This process is repeated until the last flow cell 12 (shown on the far right in FIGS. 6 and 7) is discharged accordingly. Subsequently, it is necessary to recharge the flow cells 12, which takes place by energizing the heating resistors of the heat storage modules 1. It is understood that a discharge of the flow cells 12 by heat transfer to the heat transfer fluid 13 and a loading of the flow cells 12 by energization do not require that all flow cells 12 of the heat accumulator 2 are already unloaded or loaded.
  • the heat accumulator 2 is shown in perspective, wherein the heat accumulator 2 may have a thermal heat storage capacity of more than 100 MWh, for example, of 500 MWh.
  • the heat storage line is based on the thermal energy of the heat accumulator 2 at a maximum storage temperature between 900 ° C and 1300 ° C, preferably 1100 ° C to 1200 ° C, to which the heat storage fluid 13 can be heated in the heat storage 2.
  • the heat transfer fluid 13 can be supplied to a turbine 20 via a collector 19, wherein the heat transfer fluid 13 is expanded by performing mechanical work and the mechanical work is converted into electrical energy with a generator 21 shown in FIGS. 9 and 10 ,
  • a common insulation 22 which houses the flow-through cells 12, can be provided in order to reduce heat losses due to unwanted heat transfer to the environment.
  • each flow-through cell 12 can also be surrounded by a gas-tight or pressure-tight housing and thus encapsulated.
  • the heat transfer fluid 13 is compressed in the compressor 14 and then passes into a first regenerator 24.
  • the regenerator 24 is provided for preheating the heat transfer fluid 13.
  • the preheated heat transfer fluid 13 flows through the heat accumulator 2, the heat storage modules 1 have previously been heated by removal of electrical energy 25 from a power grid.
  • the heat transfer fluid 13 is heated by heat transfer from the heating conductors 3 and the shape retaining elements 7, 8 of the heat storage modules 1 of the heat accumulator 2 and then passes into a combustion chamber 26.
  • a gaseous energy source 27 such as natural gas or Biogas
  • a liquid energy source 28 such as methanol
  • the heat of combustion leads to a further heating of the heat transfer fluid 13, which is subsequently expanded in the turbine 20 while performing mechanical work.
  • the mechanical work is converted by the generator 22 into electrical energy 29, it being understood that the removal of electrical energy 25 from the power grid and the generation of electrical energy 29 and their supply to the power grid are time-delayed, to compensate for excess capacity to enable in the power grid.
  • the heat transfer fluid After the heat transfer fluid has been 13 relaxed in the turbine 20, it flows through a second regenerator 30, which is heated in the process. After the regenerator 30 has been heated, the flow paths are switched to the first cold regenerator 24 and to the second regenerator 30, so that the cooled heat carrier fluid 13 first re-enters the compressor 14 and, after compression, flows through the hot second regenerator 30, which now heats the heat carrier fluid 13 serves.
  • the first regenerator 24 When switching the first regenerator 24 enters the flow path of the hot heat transfer fluid 13 after exiting the turbine 20 and is recharged.
  • regenerators 24, 30 so-called Pebble Heater provided.
  • the illustrated system concept allows a partial flow of the heat transfer fluid 13 to be supplied to the combustion chamber 26 via a bypass line 31 shown in dashed lines in FIG. 9 in order to correspondingly increase the temperature level of the heat transfer fluid 13 at the exit from the combustion chamber 26 regulate.
  • the heat transfer fluid 13 is guided in a closed circuit, it also being possible for the heat carrier fluid 13 to be nitrogen, so that corrosion of the heating conductors 3 when flowing through the heat accumulator 2 with the heat transfer fluid 13 can be largely ruled out.
  • FIG. 10 another embodiment of a heat storage power plant 23 is shown.
  • a preheating of the heat transfer fluid 13 by means of regenerators 24, 25 is not provided according to FIG. Instead, the residual heat of the heat transfer fluid 13 is used after exiting the turbine 20 in a steam cycle shown schematically 32 for superheating of steam, which is expanded in a steam turbine 33.
  • the mechanical work done in this process is converted into electricity by a further generator 34, which is fed into the power grid at high power demand together with the current generated in the turbine 20 during the expansion of the heat transfer fluid 13 in the turbine 20.
  • the downstream steam cycle 32 allows utilization of the heat energy still contained in the heat transfer fluid 13 after exiting the turbine 20 for power generation, resulting in a higher efficiency in power generation.
  • FIGS. 11 to 13 each show a composite 35 formed by a plurality of molding blocks 36 arranged next to one another and one above the other for a heat storage module 1.
  • the molded blocks 36 form a heat storage material of the heat storage module 1, wherein at a temperature in the range of 900 ° C to 1300 ° C, in particular in the range of 1 100 ° C to 1200 ° C, more than 80%, preferably more than 90%, on preferably more than 95% of the total total heat content of the heat storage module 1 is formed by the heat content of the molded blocks 36.
  • the heating conductor 3 can once again penetrate the shaped stones 36 in all three spatial directions of the heat storage module 1 in a meandering manner.
  • the heating conductor 3 has a smaller diameter than the passage openings 37, so that an annular gap is formed between the heating conductor 3 and the shaped bricks 36, which can form a throughflow opening for the heat transfer fluid 13.
  • the shaped bricks 36 may also be possible for the shaped bricks 36 to have passage openings for the heating conductor 3 and / or for the heat transfer fluid 13. A separation of the heating conductor 3 from the heat transfer fluid 13 may be appropriate to prevent corrosion damage to the heating element 3 due to contact with the heat transfer fluid 13.
  • the shaped bricks 36 have projections 38, which cooperate with corresponding indentations 39 on the underside of the shaped bricks 36, so that it is possible in a simple manner to stack the bricks 36 one above the other with high stability of the composite 35 and thereby achieve an exact alignment of the bricks To ensure flow openings 38 between the blocks 36.
  • an electrically heatable heat accumulator (2) for the conversion of electrical energy into thermal energy at low-consumption times and for the storage and time-shifted transfer of thermal energy to a working fluid of a heat storage power plant (22, 23) comprising at least one heat storage module (1), wherein the heat storage module (1) at least one electrical heating resistor and the heating resistance surrounding flow channels for the working fluid of the heat storage power plant (22, 23), wherein the heating resistor can be energized by the removal of electrical energy (25) from a power grid and the electrical energy is converted into thermal energy and stored by the heating resistor, wherein the working fluid can be heated by direct heat transfer from the heating resistor and wherein the proportion of heat content of the at least one heating Resistance to the total heat content of the heat storage module (1) is at least 30%; and / or wherein the heat storage module (1) has at least one shape-retaining element (7, 8) of a material with lower electrical conductivity compared to the heating resistor for stabilizing the heating resistor and / or for mutual insulation of
  • a further aspect of the invention can be a heat storage power plant (22, 23) designed for removing electrical energy (25) from a power grid in low-consumption periods and the delayed delivery of electrical energy (29) at high power demand, with at least one by removal of electrical energy ( 25) from the power grid electrically heatable heat storage (2), with at least one heat storage (2) upstream compressor (14) for compressing a working fluid and at least one heat storage (2) downstream turbine (20) for expanding the in the heat storage (2 ) heated working fluid while performing mechanical work and with a generator (21) for converting the mechanical work into electrical energy (29).

Abstract

The invention relates to an electrically heatable heat accumulator (2) for converting electrical energy into thermal energy and for the storage of the thermal energy and time-shifted transfer of the thermal energy to a heat-accumulator power plant (22, 23), wherein the transferred thermal energy is converted back into electrical energy via mechanical energy in the heat-accumulator power plant (22, 23), and/or for the time-shifted output of process heat, comprising a plurality of heat accumulator modules (1), wherein each heat accumulator module (1) has at least one electrical heating resistor (3) for converting electrical energy into thermal energy, at least one heat-storage material that can be heated by the heating resistor (3), and flow channels for a heat-transfer fluid (13) and wherein heat accumulator modules (1) can be individually controlled and can be supplied with current independently of each other for the partial or complete charging of the heat accumulator (2).

Description

Wärmespeicher und Wärmespeicherkraftwerk  Heat storage and heat storage power plant
Die Erfindung betrifft einen elektrisch beheizbaren Wärmespeicher zur Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie, insbesondere zur Nutzung von Überkapazitäten in einem Stromnetz und/oder zur Sicherstellung der Netzstabilität eines Stromnetzes, und/oder zur Umwandlung fluktuierend anfallender elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen, wie Wind- und/oder Sonnenenergie, und zur Speicherung und zeitversetzten Übertragung der thermischen Energie an ein Wärmespeicherkraftwerk, wobei die übertragene thermische Energie in dem Wärmespeicherkraftwerk über mechanische Energie in elektrische Energie rückumgewandelt wird, und/oder zur zeitversetzten Auskopplung von Prozesswärme. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Wärmespeicherkraftwerk mit wenigstens einem Wärmespeicher der zuvor genannten Art. The invention relates to an electrically heatable heat accumulator for converting electrical energy into thermal energy, in particular for using overcapacities in a power grid and / or for ensuring the grid stability of a power grid, and / or for converting fluctuating electrical energy from renewable energy sources, such as wind energy. and / or solar energy, and for the storage and time-shifted transmission of thermal energy to a heat storage power plant, wherein the transmitted thermal energy is converted back into electrical energy in the heat storage power plant via mechanical energy, and / or for time-delayed extraction of process heat. Moreover, the present invention relates to a heat storage power plant with at least one heat accumulator of the aforementioned type.
Die Erschließung und die Nutzbarmachung erneuerbarer regenerativer Energiequellen, wie beispielsweise der Wind- und Sonnenenergie, aber auch der Erdwärme und der Gezeitenenergie, alternativ oder parallel zur konventionellen Energieerzeugung aus fossilen Energieträgern, gewinnt vor dem Hintergrund sich langfristig erschöpfender fossiler Brennstoffe und der Erderwärmung durch Klimagase immer mehr an Bedeutung. The development and utilization of renewable renewable energy sources, such as wind and solar energy, but also geothermal and tidal energy, alternatively or in parallel to conventional energy production from fossil fuels, always wins against the background of long-term exhausting fossil fuels and global warming by climate gases more important.
Im Bereich der Nutzung regenerativer Energiequellen zur Stromerzeugung ist von Nachteil, dass die naturgegebene Angebotssituation schwer zu prognostizieren ist und natürlichen Schwankungen unterliegt. Beispielsweise treten aufgrund von wit- terungs-, tages- oder jahreszeitbedingten Änderungen entweder Energieerzeugungsspitzen oder aber auch Energieerzeugungstäler bei der regenerativen Energieerzeugung auf. Der schwankenden, insbesondere auf witterungs-, tages- oder jahreszeitbedingte Einflüsse zurückzuführenden Stromproduktion steht eine nicht konstante Stromnachfrage durch den Verbraucher gegenüber. In the area of the use of renewable energy sources for power generation is disadvantageous that the natural supply situation is difficult to predict and subject to natural fluctuations. For example, due to changes in weather, daily or seasonally, either energy generation peaks or else energy production valleys occur in regenerative energy production. The fluctuating electricity production, due in particular to weather, daily or seasonal influences, is offset by a non-constant demand for electricity by the consumer.
Wird Strom aus regenerativen Energiequellen in ein öffentliches Stromnetz eingespeist, können Energieerzeugungsspitzen und Energieerzeugungstäler zu erheblichen Problemen führen, da die Anpassung der Kraftwerkstechnologie an schwankende in das Stromnetz eingespeiste Strommengen nur unter erheblichem Aufwand möglich sind. Beispielsweise treten bei der Erzeugung von elektrischer Energie aus Windenergie witterungsbedingte Unabwägbarkeiten der Stromproduktion auf, wobei konventionell betriebene Kraftwerke in Spitzenabnahmezeiten bei Windflaute mit Höchstlast gefahren werden, während beispielsweise in Zeiten, in welchen ausreichend Wind zur Stromerzeugung zur Verfügung steht, die Energieabnahmemengen so gering sein können, dass das Kraftwerk mit Unterlast gefahren werden muss, was zu einem höheren Kohlendioxidausstoß führt. Wenn darüber hinaus Betreiber von Windkraftanlagen den Strom aufgrund einer drohenden Netzüberlastung nicht in das Stromnetz einspeisen können, ist eine Abschaltung der Windkraftanlage geboten, was zu einer Abnahme der Wirtschaftlichkeit beim Betrieb der Windkraftanlage führt. If electricity from renewable energy sources is fed into a public power grid, power generation peaks and power generation valleys can lead to significant problems, since adapting power plant technology to fluctuating amounts of electricity fed into the power grid is only possible with considerable effort. For example, occur in the production of electrical energy from wind energy weather-related unpredictability of electricity production, conventionally operated power plants are driven in peak times when wind down with maximum load, while, for example, in times in which sufficient wind is available to generate electricity, the energy purchase quantities can be so low that the power plant must be underloaded, resulting in higher carbon dioxide emissions. Moreover, if operators of wind turbines can not feed the electricity due to impending network overload in the power grid, a shutdown of the wind turbine is required, resulting in a decrease in the efficiency of the operation of the wind turbine.
Im Bereich der Nutzung regenerativer Energiequellen zur Stromerzeugung besteht daher vor dem Hintergrund des Ausgleichs von Erzeugungsspitzen und Erzeugungstälern ein Bedarf nach einem wirtschaftlichen und effizienten Verfahren zum Speichern von regenerativ erzeugter und/oder überschüssiger elektrischer Energie. Therefore, in the field of using regenerative energy sources for power generation, there is a need for an economical and efficient method for storing regeneratively generated and / or excess electrical energy against the background of the balancing of production peaks and production valleys.
Aus der EP 1 577 548 A1 und der EP 1 577 549 A1 sind Verfahren zur Speicherung von Energie und zur Stromerzeugung bekannt, wobei mit aus erneuerbaren Energien, wie Wind- bzw. Sonnenenergie, erzeugter elektrischer Energie ein Wärmespeicher erwärmt wird. Bei Bedarf wird die Wärme im Wärmespeicher genutzt, um Dampf zu erzeugen, der direkt einem thermodynamischen Prozess in einer Dampfturbine zugeführt wird, wobei die Dampferzeugung gegebenenfalls konventionell ergänzt wird. Ein ähnliches Verfahren ist aus der WO 2009/1 12421 A1 bekannt, wobei bei einer Vorrichtung zur Nutzung von Überkapazitäten im Stromnetz ein Wärmespeicher, ein Heizelement zur Speicherung von Energie aus dem Stromnetz im Wärmespeicher und ein Wärmetauscher mit einer Primärseite und einer Sekundärseite vorgesehen sind, wobei die Primärseite zur Ausspeicherung von Wärme aus dem Wärmespeicher thermisch an den Wärmespeicher angekoppelt ist und wobei die Sekundärseite in eine Kraftwerksanlage geschaltet ist und die Kraftwerksanlage eine Gasturbine umfasst. EP 1 577 548 A1 and EP 1 577 549 A1 disclose processes for storing energy and generating electricity, wherein a heat accumulator is heated by means of renewable energy, such as wind energy or solar energy. If necessary, the heat is used in the heat storage to generate steam that is fed directly to a thermodynamic process in a steam turbine, the steam generation is optionally complemented conventionally. A similar method is known from WO 2009/1 12421 A1, wherein a heat storage, a heating element for storing energy from the power grid in the heat storage and a heat exchanger having a primary side and a secondary side are provided in a device for using excess capacity in the power grid, wherein the primary side is thermally coupled to the heat storage for the removal of heat from the heat storage and wherein the secondary side is connected in a power plant and the power plant comprises a gas turbine.
Die US 5,384,489 beschreibt eine Vorrichtung, bei der durch Windenergie elektrische Energie erzeugt wird, mit der ein Heizelement betrieben wird, um ein Fluid in einem Speichertank aufzuheizen, sowie eine Vorrichtung, um die gespeicherte Energie aus dem Tank wieder zu entnehmen. Die aus dem Speichertank entnommene Energie wird zur Raumheizung/Raumkühlung, zum Kühlen allgemein, zur Entsalzung, vorzugsweise jedoch für die Dampferzeugung zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet. US 5,384,489 describes an apparatus in which electrical energy is generated by wind energy, with which a heating element is operated to heat a fluid in a storage tank, and a device to withdraw the stored energy from the tank again. The energy extracted from the storage tank is used for space heating / room cooling, for cooling in general, Desalination, but preferably used for steam generation to generate electricity.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmespeicher und ein Wärme- speicherkraftwerk der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei der Wärmespeicher eine geringe Speicherkomplexität aufweisen soll. Der Wärmespeicher und das Wärmespeicherkraftwerk sollen eine einfache und kostengünstige Nutzung von Überkapazitäten im Stromnetz zulassen. Insbesondere soll der Abbau von Überkapazitäten im Stromnetz und das zur Verfügung stellen von elektrischer Leistung bei kurzzeitigen hohen Verbrauchsspitzen möglichst flexibel und in möglichst kurzer Zeit möglich sein. Object of the present invention is to provide a heat storage and a heat storage power plant of the type mentioned, the heat storage should have a low memory complexity. The heat storage and the heat storage power plant should allow a simple and cost-effective use of excess capacity in the power grid. In particular, the reduction of excess capacity in the power grid and the provision of electrical power at short-term high consumption peaks should be as flexible and as short a time as possible.
Die vorgenannten Aufgaben werden durch einen elektrisch beheizbaren Wärmespeicher mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 und durch ein Wärmespeicherkraftwerk mit den Merkmalen von Patentanspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. The above objects are achieved by an electrically heatable heat storage with the features of claim 1 and by a heat storage power plant with the features of claim 12. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
Der erfindungsgemäße Wärmespeicher weist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Mehrzahl von Wärmespeichermodulen auf, wobei jedes Wärmespeichermodul wenigstens einen elektrischen Heizwiderstand zur Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie, wenigstens ein durch den Heizwiderstand aufheizbares Wärmespeichermaterial und Strömungskanäle für ein Wär- meträgerfluid aufweist und wobei für eine teilweise oder vollständige Beladung des Wärmespeichers mehrere Wärmespeichermodule, vorzugsweise alle Wärmespeichermodule, individuell bzw. einzeln ansteuerbar und unabhängig voneinander bestrombar sind. Dazu können eine entsprechende elektrische Schaltung und wenigstens ein Schalter sowie, vorzugsweise, eine Steuer- oder Regelungseinrichtung zur Steuerung oder Regelung der Anzahl der bestromten Wärmespeichermodule vorgesehen sein. Die Anzahl der bestromten Wärmespeichermodule wird dabei in Abhängigkeit von der verfügbaren bzw. einem Stromnetz zu entnehmenden Strommenge festgelegt. Dies lässt es zu, sehr schnell auf wechselnd verfügbare Strommengen zu reagieren. Je nach Verfügbarkeit von überschüssigem Strom in einem Stromnetz kann die Anzahl der bestromten Wärmespeichermodule verändert werden, um eine möglichst große Strommenge aus dem Stromnetz entnehmen zu können. In a preferred embodiment of the invention, the heat storage device has a plurality of heat storage modules, each heat storage module having at least one electrical heating resistor for converting electrical energy into heat energy, at least one heat storage material heatable by the heating resistor, and flow channels for a heat transfer fluid, and wherein partial or complete loading of the heat accumulator several heat storage modules, preferably all heat storage modules, individually or individually controllable and can be energized independently. For this purpose, a corresponding electrical circuit and at least one switch and, preferably, a control or regulating device for controlling or regulating the number of the energized heat storage modules can be provided. The number of energized heat storage modules is determined depending on the available or a power grid to be taken amount of electricity. This allows reacting very quickly to varying amounts of electricity. Depending on the availability of excess electricity in a power grid, the number of heat storage modules energized can be changed in order to be able to extract the largest possible amount of electricity from the power grid.
Der erfindungsgemäße Wärmespeicher lässt eine sehr schnelle Netzstabilisierung zu und zeichnet sich durch eine geringe Speicherkomplexität aus. Durch Bestro- men von einem Wärmespeichermodul oder von mehreren Wärmespeichermodulen lassen sich unterschiedlich große Strommengen sehr schnell in thermische Energie umwandeln, die dann zeitversetzt in verbrauchstärkeren Zeiten an das Wärmeträgerfluid übertragen wird. Anschließend erfolgt die Rückverstromung im Wärmespeicherkraftwerk. The heat storage according to the invention allows a very fast network stabilization and is characterized by a low storage complexity. Through Men of a heat storage module or multiple heat storage modules can be different amounts of electricity very quickly converted into thermal energy, which is then transferred time-shifted in more fuel-intensive times to the heat transfer fluid. Subsequently, the reconversion takes place in the heat storage power plant.
Der erfindungsgemäße Wärmespeicher weist einen modularen Aufbau mit einer Mehrzahl elektrisch beheizbarer Wärmespeichermodule auf, wobei jedes Wärmespeichermodul wenigstens einen separaten elektrischen Heizwiderstand aufweist und wobei der Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichers im wesentlichen der Summe der Wärmeinhalte der Wärmespeichermodule entspricht. Durch Bestro- mung des Heizwiderstandes lässt sich elektrische Energie vom Heizwiderstand in Wärmeenergie umwandeln, die zumindest teilweise an das Wärmespeichermaterial übertragen und dann überwiegend vom Wärmespeichermaterial und zu einem geringeren Anteil auch vom Heizwiderstand gespeichert wird. The heat accumulator according to the invention has a modular construction with a plurality of electrically heatable heat storage modules, wherein each heat storage module has at least one separate electrical heating resistor and wherein the total heat content of the heat storage substantially equal to the sum of the heat contents of the heat storage modules. By energizing the heating resistor, electrical energy from the heating resistor can be converted into heat energy, which is at least partially transferred to the heat storage material and then stored predominantly by the heat storage material and to a lesser extent by the heating resistor.
Das Wärmeträgerfluid kann als Arbeitsfluid in einem Kraftwerksprozess eingesetzt werden. Das Wärmespeicherkraftwerk kann beispielsweise wenigstens einen dem Wärmespeicher vorgeschalteten Verdichter zur Komprimierung des Wärmeträger- fluides und wenigstens eine dem Wärmespeicher nachgeschaltete Turbine zum Expandieren des im Wärmespeicher erwärmten Wärmeträgerfluides unter Verrichtung von mechanischer Arbeit und einen Generator zur Umwandlung der mechanischen Arbeit in elektrische Energie aufweisen. Bei dieser Ausführungsform durchströmt das Wärmeträgerfluid, bei dem es sich vorzugsweise um verdichtete Luft handelt, den Wärmespeicher und dient dann als Arbeitsfluid im Kraftwerksprozess. Der Wärmespeicher kann in diesem Zusammenhang als Druckbehälter ausgebildet sein und/oder es können die Strömungskanäle für das Wärmeträgerfluid unter Überdruck stehen. Alternativ kann auch Wasser als Arbeitsfluid eines Dampfkreislaufs den Wärmespeicher durchströmen und in einer Dampfturbine des Wärmespeicherkraftwerkes entspannt werden. Auch kann das Wärmeträgerfluid als Arbeitsfluid in kombinierten Gas- und Dampfprozessen genutzt werden. Auch eine indirekte Wärmeübertragung von dem den Wärmespeicher durchströmenden Wärmeträgerfluid an ein Arbeitsfluid des Kraftwerksprozesses ist möglich. Hierzu erfolgt eine Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeträgerfluid und dem Arbeitsfluid vorzugsweise über wenigstens einen den Wärmespeicher nachgeschalteten Wärmeübertrager. Beispielsweise kann heiße Luft aus dem Wärmespeicher dazu vorgesehen sein, Dampf als Arbeitsmedium für einen Dampfprozess und/oder einen kombinierten Gas- und Dampfprozess zu erzeugen. Das Wärmespeichermodul weist vorzugsweise einen oder auch mehrere Heizwiderstände auf, wobei jeder Heizwiderstand vorzugsweise gebildet wird durch einen hochohmigen Draht oder Stab aus elektrisch-leitfähigem Material, insbesondere aus Eisen oder Stahl, wie Baustahl oder Betonstahl, der als Bewehrung in Stahlbeton eingesetzt wird. Auch können Edelstahle Verwendung finden. Vorzugsweise besteht der Heizwiderstand aus einer Eisen-Aluminium-Legierung, wobei durch Aluminium eine passivierende bzw. korrosionshemmende Oberflächenschicht des Heizleiters ausgebildet werden kann. Als Material für den Heizwiderstand kann auch eine Chrom-Nickel-Legierung eingesetzt werden. Der Draht oder Stab bildet dann einen Heizleiter des Wärmespeichermoduls. Der Heizwiderstand ist vorzugsweise einteilig ausgebildet, kann aber auch aus mehreren elektrisch miteinander verbundenen Leiterabschnitten bestehen. Darüber hinaus muss der Heizwiderstand nicht als hochohmiger Draht oder hochohmiger Stab ausgebildet sein. Als Heizwiderstand kann beispielsweise auch eine Heizpatrone vorgesehen sein, nämlich eine zylindrische Metallpatrone als Gehäuse mit einer innenliegenden gewendeten Heizwicklung. Wesentlich ist, dass der Heizwiderstand erfindungsgemäß durch Bestromung erwärmt wird und seine Wärme direkt an das Arbeitsfluid abgeben kann. The heat transfer fluid can be used as a working fluid in a power plant process. The heat storage power plant may, for example, at least one of the heat accumulator upstream compressor for compressing the heat transfer fluid and at least one turbine downstream of the heat storage for expanding the heated heat storage in the heat transfer fluid performing mechanical work and a generator for converting the mechanical work into electrical energy. In this embodiment, the heat transfer fluid, which is preferably compressed air, flows through the heat accumulator and then serves as working fluid in the power plant process. The heat accumulator may be formed in this context as a pressure vessel and / or it may be the flow channels for the heat transfer fluid under pressure. Alternatively, water as a working fluid of a steam cycle can flow through the heat accumulator and be expanded in a steam turbine of the heat storage power plant. Also, the heat transfer fluid can be used as working fluid in combined gas and steam processes. Also, an indirect heat transfer from the thermal storage medium flowing through the heat transfer fluid to a working fluid of the power plant process is possible. For this purpose, a heat transfer between the heat transfer fluid and the working fluid is preferably carried out via at least one heat exchanger downstream of the heat exchanger. For example, hot air from the heat accumulator may be provided to generate steam as a working medium for a steam process and / or a combined gas and steam process. The heat storage module preferably has one or more heating resistors, wherein each heating resistor is preferably formed by a high-resistance wire or rod made of electrically conductive material, in particular iron or steel, such as structural steel or reinforcing steel, which is used as reinforcement in reinforced concrete. Also stainless steels can be used. Preferably, the heating resistor consists of an iron-aluminum alloy, wherein a passivating or corrosion-inhibiting surface layer of the heating conductor can be formed by aluminum. As a material for the heating resistor and a chromium-nickel alloy can be used. The wire or rod then forms a heating conductor of the heat storage module. The heating resistor is preferably formed in one piece, but may also consist of a plurality of electrically interconnected conductor sections. In addition, the heating resistor need not be designed as a high-resistance wire or high-resistance rod. As a heating resistor, for example, a heating cartridge may be provided, namely a cylindrical metal cartridge as a housing with an inside turned heating coil. It is essential that the heating resistor is heated according to the invention by energization and can deliver its heat directly to the working fluid.
Jeder Heizwiderstand ist über Anschlusskontakte des Wärmespeichermoduls mit einem Stromnetz verbindbar. Weist das Wärmespeichermodul mehrere Heizwiderstände auf, können diese in einer beliebigen Schaltungsanordnung elektrisch miteinander verbunden sein, wobei grundsätzlich bereits zwei Anschlusskontakte ausreichen, um mehrere oder alle Heizwiderstände eines Wärmespeichermoduls zu bestromen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass bei einer Mehrzahl von Heizwiderständen jeder Heizwiderstand über separate Anschlusskontakte mit dem Stromnetz verbindbar ist. Each heating resistor can be connected via connection contacts of the heat storage module with a power grid. If the heat storage module has a plurality of heating resistors, these can be electrically connected to one another in any circuit arrangement, with basically two connection contacts already being sufficient to supply several or all of the heating resistors of a heat storage module. However, it can also be provided that, in the case of a plurality of heating resistors, each heating resistor can be connected to the power supply system via separate connecting contacts.
Die Wärmespeicherleistung des Wärmespeichermoduls liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 MWh und 10 MWh, weiter vorzugsweise zwischen 1 MWh und 5 MWh. Die auf das Volumen des Wärmespeichermoduls bezogene Beladeleistung des Wärmespeichermoduls kann zwischen 0,1 MWthermisc m3 bis 5 MWthermisch/m3, vorzugsweise zwischen 0,5 MWthermisch m3 bis 1 ,5 MWthermisch m3, insbesondere ca. 0,8 MWthermisch/m3, betragen. Die Gesamt-Wärmespeicherleistung des Wärmespeichers kann mehr als 10 MWh, vorzugsweise mehr als 100 MWh, weiter vorzugsweise mehr als 500 MWh, betragen. Die angegebenen Leistungen beziehen sich auf die thermische Speicherkapazität bzw. den Wärmeinhalt des Wärmespeichers bei einer maximalen Speichertemperatur im Bereich zwischen 900 °C und 1.300 °C, vorzugsweise im Bereich zwischen 1.000 °C und 1.200 °C, weiter vorzugsweise im Bereich von 1.100 °C. Mit einem Leistungsbereich von mehr als 100 MWh tritt das erfindungsgemäße Wärmespeicherkraftwerk in Konkurrenz zu Pumpspeicherkraftwerken und Druckluftspeicherkraftwerken und lässt sich großtechnisch zur Stromerzeugung/-speicherung nutzen. Hierbei zeichnet sich das erfindungsgemäße Wärmespeicherkraftwerk gegenüber Pumpspeicherkraftwerken und Druckluftspeicherkraftwerken durch eine deutlich geringe Anlagenkomplexität aus und ist insbesondere nicht auf das Vorhandensein bestimmter geographischer Gegebenheiten angewiesen, so dass eine im Vergleich zu Pumpspeicherkraftwerken und Druckluftspeicherkraftwerken deutlich günstigere Nutzung von Überkapazitäten im Stromnetz bei hohem Wirkungsgrad, d. h. bei geringen Energieumwandlungsverlusten, möglich ist. Grundsätzlich lässt sich das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem allerdings auch für nicht-großtechnische Anwendungen mit Speicherkapazitäten von unter 20 MWh nutzen. The heat storage capacity of the heat storage module is preferably in the range between 0.5 MWh and 10 MWh, more preferably between 1 MWh and 5 MWh. The loading capacity of the heat storage module related to the volume of the heat storage module can be between 0.1 MW t hermisc m 3 to 5 MW t hermic / m 3 , preferably between 0.5 MWthermisch m 3 to 1, 5 MWthermisch m 3 , in particular approximately 0, 8 MWthermisch / m 3 , amount. The total heat storage capacity of the heat accumulator may be more than 10 MWh, preferably more than 100 MWh, more preferably more than 500 MWh. The specified performances refer to the thermal storage capacity or the heat content of the heat accumulator at a maximum storage temperature in the range between 900 ° C and 1,300 ° C, preferably in the range between 1000 ° C and 1200 ° C, more preferably in the range of 1100 ° C. With a power range of more than 100 MWh, the heat storage power plant according to the invention competes with pumped-storage power plants and compressed-air storage power plants and can be used industrially for power generation / storage. Here, the heat storage power plant according to the invention over pumped storage power plants and compressed air storage power plants is characterized by a significantly low system complexity and in particular does not rely on the presence of specific geographic conditions, so that compared to pumped storage power plants and compressed air storage power plants significantly cheaper use of excess capacity in the power grid with high efficiency, ie at low energy conversion losses. In principle, however, the heat storage system according to the invention can also be used for non-large-scale applications with storage capacities of less than 20 MWh.
Vorzugsweise weist jedes Wärmespeichermodul des Wärmespeichers dieselben Abmessungen auf. Das Wärmespeichermodul kann quaderförmig ausgebildet sein und in Abhängigkeit von dem verwendeten Material des Heizleiters eine Grundfläche von vorzugsweise ca. 1 m2 bis 16 m2 aufweisen, bei einer Höhe von vorzugsweise 1 m bei einfachen Heizleitern aus Stahl oder Eisen bis zu einer Höhe von 4 m bei hochfesten Heizleitern, beispielsweise aus Siliciumcarbid. Bei der vorgenannten Dimensionierung des Wärmespeichermoduls ist eine hohe Stabilität der Formgebung des Heizleiters im Wärmespeichermodul gewährleistet. Preferably, each heat storage module of the heat accumulator has the same dimensions. The heat storage module may be parallelepiped-shaped and, depending on the material used of the heat conductor, a base area of preferably about 1 m 2 to 16 m 2 , at a height of preferably 1 m for simple heating conductors made of steel or iron up to a height of 4 m for high-strength heaters, such as silicon carbide. In the aforementioned dimensioning of the heat storage module, a high stability of the shape of the heat conductor in the heat storage module is ensured.
Wenngleich grundsätzlich jedes Wärmespeichermodul des Wärmespeichers individuell, d. h. unabhängig von den anderen Wärmespeichermodulen, ansteuerbar und bestrombar sein kann, liegt es im Rahmen der Erfindung, dass mehrere Wärmespeichermodule des Wärmespeichers in einem elektrischen Schaltkreis in Reihe und/oder parallel schaltbar und damit gemeinsam ansteuerbar bzw. bestrombar sind. Hierzu sind die Heizwiderstände der Wärmespeichermodule über Anschlusskontakte elektrisch miteinander verbunden. Zur Ausbildung einer Reihen- oder Parallelschaltung der Heizwiderstände kann wenigstens ein Schalter vorgesehen sein. Um die Anzahl der in Reihe und/oder parallel geschalteten Wärmespeichermodule in Abhängigkeit von der gewünschten Stromaufnahme zu verändern, kann eine Steuer- oder Regeleinrichtung vorgesehen sein. Although basically each heat storage module of the heat storage individually, d. H. irrespective of the other heat storage modules, can be controlled and energized, it is within the scope of the invention that a plurality of heat storage modules of the heat accumulator in an electrical circuit in series and / or parallel switchable and thus are jointly controlled or energized. For this purpose, the heating resistors of the heat storage modules are electrically connected to one another via connection contacts. To form a series or parallel connection of the heating resistors, at least one switch can be provided. In order to change the number of heat storage modules connected in series and / or in parallel as a function of the desired current consumption, a control or regulating device may be provided.
Im Übrigen kann wenigstens ein weiterer Schalter vorgesehen sein, der es zulässt, die in dem Wärmespeicher in Wärme umgewandelte Strommenge durch bedarfs- weise Änderung der Anzahl der bestromten Heizwiderstände bzw. der Anzahl der bestromten Wärmespeichermodule zu verändern und zu steuern. Mit anderen Worten, es kann ein Schalter vorgesehen sein, mit dem sich einzelne Wärmespeichermodule bzw. deren Heizwiderstände bedarfsweise an das Stromnetz anschließen bzw. vom Stromnetz trennen lassen, um bedarfsweise mehr oder weniger elektrische Leistung aus dem Stromnetz zu entnehmen und in Wärme umzuwandeln. Es kann eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung vorgesehen sein, die eine weitgehend automatisierte Steuerung und/oder Regelung der Wärmespeicherleistung zulässt. Incidentally, at least one further switch can be provided, which allows the amount of electricity converted into heat in the heat accumulator to be replaced by required wise change the number of energized heating resistors or the number of energized heat storage modules to change and control. In other words, a switch can be provided with which individual heat storage modules or their heating resistors can be connected to the power supply or disconnected from the power supply, if necessary, to remove more or less electric power from the power supply and to convert it into heat. It can be provided a control and / or regulating device that allows a largely automated control and / or regulation of the heat storage capacity.
Der modulare Aufbau des erfindungsgemäßen Wärmespeichers eröffnet die Möglichkeit, dass der Wärmespeicher wenigstens eine Durchströmungszelle für das Wärmeträgerfluid aufweist, wobei die Durchströmungszelle eine Mehrzahl von vorzugsweise übereinander angeordneten Wärmespeichermodulen aufweist und wobei die Wärmespeichermodule einer Durchströmungszelle bei der Entladung des Wärmespeichers nachfolgend vom Wärmeträgerfluid durchströmt werden. The modular design of the heat accumulator according to the invention opens up the possibility that the heat accumulator has at least one flow cell for the heat transfer fluid, wherein the flow cell has a plurality of preferably superimposed heat storage modules and wherein the heat storage modules of a flow cell in the discharge of the heat storage are subsequently flowed through by the heat transfer fluid.
Die Wärmespeichermodule einer Durchströmungszelle können individuell ansteuerbar und unabhängig von den anderen Wärmespeichermodulen der Durchströmungszelle bestrombar sein. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass alle oder mehrere Heizwiderstände der Wärmespeichermodule einer Durchströmungszelle mit wenigstens einem Schalter in einem elektrischen Schaltkreis in Reihe und/oder parallel schaltbar und damit gemeinsam bestrombar sind. The heat storage modules of a flow cell can be energized individually and can be energized independently of the other heat storage modules of the flow cell. Preferably, however, it is provided that all or more heating resistors of the heat storage modules of a flow cell with at least one switch in an electrical circuit in series and / or parallel switchable and thus can be supplied with current.
Der erfindungsgemäße Wärmespeicher weist vorzugsweise mehrere getrennt voneinander von dem Wärmeträgerfluid durchströmbare Durchströmungszellen auf, wobei der Durchfluss des Wärmeträgerfluides durch jede Durchströmungszelle individuell absperrbar oder regelbar ist. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass jede Durchströmungszelle für eine teilweise oder vollständige Beladung des Wärmespeichers individuell ansteuerbar und die Wärmespeichermodule jeder Durchströmungszelle unabhängig von den Wärmespeichermodulen der anderen Durchströmungszellen bestrombar sind. Es versteht sich, dass eine entsprechende Schaltung und, vorzugsweise, eine entsprechend ausgebildete Steuer- oder Regelungseinrichtung vorgesehen sein können, um bedarfsweise eine oder mehrere Durchströmungszellen von dem Wärmeträgerfluid durchströmen zu lassen. Dadurch lässt sich die Wärme, die aus dem Wärmespeicher entnommen und im Wärmespeicherkraftwerk zur Rückverstromung vorgesehen wird, in schneller und einfacher Weise an den tatsächlichen Strombedarf anpassen. Beispielsweise kann nachfolgend jeweils lediglich eine Durchströmungszelle vom Wärmeträgerfluid durchströmt werden, bis diese Durchströmungszelle entladen ist und die Speichertemperatur der Speichermodule dieser Durchströmungszelle einen vorgegebenen Mindestwert erreicht oder unterschritten hat. Sodann wird die nächste Durchströmungszelle freigegeben und vom Wärmeträgerfluid durchströmt, während die jeweils zuletzt durchströmte(n) entladene(n) Zelle(n) für das Wärmeträgerfluid gesperrt wird bzw. werden. Die Beladung der Durchströmungszellen durch Bestromung der Wärmespeichermodule kann zeitversetzt zu der Entladung der Durchströmungszellen erfolgen. Ungeachtet dessen ist es natürlich auch möglich, dass mehrere Durchströmungszellen gleichzeitig vom Wärmeträgerfluid durchströmt werden, um einen größeren Volumenstrom des Wärmeträgerfluides zu erwärmen. The heat accumulator according to the invention preferably has a plurality of throughflow cells through which the heat transfer fluid can flow separately, wherein the flow of the heat transfer fluid through each flow cell can be individually shut off or regulated. In this context, it may be provided that each flow cell can be individually controlled for partial or complete loading of the heat accumulator and the heat storage modules of each flow cell can be supplied with current independently of the heat storage modules of the other flow cells. It is understood that a corresponding circuit and, preferably, a correspondingly designed control or regulating device can be provided in order to allow one or more flow cells to flow through the heat transfer fluid as required. This allows the heat that is removed from the heat storage and provided in the heat storage power plant for reconversion, in a fast and easy way to adapt to the actual power requirements. For example, subsequently only one flow-through cell can be flowed through by the heat transfer fluid until this throughflow cell has been discharged and the storage temperature of the storage modules of this throughflow cell has reached or fallen below a predetermined minimum value. Then, the next flow cell is released and flows through the heat transfer fluid, while the last flowed through (s) discharged cell (s) is blocked for the heat transfer fluid or become. The loading of the flow cells by energizing the heat storage modules can be carried out with a time delay to the discharge of the flow cells. Regardless, it is of course also possible for a plurality of throughflow cells to be flowed through simultaneously by the heat transfer fluid in order to heat a larger volume flow of the heat transfer fluid.
Um den Durchfluss des Wärmeträgerfluides durch benachbarte Strömungszellen zu steuern oder zu regeln, kann zwischen zwei benachbarten Durchströmungszellen wenigstens ein verstellbares Absperrelement vorgesehen sein, wobei durch Verstellen des Absperrelements ein Strömungsweg des Wärmeträgerfluides durch eine Durchströmungszelle freigegeben und durch die andere Durchströmungszelle geschlossen wird. Mehrere Durchströmungszellen können nebeneinanderliegend angeordnet und durch entsprechende Stellung der Absperrelemente nachfolgend vom Wärmeträgerfluid durchströmbar sein. In order to control or regulate the flow of the heat transfer fluid through adjacent flow cells, at least one adjustable shut-off element can be provided between two adjacent flow cells, wherein a flow path of the heat transfer fluid is released by a flow cell and closed by the other flow cell by adjusting the shutoff. Several flow cells can be arranged next to each other and can be flowed through by appropriate position of the shut-off elements of the heat transfer fluid below.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass eine Mehrzahl von Wärmespeichermodulen in einer geometrischen Wärmespeicherreihe nebeneinanderliegend angeordnet ist, wobei die Heizwiderstände der Wärmespeichermodule der Wärmespeicherreihe in einem elektrischen Schaltkreis in Reihe geschaltet sind. Hierbei werden in Reihe geschaltete Heizwiderstände vom gleichen Strom durchflössen, so dass die Heizwiderstände bei der Bestromung gleich stark erwärmt werden. Der elektrische Gesamtwiderstand der Wärmespeichermodule einer Wärmespeicherreihe entspricht dann der Summe der Einzelwiderstände der Wärmespeichermodule. A development of the invention can provide that a plurality of heat storage modules is arranged side by side in a geometric heat storage row, wherein the heating resistors of the heat storage modules of the heat storage row are connected in series in an electrical circuit. In this case, heating resistors connected in series are flowed through by the same current, so that the heating resistors are heated equally during energization. The total electrical resistance of the heat storage modules of a heat storage row then corresponds to the sum of the individual resistances of the heat storage modules.
Weiterhin zweckmäßig ist es, wenn jede Durchströmungszelle eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Wärmespeicherreihen aufweist, wobei die Wärmespeichermodule der übereinanderliegenden Wärmespeicherreihen nachfolgend vom Arbeitsfluid durchströmbar sind und wobei die Wärmespeicherreihen mit wenigstens einem Schalter bedarfsweise elektrisch in Reihe oder parallel schaltbar sind und/oder wobei die Anzahl der bestromten Wärmespeicherreihen bedarfsweise veränderbar ist. Hierdurch lassen sich sehr flexibel die Zeitdauer zur Beladung der Wärmespeichermodule und die Wärmespeicherleistung an die vorhandenen Kapazitäten im Stromnetz anpassen. It is also expedient if each flow cell has a plurality of heat storage rows arranged one above the other, wherein the heat storage modules of the superimposed heat storage rows are subsequently flowed through by the working fluid and wherein the heat storage rows with at least one switch, if necessary, are electrically connected in series or in parallel and / or wherein the number of energized heat storage rows is changed as needed. This allows very flexible adjust the time to load the heat storage modules and the heat storage capacity of the existing capacity in the power grid.
Um den Wärmeübergang an die Umgebung möglichst zu minimieren, kann eine die Durchströmungszelle und/oder den Wärmespeicher einhausende Wärmeisolierung vorgesehen sein. Vorzugsweise ist eine alle Durchströmungszellen des Wärmespeichers einhausende gemeinsame Wärmeisolierung vorgesehen. Die Wärmeisolierung kann einen mehrschichtigen Aufbau mit einem zwischen zwei Schichten gebildeten Vakuum aufweisen, so dass ein ungewollter Wärmeübergang möglichst stark reduziert wird. In order to minimize the heat transfer to the environment as possible, a heat insulation enclosing the flow cell and / or the heat storage can be provided. Preferably, a common thermal insulation is provided which encloses all flow cells of the heat accumulator. The thermal insulation may have a multilayer structure with a vacuum formed between two layers, so that an unwanted heat transfer is reduced as much as possible.
Der Anteil des Wärmeinhalts des wenigstens einen Heizwiderstands am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls kann bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weniger als 20 %, vorzugsweise weniger als 10 %, insbesondere weniger als 5 % betragen. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass die Wärmespeicherleistung des Wärmespeichermoduls zu mehr als 80 %, vorzugsweise zu mehr als 90 %, weiter vorzugsweise zu mehr als 95 %, durch das Wärmespeichermaterial bestimmt wird. The proportion of the heat content of the at least one heating resistor to the total heat content of the heat storage module may be less than 20%, preferably less than 10%, in particular less than 5% in a preferred embodiment of the invention. In other words, this means that the heat storage capacity of the heat storage module to more than 80%, preferably more than 90%, more preferably more than 95%, is determined by the heat storage material.
Der erfindungsgemäße Wärmespeicher kann bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung jedoch auch wenigstens ein Wärmespeichermodul vorsehen, das wenigstens einen elektrischen Heizwiderstand und den Heizwiderstand umgebende Strömungskanäle für ein Wärmeträgerfluid, insbesondere ein Arbeitsfluid des Wärmekraftwerkes, aufweist, wobei der Heizwiderstand durch die Entnahme von elektrischer Energie aus einem Stromnetz bestrombar ist und die elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt und vom Heizwiderstand gespeichert wird, wobei das Arbeitsfluid durch direkte Wärmeübertragung vom Heizwiderstand aufheizbar ist und wobei der Anteil des Wärmeinhalts des wenigstens einen Heizwiderstands am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls wenigstens 30 %, insbesondere wenigstens 50 %, beträgt. Vorzugsweise beträgt bei dieser Ausführungsform der Erfindung der Anteil des Wärmeinhalts des wenigstens einen Heizwiderstands am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls mehr als 60 %, weiter vorzugsweise mehr als 70 %. Weist das Wärmespeichermodul mehrere Heizwiderstände bzw. Heizleiter auf, beträgt erfindungsgemäß der Anteil des Wärmeinhalts aller Heizwiderstände am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls wenigstens 30 %, insbesondere wenigstens 50 %, weiter vorzugsweise mehr als 60 %, besonders bevorzugt mehr als 70 %. Die vorgenannten Werte beziehen sich auf eine (maximale) Speichertemperatur im Bereich zwischen 900 °C und 1.300 °C, vorzugsweise im Bereich zwischen 1.000 °C und 1.200 °C, weiter vorzugsweise im Bereich von 1.100 °C. Der Wärmeinhalt bzw. die Wärmespeicherkapazität bzw. die thermische Energie des Heizwiderstands ist hierbei definiert als Produkt der spezifischen Wärmekapazität und der Masse des Heizwiderstandes und einer bestimmten Temperatur des Wärmespeichers. In analoger Weise wird der Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls aus den Wärmeinhalten aller Bauteile und Bestandteile des Wärmespeichermoduls bei der bestimmten Temperatur bestimmt, wobei das Wärmespeichermodul insbesondere Einbauten oder ein Schüttgut aus einem von dem Material des Heizwiderstandes abweichenden zweiten Wärmespeichermaterial aufweisen kann. Die Wärmeenergie wird hierbei im Sl- Einheitensystem in Joule [J] angegeben. However, in an alternative embodiment of the invention, the heat accumulator according to the invention may also provide at least one heat storage module which has at least one electrical heating resistor and flow passages surrounding the heating resistor for a heat transfer fluid, in particular a working fluid of the thermal power plant, wherein the heating resistor by the removal of electrical energy from a Power supply is energized and the electrical energy is converted into heat energy and stored by the heating resistor, wherein the working fluid is heatable by direct heat transfer from the heating resistor and wherein the proportion of heat content of the at least one heating resistor in the total heat content of the heat storage module is at least 30%, in particular at least 50% , Preferably, in this embodiment of the invention, the proportion of heat content of the at least one heating resistor in the total heat content of the heat storage module is more than 60%, more preferably more than 70%. If the heat storage module has a plurality of heating resistors or heating conductors, the proportion of heat content of all heating resistors in the total heat content of the heat storage module amounts to at least 30%, in particular at least 50%, more preferably more than 60%, more preferably more than 70%. The aforementioned values refer to a (maximum) storage temperature in the range between 900 ° C and 1300 ° C, preferably in the range between 1000 ° C and 1200 ° C, more preferably in the range of 1100 ° C. The heat content or the heat storage capacity or the thermal energy of the heating resistor is defined here as the product of the specific heat capacity and the mass of the heating resistor and a specific temperature of the heat accumulator. In an analogous manner, the total heat content of the heat storage module from the heat content of all components and components of the heat storage module is determined at the specific temperature, the heat storage module in particular internals or bulk material may have a deviating from the material of the heating resistor second heat storage material. The heat energy is given here in the Sl unit system in Joule [J].
Die Wärmeübertragung zwischen dem Heizwiderstand und dem Wärmespeichermaterial eines Wärmespeichermoduls kann vorzugsweise durch erzwungene Kon- vektion und/oder Strahlung erfolgen. Vorzugsweise stehen Heizeiter und Wärmespeichermaterial nicht in direktem Kontakt miteinander und sind im Wesentlichen voneinander beabstandet, so dass die Wärmeübertragung zu einem überwiegenden Anteil oder vollständig lediglich durch erzwungene Konvektionen und/oder durch Strahlung erfolgen kann, nicht jedoch durch Wärmeleitung. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass der Heizwiderstand einerseits und das Wärmespeichermaterial andererseits in der Regel eine unterschiedliche Wärmeausdehnung aufweisen, so dass bei einer Beabstandung von Heizleiter und Wärmespeichermaterial eine Beschädigung des in der Regel weniger formstabilen Wärmespeichermaterials aufgrund eines sich durch Längenausdehnung relativ zum Wärmespeichermaterial bewegenden Heizleiters ausgeschlossen ist. The heat transfer between the heating resistor and the heat storage material of a heat storage module can preferably be effected by forced convection and / or radiation. Preferably, the heater and heat storage material are not in direct contact with each other and are substantially spaced apart so that heat transfer may be predominantly or entirely by forced convection and / or radiation but not by heat conduction. This takes into account the fact that the heating resistor on the one hand and the heat storage material on the other hand generally have a different thermal expansion, so that at a spacing of heat conductor and heat storage material damage to the usually less dimensionally stable heat storage material due to moving through a longitudinal extent relative to the heat storage material Heat conductor is excluded.
Das Wärmespeichermaterial kann durch Formsteine gebildet werden, die eine Mehrzahl von Durchströmungsöffnungen für das Wärmeträgermedium und/oder eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen für den Heizleiter aufweisen können. Bei dieser Ausführungsform können die Formsteine getrennte Öffnungen für das Wärmeträgermedium einerseits und für den Heizleiter andererseits aufweisen. Dadurch wird sichergestellt, dass erste Kanäle für den Heizleiter und zweite Kanäle für das Wärmeträgerfluid fluidisch voneinander getrennt sind, so dass der Heizleiter nicht mit dem Wärmeträgerfluid in Kontakt kommt. Insbesondere bei korrosiven Wärme- trägerfluiden wirkt sich dies vorteilhaft auf die Lebensdauer des Wärmespeichermoduls aus. Die Formsteine können auch an den Rändern Ausnehmungen und/oder Vertiefungen derart aufweisen, dass beim Zusammensetzen oder Zusammenlegen der Formsteine zwischen benachbarten Formsteinen eine Mehrzahl von Durchströmungsöffnungen für das Wärmeträgermedium und/oder, vorzugsweise, eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen für den Heizleiter gebildet werden. Auch können die Kanäle für den Heizleiter und die Kanäle für das Wärmeträgerfluid in unterschiedlichen Richtungen verlaufen. Beispielsweise können horizontal verlaufende erste Kanäle für den Heizleiter zwischen zwei übereinanderliegenden Steinreihen der Formsteine und die beiden Reihen durchsetzende vertikal verlaufende zweite Kanäle für das Wärmeträgerfluid vorgesehen sein. The heat storage material may be formed by molded blocks, which may have a plurality of throughflow openings for the heat transfer medium and / or a plurality of through openings for the heating conductor. In this embodiment, the shaped bricks may have separate openings for the heat transfer medium on the one hand and for the heating conductor on the other. This ensures that first channels for the heating element and second channels for the heat transfer fluid are fluidly separated from each other, so that the heating element does not come into contact with the heat transfer fluid. Particularly in the case of corrosive heat carrier fluids, this has an advantageous effect on the service life of the heat storage module. The stones can also be recesses on the edges and / or depressions in such a way that, when assembling or collapsing the shaped bricks between adjacent bricks, a plurality of flow openings for the heat transfer medium and / or, preferably, a plurality of through openings for the heating conductor are formed. Also, the channels for the heating conductor and the channels for the heat transfer fluid can run in different directions. For example, horizontally extending first channels may be provided for the heating conductor between two superimposed rows of stones of the conglomerates and the two rows passing through vertically extending second channels for the heat transfer fluid.
Wie bereits oben beschrieben, ist es zweckmäßig, wenn der Heizleiter nicht fest mit den Formsteinen verbunden ist, sondern in den Durchgangsöffnungen frei bewegbar geführt. Dies ist von Vorteil im Hinblick auf eine unterschiedliche Wärmeausdehnung von Heizleiter und Wärmespeichermaterial. Sofern der Heizleiter nicht gegen die Formsteine anliegt, kann es bei einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung auch nicht zu einem Abrieb an den Formsteinen kommen. As already described above, it is expedient if the heating conductor is not firmly connected to the shaped bricks, but guided freely movable in the through holes. This is advantageous with regard to a different thermal expansion of heat conductor and heat storage material. If the heat conductor does not bear against the shaped bricks, it can not lead to abrasion of the molded bricks at a different thermal expansion.
Sofern der Heizwiderstand direkt vom Wärmeträgerfluid umströmt wird, kann es bei hohen Temperaturen im Wärmespeicher zur Korrosion des Heizwiderstandes kommen. Um dem vorzubeugen, kann ein Inertgas, insbesondere Stickstoff, als Wärmeträgerfluid eingesetzt werden. Dort kann es zweckmäßig sein, das Wärmeträgerfluid in einem (geschlossenen) Kreislauf zu führen. Dies führt zu geringeren Kosten im Zusammenhang mit der Bereitstellung des Wärmeträgerfluides und kann dazu beitragen, die Komplexität des Wärmespeicherkraftwerkes zu verringern. If the heating resistor is flowed around directly by the heat transfer fluid, corrosion of the heating resistor may occur at high temperatures in the heat accumulator. To prevent this, an inert gas, in particular nitrogen, can be used as the heat transfer fluid. There it may be expedient to guide the heat transfer fluid in a (closed) circuit. This results in lower costs associated with providing the heat transfer fluid and can help to reduce the complexity of the heat storage power plant.
Alternativ kann der Heizleiter auch in das Formsteinmaterial eingebettet sein, was beispielsweise durch Ummantelung des Heizleiters mit einem Keramikmaterial und anschließendes Brennen des ummantelten Heizleiters mit dem Material des Formsteins erfolgen kann. Alternatively, the heating element can also be embedded in the molded block material, which can be done, for example, by sheathing the heating conductor with a ceramic material and then firing the sheathed heating conductor with the material of the shaped block.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann das Wärmespeichermaterial auch schütt- oder rieselfähig sein. Beispielsweise ist es möglich, Sand als kostengünstiges Wärmespeichermaterial einzusetzen. Der Heizleiter kann dann in die Schüttung eingebettet sein. Die Schüttung kann auch Keramikkanäle aufweisen, die durch Aufheizen gebrannt werden und zur Durchströmung mit dem Wärmeträgermedium und/oder für die Durchführung des Heizleiters vorgesehen sind. Formsteine können aus Schamotte oder einem sonstigen keramischen Material bestehen. Das Material des Heizwiderstandes kann eine spezifische Wärmekapazität von 0,4 kJ/(kgK) bis 0,8 kJ/(kgK) aufweisen, während die spezifische Wärmekapazität des Materials der Formhalteelemente im Bereich zwischen 1 ,0 kJ/(kgK) und 1 ,4 kJ/(kgK) liegen kann. Die vorgenannten Werte der spezifischen Wärmekapazitäten sind auf die maximale Speichertemperatur bei der Aufheizung des Wärmeträ- gerfluides bezogen, die vorzugsweise im Bereich zwischen 900 °C und 1300 °C, weiter vorzugsweise im Bereich zwischen 1000 °C bis 1200 °C, besonders bevorzugt im Bereich von ca. 1 100 °C, liegt. In an alternative embodiment of the invention, the heat storage material may also be pourable or free-flowing. For example, it is possible to use sand as a cost-effective heat storage material. The heating conductor can then be embedded in the bed. The bed can also have ceramic channels, which are fired by heating and are provided for flow through the heat transfer medium and / or for the implementation of the heat conductor. Form stones can be made of chamotte or other ceramic material. The material of the heating resistor may have a specific heat capacity of 0.4 kJ / (kgK) to 0.8 kJ / (kgK), while the specific heat capacity of the material of the mold holding elements is in the range between 1.0 kJ / (kgK) and 1, 4 kJ / (kgK) can lie. The abovementioned values of the specific heat capacities are based on the maximum storage temperature during the heating of the heat transfer fluid, which is preferably in the range between 900 ° C. and 1300 ° C., more preferably in the range between 1000 ° C. and 1200 ° C., particularly preferably in the range of about 1 100 ° C, lies.
Jedes Wärmespeichermodul kann einen Verbund gebildet aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen Formsteinen als Wärmespeichermaterial aufweisen. Der Heizwiderstand ist dann durch den Verbund hindurchgeführt, vorzugsweise mean- derförmig, so dass eine ausreichend große Wärmeübertragungsfläche für die Wärmeübertragung vom Heizleiter auf das Wärmespeichermaterial geschaffen wird. Dadurch wird eine sehr geringe Beladungsdauer des Wärmespeichermoduls erreicht. Der Formsteinverbund in dem Wärmespeichermodul kann durch vorzugsweise in drei Raumrichtungen miteinander verbundene Formsteine erreicht werden. Der Heizwiderstand kann dann den Verbund in drei Richtungen vorzugsweise me- anderförmig durchqueren. Each heat storage module may have a composite formed from a plurality of interconnected molded blocks as a heat storage material. The heating resistor is then passed through the composite, preferably meandering, so that a sufficiently large heat transfer surface for the heat transfer from the heating element is created on the heat storage material. As a result, a very short loading time of the heat storage module is achieved. The molding compound in the heat storage module can be achieved by preferably in three spatial directions connected blocks. The heating resistor can then traverse the composite in three directions, preferably in a different way.
Bei einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmespeichers ist vorgesehen, dass das Wärmespeichermodul wenigstens ein Formhalteelement aus einem Material mit im Vergleich zum Heizwiderstand geringerer elektrischer Leitfähigkeit zur Stabilisierung des Heizwiderstandes und/oder zur gegenseitigen Isolierung benachbarter Leiterabschnitte des Heizwiderstandes aufweist, wobei der Anteil des Wärmeinhalts des wenigstens einen Formhalteelements am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls erfindungsgemäß weniger als 70 %, insbesondere weniger als 50 %, beträgt. Das Material, aus dem das Formhalteelement besteht, weist keine oder eine praktisch unbedeutende elektrische Leitfähigkeit auf und dient insbesondere dazu, den Heizwiderstand räumlich zu stützen, zu fixieren und zu stabilisieren. Vorzugsweise sind mehrere Formhalteelemente vorgesehen, wobei dann der Anteil des Wärmeinhalts aller Formhalteelemente am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls weniger als 70 %, insbesondere weniger als 50 %, beträgt. Die vorgenannten Werte beziehen sich auf die oben genannten maximalen Speichertemperaturen. Dementsprechend kann der Anteil des Wärmeinhalts des wenigstens einen Heizwiderstandes und der Anteil des Wärmeinhalts des wenigstens einen Formhalteelementes ein Verhältnis von größer 1 :2, vorzugsweise von größer 1 :3, zueinander aufweisen. Vorzugsweise sind jedoch mehrere Formhalteelemente vorgesehen, so dass sich die angegebenen Anteile stets auf den Wärmeinhalt aller Formhalteelemente beziehen. In another embodiment of the heat accumulator according to the invention it is provided that the heat storage module comprises at least one shape retaining element made of a material with compared to the heating resistor of lower electrical conductivity for stabilizing the heating resistor and / or mutual insulation of adjacent conductor sections of the heating resistor, wherein the proportion of heat content of at least a shape-retaining element in the total heat content of the heat storage module according to the invention less than 70%, in particular less than 50%. The material of which the shape-retaining element consists has no or practically insignificant electrical conductivity and, in particular, serves to spatially support, fix and stabilize the heating resistor. Preferably, a plurality of shape-retaining elements are provided, in which case the proportion of the heat content of all shape-retaining elements in the total heat content of the heat storage module is less than 70%, in particular less than 50%. The above values refer to the above mentioned maximum storage temperatures. Accordingly, the proportion of the heat content of the at least one heating resistor and the proportion of the heat content of the at least one shape-holding element, a ratio of greater than 1: 2, preferably greater than 1: 3, to each other. Preferably, however, a plurality of shape-retaining elements are provided, so that the stated proportions always refer to the heat content of all shape-retaining elements.
Das Formhalteelement kann aus Schamotte oder einem sonstigen keramischen Material bestehen. Sind mehrere Formhalteelemente zur Stabilisierung des Heizwiderstandes vorgesehen, können diese steg- oder stabförmig ausgebildet und in mehreren parallelen Ebenen angeordnet sein, wobei zwischen den Formhalteelementen benachbarter Ebenen Öffnungen für insbesondere orthogonal zu den Ebenen verlaufende Leiterabschnitte des Heizleiters gebildet sind. Die Formhalteelemente benachbarter Ebenen können dann zueinander kreuzweise verlaufend angeordnet sein. The shape-retaining element may consist of chamotte or another ceramic material. If a plurality of shape-retaining elements are provided for stabilizing the heating resistor, they may be web-shaped or rod-shaped and arranged in a plurality of parallel planes, wherein openings are formed between the shape-retaining elements of adjacent planes for conductor sections of the heat conductor which are in particular orthogonal to the planes. The shape-retaining elements of adjacent planes can then be arranged running in a crosswise manner with respect to each other.
Das Material des Heizwiderstandes weist vorzugsweise eine kleinere spezifische Wärmekapazität auf als das Material, aus dem die Formhalteelemente bestehen. Das Material des Heizwiderstandes kann eine spezifische Wärmekapazität von 0,4 kJ/(kgK) bis 0,8 kJ/(kgK) aufweisen, während die spezifische Wärmekapazität des Materials der Formhalteelemente im Bereich zwischen 1 ,0 kJ/(kgK) und 1 ,4 kJ/(kgK) liegen kann. Die vorgenannten Werte der spezifischen Wärmekapazitäten sind auf die maximale Speichertemperatur bei der Aufheizung des Wärmeträgerflu- ides bezogen, die vorzugsweise im Bereich zwischen 900 °C und 1.300 °C, vorzugsweise im Bereich zwischen 1.000 °C und 1.200 °C, weiter vorzugsweise im Bereich von 1.100 °C, liegt. Im Vergleich zu dem Material, aus dem die Formhaltelemente bestehen, weist das Material des Heizwiderstandes jedoch eine höhere Dichte auf, so dass der Gewichtsanteil des Heizwiderstandes am Gesamtgewicht des Wärmespeichermoduls größer sein kann als der Gewichtsanteil der Formhalteelemente am Gesamtgewicht, jeweils bezogen auf ein bestimmtes Volumen des Wärmespeichermoduls. Bezogen auf das bestimmte Volumen des Wärmespeichermoduls führt dies zu einem höheren Wärmeinhalt des Heizwiderstandes im Vergleich zum Wärmeinhalt der Formhalteelemente. Damit lässt sich eine geringe Baugröße des erfindungsgemäßen Wärmespeichermoduls bei hoher Wärmespeicherkapazität erreichen. The material of the heating resistor preferably has a smaller specific heat capacity than the material of which the shape holding elements consist. The material of the heating resistor may have a specific heat capacity of 0.4 kJ / (kgK) to 0.8 kJ / (kgK), while the specific heat capacity of the material of the mold holding elements is in the range between 1.0 kJ / (kgK) and 1, 4 kJ / (kgK) can lie. The abovementioned values of the specific heat capacities are based on the maximum storage temperature during the heating of the heat transfer fluid, which is preferably in the range between 900 ° C. and 1,300 ° C., preferably in the range between 1,000 ° C. and 1,200 ° C., more preferably in the range from 1,100 ° C, lies. However, in comparison to the material of which the shape-retaining elements are made, the material of the heating resistor has a higher density, so that the weight fraction of the heating resistor in the total weight of the heat storage module can be greater than the weight fraction of the shape-retaining elements in the total weight, in each case based on a specific volume of the heat storage module. Based on the specific volume of the heat storage module, this leads to a higher heat content of the heating resistor compared to the heat content of the mold holding elements. This makes it possible to achieve a small size of the heat storage module according to the invention with a high heat storage capacity.
Um die Bauteilkomplexität des Wärmespeichermoduls zu verringern, kann das Wärmespeichermodul lediglich durch einen stab- oder drahtförmigen Heizleiter als Heizwiderstand und durch eine Mehrzahl von Formsteinen und/oder Formhalteelementen gebildet sein. Der Heizleiter kann ein- oder mehrstückig ausgebildet sein und ist über zwei Anschlusskontakte für eine Bestromung an ein Stromnetz anschließbar. In order to reduce the component complexity of the heat storage module, the heat storage module can be formed only by a rod or wire-shaped heating conductor as a heating resistor and by a plurality of molded bricks and / or shape-retaining elements. The heating element can be formed in one or more pieces and can be connected via two connection contacts for a current supply to a power grid.
Es ist zweckmäßig, wenn der Heizwiderstand und die Formsteine und/oder Formhalteelemente nicht durch ein gegenüber dem Wärmeträgerfluid dichtes Gehäuse nach außen abgetrennt sind, so dass der Heizwiderstand und die Formhalteelemente frei vom Wärmeträgerfluid um- bzw. durchströmbar sind. It is expedient if the heating resistor and the molded blocks and / or shape-retaining elements are not separated to the outside by a housing which is sealed with respect to the heat-transfer fluid, so that the heating resistor and the shape-retaining elements can be bypassed or flowed through freely by the heat transfer fluid.
Überdies sieht die Erfindung in vorteilhafter Weise vorzugsweise vor, dass der Heizwiderstand zu einem die Geometrie des Wärmespeichermoduls festlegenden Raumgebilde geformt ist. Vorzugsweise ist ein in mehreren Raumrichtungen me- anderförmig verlaufender Draht als Heizleiter vorgesehen, wobei dann streifenförmige Formhalteelemente zwischen angrenzenden Leiterabschnitten des Heizleiters angeordnet sein können, um den Heizleiter zu stabilisieren und zu verhindern, dass Leiterabschnitte bei Errichten des Wärmespeicherkraftwerks und/oder im späteren Betrieb verbiegen und eine Kurzschlussverbindung gebildet wird, durch die ein hoher Strom fließen kann, der zu einer Zerstörung des Heizleiters führt. Moreover, the invention preferably advantageously provides that the heating resistor is formed into a spatial structure defining the geometry of the heat storage module. Preferably, a wire extending in a plurality of spatial directions is provided as a heating conductor, wherein strip-shaped shape holding elements can then be arranged between adjacent conductor sections of the heating conductor in order to stabilize the heating conductor and prevent conductor sections from bending when the heat storage power plant is erected and / or during later operation and a short circuit connection is formed, through which a high current can flow, which leads to a destruction of the heating conductor.
Alternativ zu einem meanderförmig verlaufenden Heizleiter kann dieser wendeiförmig ausgebildet sein oder einen sonstigen Verlauf aufweisen. An der Stelle eines Drahtes können auch Stangen aus einem elektrisch leitfähigen Material an den Enden miteinander verbunden werden, so dass sich durchgehender Heizleiter ergibt. As an alternative to a meandering heating conductor, it may be helical or have a different profile. At the location of a wire and rods of an electrically conductive material at the ends can be connected to each other, so that there is a continuous heating conductor.
Die Abmessungen des Wärmespeichermoduls werden in diesem Zusammenhang bestimmt durch die Abmessungen des Raumgebildes, das durch gerade und/oder gebogene Abschnitte des Heizleiters geschaffen ist. Es ist zweckmäßig, dass das Raumgebilde quaderförmig, vorzugsweise kubusförmig, ist, so dass sich Wärmespeichermodule in einfacher Weise aufeinanderstapeln lassen. Hierdurch wird zum einen der Transport der Wärmespeichermodule zu einem Errichtungsort des Wärmespeicherkraftwerkes vereinfacht und zum anderen die Möglichkeit geschaffen, den Platzbedarf für den Wärmespeicher am Aufstellungsort durch Stapeln mehrerer Wärmespeichermodule übereinander zu verringern. The dimensions of the heat storage module are determined in this context by the dimensions of the space created by straight and / or bent portions of the heat conductor. It is expedient that the space structure is cuboid, preferably cuboid, so that heat storage modules can be stacked in a simple manner. In this way, on the one hand, the transport of the heat storage modules to a construction site of the heat storage power plant is simplified and on the other created the possibility to reduce the space required for the heat storage at the site by stacking several heat storage modules on top of each other.
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Wärmespeicher und das erfindungsgemäße Wärmespeicherkraftwerk auszugestalten und weiterzubilden, wobei einerseits auf die abhängigen Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen wird. Die zuvor beschriebenen und anhand der Zeichnung nachfolgend erörterten Merkmale der Erfindung können bedarfsweise miteinander kombiniert werden, auch wenn dies nicht ausdrücklich beschrieben ist. Specifically, there are a variety of ways to design and develop the heat accumulator according to the invention and the heat storage power plant according to the invention, reference being made on the one hand to the dependent claims and on the other hand to the following detailed description of preferred embodiments of the invention with reference to the drawings. The features of the invention described above and discussed below with reference to the drawings may be combined as needed, even if not expressly described.
In der Zeichnung zeigen In the drawing show
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Wärmespeichermoduls eines erfindungsgemäßen Wärmespeichers für ein Wärmespeicherkraftwerk in einer perspektivischen Darstellung schräg von oben, 1 is a schematic view of a heat storage module of a heat storage device according to the invention for a heat storage power plant in a perspective view obliquely from above,
Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht einer möglichen Ausführungsform des Wärmespeichermoduls, eine schematische Seitenansicht des in Fig. 2 gezeigten Wärmespeichermoduls, FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a possible embodiment of the heat storage module, a schematic side view of the heat storage module shown in FIG. 2, FIG.
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Wärmespeicherreihe eines erfindungsgemäßen Wärmespeichers, wobei die Wärmespeicherreihe eine Mehrzahl von Wärmespeichermodulen aufweist, 4 is a schematic representation of a heat storage row of a heat accumulator according to the invention, wherein the heat storage row has a plurality of heat storage modules,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Durchströmungszelle eines erfindungsgemäßen Wärmespeichers mit einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Wärmespeicherreihen, 5 is a schematic representation of a flow cell of a heat accumulator according to the invention with a plurality of superposed heat storage rows,
Fig. 6, 7 jeweils eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Fig. 6, 7 are each a schematic side view of an inventive
Wärmespeichers mit einer Mehrzahl von nebeneinanderliegend angeordneten und nachfolgend von einem Arbeitsfluid eines Wärme- speicherkraftwerks durchströmbaren Durchströmungszellen, eine schematische Darstellung eines Wärmespeichers der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Art, wobei das Arbeitsfluid nach Durchströmen des Wärmespeichers einer Gasturbine zugeleitet wird,  A heat accumulator with a plurality of juxtaposed arranged and subsequently flowed through by a working fluid of a heat storage power flow cells, a schematic representation of a heat accumulator of the type shown in Figs. 6 and 7, wherein the working fluid is fed to a gas turbine, after flowing through the heat accumulator
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines 9 is a schematic representation of a first embodiment of a
Wärmespeicherkraftwerkes mit einem Wärmespeicher der in Fig. 8 gezeigten Art, Fig. 10 eine alternative Ausführungsform eines Wärmespeicherkraftwerkes mit einem Wärmespeicher der in Fig. 8 gezeigten Art, Heat storage power plant with a heat accumulator of the type shown in Fig. 8, 10 shows an alternative embodiment of a heat storage power plant with a heat accumulator of the type shown in Fig. 8,
Fig. 1 1 einen Verbund aus Formsteinen für ein erfindungsgemäßes Wärmespeichermodul, wobei die Formsteine ein Wärmespeichermaterial des Wärmespeichermoduls bilden, in einer schematischen Seitenansicht, 11 shows a composite of molded bricks for a heat storage module according to the invention, the molded bricks forming a heat storage material of the heat storage module, in a schematic side view, FIG.
Fig. 12 eine Draufsicht auf den in Figur 1 1 gezeigten Verbund und Fig. 12 is a plan view of the composite shown in Figure 1 1 and
Fig. 13 den Verlauf eines Heizleiters durch den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Verbund. 13 shows the course of a heating conductor through the composite shown in FIGS. 1 and 2.
In Fig. 1 ist schematisch ein Wärmespeichermodul 1 eines in den Figuren 6 bis 8 näher dargestellten Wärmespeichers 2 gezeigt. Das Wärmespeichermodul 1 weist einen Heizleiter 3 als Heizwiderstand auf, wobei der Heizleiter 3 in allen Raumrichtungen X, Y, Z gemäß Fig. 1 meanderförmig verlaufend gebogen ist und ein Raumgebilde formt, das die Geometrie und die Dimensionen des Wärmespeichermoduls 1 festlegt. Das Raumgebilde weist vorliegend eine Kubusform auf, kann jedoch grundsätzlich auch eine andere Form aufweisen. Die Kubusform ist jedoch von Vorteil, da sie das Aufeinanderstapeln einer Mehrzahl von Wärmespeichermodulen 1 in einfacher Weise zulässt und dadurch den Transport und die Montage vereinfacht. Der Heizleiter 3 wird gebildet durch einen hochohmigen Draht oder hochohmige an den Enden miteinander verbundene Stangen aus einem elektrisch leitfähigen Material wie Eisen oder Stahl. Das würfelförmige Wärmespeichermodul 1 kann eine Kantenlänge von ca. 1 m aufweisen. FIG. 1 schematically shows a heat storage module 1 of a heat accumulator 2 shown in more detail in FIGS. 6 to 8. The heat storage module 1 has a heating conductor 3 as a heating resistor, wherein the heating conductor 3 is bent in all spatial directions X, Y, Z of FIG. 1 meandering and forms a spatial structure that determines the geometry and dimensions of the heat storage module 1. The spatial structure in the present case has a cube shape, but in principle may also have a different shape. However, the cube shape is advantageous because it allows the stacking of a plurality of heat storage modules 1 in a simple manner and thereby simplifies the transport and assembly. The heating conductor 3 is formed by a high-resistance wire or high-resistance connected at the ends rods made of an electrically conductive material such as iron or steel. The cube-shaped heat storage module 1 may have an edge length of about 1 m.
Der metallische Heizleiter 3 stellt einen elektrischen Widerstand in dem Wärmespeichermodul 1 dar, wobei das Material des Heizleiters 3 ebenfalls eine Wärmespeicherfunktion erfüllt. Vorzugsweise wird die Wärmespeicherfunktion jedoch im überwiegendem Maße durch ein Wärmespeichermaterial des Wärmespeichermoduls 1 erfüllt, wobei es sich bei dem Wärmespeichermaterial um Schamotte oder ein anderes keramisches Material handeln kann. The metallic heating conductor 3 represents an electrical resistance in the heat storage module 1, wherein the material of the heating conductor 3 also fulfills a heat storage function. Preferably, however, the heat storage function is predominantly fulfilled by a heat storage material of the heat storage module 1, wherein the heat storage material may be chamotte or another ceramic material.
Der Heizleiter 3 ist über Anschlusskontakt 4, 5, die in Fig. 1 lediglich schematisch dargestellt sind und bei denen es sich in der einfachsten Ausbildung um die Enden des Heizleiters 3 handeln kann, mit einem Stromnetz elektrisch kontaktierbar. Zwischen geraden und abgewinkelten Leiterabschnitten des Heizleiters 3 sind schematisch gezeigte Strömungskanäle 6 für ein Wärmeträgerfluid 13 vorgesehen, das als Arbeitsfluid eines in den Fig. 9 und 10 schematisch gezeigten Wärmespeicherkraftwerkes 22, 23 eingesetzt werden kann. The heating conductor 3 is electrically contactable via a connection contact 4, 5, which are shown only schematically in FIG. 1 and which may be the ends of the heating conductor 3 in the simplest embodiment. Between straight and angled conductor sections of the heating element 3 schematically shown flow channels 6 are provided for a heat transfer fluid 13, the as a working fluid of a heat storage power plant 22, 23 shown schematically in Figs. 9 and 10 can be used.
Der Heizleiter 3 ist gemäß Fig. 9 und Fig. 10 durch die Entnahme von elektrischer Leistung 25 aus einem Stromnetz bestrombar, wobei die elektrische Energie 25 in Wärmeenergie umgewandelt und vom Heizleiter 3 und vorzugsweise, einem in Fig. 1 nicht dargestellten Wärmespeichermaterial des Wärmespeichermoduls 1 , gespeichert wird. Beim zeitversetzten Durchströmen des Wärmespeichermoduls 1 kann dann das Wärmeträgerfluid 13 durch direkte oder indirekte Wärmeübertragung vom Heizleiter 3 und/oder vom Wärmespeichermaterial aufgeheizt werden, wobei der Anteil des Wärmeinhalts des Heizleiters 3 am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls 1 bei einer bestimmten Temperatur im Bereich von 900 °C bis 1300 °C weniger als 20 %, vorzugsweise weniger als 10 %, insbesondere weniger als 5 % betragen kann. Das Wärmespeichermaterial bestimmt dann im Wesentlichen die Wärmespeicherleistung des Wärmespeichermoduls 1. According to FIG. 9 and FIG. 10, the heating conductor 3 can be supplied with electricity from a power network, the electrical energy 25 being converted into heat energy and by the heating conductor 3 and preferably a heat storage material of the heat storage module 1, not shown in FIG , is stored. When time-shifted flow through the heat storage module 1, the heat transfer fluid 13 can then be heated by direct or indirect heat transfer from the heating 3 and / or heat storage material, the proportion of heat content of the heating element 3 in the total heat content of the heat storage module 1 at a certain temperature in the range of 900 ° C. to 1300 ° C may be less than 20%, preferably less than 10%, in particular less than 5%. The heat storage material then essentially determines the heat storage capacity of the heat storage module. 1
Bei einer anderen Ausbildung des Wärmespeichermoduls 1 ist es jedoch grundsätzlich auch möglich, dass der Heizleiter 3 die eigentliche Wärmespeicherfunktion übernimmt, wobei dann der Anteil des Wärmeinhalts des Heizleiters 3 am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls 1 mehr als 50 %, vorzugsweise mehr als 60 %, weiter vorzugsweise mehr als 70 %, betragen kann. In another embodiment, the heat storage module 1, however, it is also possible in principle that the heating element 3 takes over the actual heat storage function, in which case the proportion of heat content of the heating element 3 in the total heat content of the heat storage module 1 more than 50%, preferably more than 60%, more preferably more than 70%.
Hierbei ist der Wärmeinhalt des Heizleiters 3 und der Wärmeinhalt des Wärmespeichermaterials jeweils auf das Volumen des Wärmespeichermoduls 1 bezogen, wobei das Wärmespeichermodul 1 betrachteten Temperaturbereich vorzugsweise eine Gesamtspeicherkapazität zwischen 0,5 und 2 MWh/m3, insbesondere von ca. 1 MWh/m3, aufweisen kann. Here, the heat content of the heating conductor 3 and the heat content of the heat storage material is based on the volume of the heat storage module 1, wherein the heat storage module 1 temperature range under consideration preferably has a total storage capacity of between 0.5 and 2 MWh / m 3, in particular of approximately 1 MWh / m 3 , may have.
Wie sich aus den Figuren 2 und 3 ergibt, kann eine räumliche Anordnung des Heizleiters 3 mit elektrisch nicht oder lediglich unwesentlich leitenden Formhalteelementen 7, 8 stabilisiert sein. Während der Heizleiter 3 vorzugsweise aus Eisen oder Stahl besteht, bestehen die Formhalteelemente 7, 8 beispielsweise aus Schamotte oder einem sonstigen keramischen Material und sind bei der gezeigten Ausführungsform steg- oder stabförmig ausgebildet und in mehreren parallelen Ebenen übereinander angeordnet. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Anteil des Wärmeinhalts der Formhalteelemente 7, 8 am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls 1 bei einer gegebenen Temperatur weniger als 50 % beträgt. Zwischen den Formhalteelementen 7, 8 benachbarter Ebenen werden Öffnungen 9 für orthogonal zu den Ebenen verlaufende Abschnitte des Heizleiters 3 gebildet. Die Formhalteelemente 7, 8 benachbarter Ebenen sind dabei zueinander kreuzweise verlaufend angeordnet. Der gewählte Aufbau des Wärmespeichermoduls 1 mit einer Mehrzahl von Formhalteelementen 7, 8, die einen meanderförmig verlaufenden Heizleiter 3 umgeben, führt zu einer hohen inneren Oberfläche des Wärmetauschermoduls 1 , so dass der Wärmeübergang vom Wärmespeichermodul 1 an ein Arbeitsfluid 13 verbessert und eine sehr schnelle Erwärmung des Arbeitsfluides 13 sichergestellt ist. As can be seen from FIGS. 2 and 3, a spatial arrangement of the heating conductor 3 can be stabilized with shape-retaining elements 7, 8 which are not electrically or only insignificantly conductive. While the heating conductor 3 is preferably made of iron or steel, the shape holding elements 7, 8, for example, chamotte or other ceramic material and are in the embodiment shown web or rod-shaped and arranged in several parallel planes one above the other. It can be provided that the proportion of the heat content of the shape retaining elements 7, 8 in the total heat content of the heat storage module 1 at a given temperature is less than 50%. Between the shape retaining elements 7, 8 adjacent levels openings 9 for formed orthogonal to the planes extending portions of the heating element 3. The shape holding elements 7, 8 of adjacent planes are arranged running crosswise to each other. The selected structure of the heat storage module 1 with a plurality of mold holding elements 7, 8 surrounding a meandering heating element 3, leads to a high inner surface of the heat exchanger module 1, so that the heat transfer from the heat storage module 1 to a working fluid 13 improves and a very rapid heating the working fluid 13 is ensured.
Bei den dargestellten Ausführungsformen des Wärmespeichermoduls 1 ist es so, dass dieses lediglich durch den Heizleiter 3, die Anschlusselemente 4, 5 (die Bestandteil des Heizleiters 3 sein können) und durch das Wärmespeichermaterial, beispielsweise ausgebildet als Formhalteelemente 7, 8, gebildet wird. In the illustrated embodiments of the heat storage module 1, it is such that this is formed only by the heating conductor 3, the connection elements 4, 5 (which may be part of the heating element 3) and by the heat storage material, for example formed as a shape retaining elements 7, 8.
Wie sich weiter aus den Figuren 1 bis 3 ergibt, weist das Wärmespeichermodul 1 vorzugsweise keine Isolierung und/oder kein (gasdichtes) Gehäuse auf, so dass das Wärmespeichermodul 1 vom Wärmeträgerfluid 13 durchströmbar ist. As is further apparent from FIGS. 1 to 3, the heat storage module 1 preferably has no insulation and / or no (gas-tight) housing, so that the heat storage module 1 can be flowed through by the heat transfer fluid 13.
Das auf das Volumen des Wärmespeichermoduls 1 bezogene Gesamtgewicht des Heizleiters 3 eines Wärmespeichermoduls 1 kann zwischen 3000 kg/m3 und 4.000 kg/m3 betragen, während das ebenfalls auf das Volumen des Wärmespeichermoduls 1 bezogene Gesamtgewicht des Wärmespeichermaterials im Wärmespeichermodul 1 , beispielsweise der Formhalteelemente 7, 8, zwischen 500 kg/m3 und 700 kg/m3 betragen kann. The total weight of the heat conductor 3 of a heat storage module 1 relative to the volume of the heat storage module 1 can be between 3000 kg / m 3 and 4000 kg / m 3 , while the total weight of the heat storage material 1, for example the shape-retaining elements, also relates to the volume of the heat storage module 1 7, 8, between 500 kg / m 3 and 700 kg / m 3 can be.
Wie sich aus Fig. 4 ergibt, kann eine Mehrzahl von Wärmespeichermodulen 1 in einer geometrischen Wärmespeicherreihe 10 angeordnet sein, wobei die Heizleiter 3 der Wärmespeichermodule 1 in einem elektrischen Schaltkreis in Reihe geschaltet sind. Hierzu sind die Anschlusselemente 4, 5 benachbarter Wärmetauschermodule 1 elektrisch miteinander verbunden. Das Anschlusselement 4 eines ersten und in Fig. 4 links außen dargestellten Wärmespeichermoduls 1 der Wärmespeicherreihe 10 ist mit dem Anschlusselement 5 des letzten Wärmespeichermoduls 1 der Wärmespeicherreihe 10 elektrisch kontaktiert, so dass die Wärmespeicherreihe 10 einen elektrischen Gesamtwiderstand 1 1 zeigt. Die in Reihe geschalteten Heizleiter 3 werden bei Bestromung der Wärmespeicherreihe 10 vom gleichen Strom durchflössen. Der Gesamtwiderstand 1 1 der Wärmespeicherreihe 10 ergibt sich aus der Summe der Einzelwiderstände der Wärmespeichermodule 1. Fig. 5 zeigt eine Durchströmungszelle 12 des in den Figuren 6 bis 8 dargestellten Wärmespeichers 2, die durch eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Wärmespeicherreihen 10 gebildet wird. Bei der gezeigten Ausführungsform kann die Durchströmungszelle 12 beispielsweise 5 übereinander gestapelte Wärmespeicherreihen 10 aufweisen, wobei die übereinander angeordneten Wärmespeichermodule 1 der Wärmespeicherreihen 10 nachfolgend von einem Wärmeträgerfluid 13 von unten nach oben durchströmbar sind. Dies ergibt sich schematisch aus Fig. 8, die die Zuleitung des Wärmeträgerfluides 13 nach Verdichtung mit einem Verdichter 14 über einen Verteiler 15 zeigt, wobei die Zuleitung des Wärmeträgerfluides 13 von unten über die Wärmetauschermodule 1 der untersten Wärmetauscherreihe 10 erfolgt. Es versteht sich, dass die Zuleitung auch anders verwirklicht sein kann. As is apparent from Fig. 4, a plurality of heat storage modules 1 may be arranged in a geometric heat storage row 10, wherein the heating conductors 3 of the heat storage modules 1 are connected in series in an electrical circuit. For this purpose, the connection elements 4, 5 of adjacent heat exchanger modules 1 are electrically connected to each other. The connection element 4 of a first and in Fig. 4 left outside illustrated heat storage module 1 of the heat storage 10 is electrically contacted with the connection element 5 of the last heat storage module 1 of the heat storage row 10, so that the heat storage row 10 shows an electrical total resistance 1 1. The heating conductors 3 connected in series are flowed through by the same current when the heat storage row 10 is energized. The total resistance 1 1 of the heat storage row 10 results from the sum of the individual resistances of the heat storage modules. 1 5 shows a flow-through cell 12 of the heat accumulator 2 shown in FIGS. 6 to 8, which is formed by a plurality of heat storage rows 10 arranged one above the other. In the embodiment shown, the flow-through cell 12 can have, for example, 5 heat storage rows 10 stacked on top of one another, wherein the heat storage modules 1 of the heat storage rows 10 arranged one above the other can be flowed through from below by a heat transfer fluid 13. This is shown schematically in FIG. 8, which shows the supply line of the heat transfer fluid 13 after compression with a compressor 14 via a distributor 15, the supply of the heat carrier fluid 13 taking place from below via the heat exchanger modules 1 of the lowermost row of heat exchangers 10. It is understood that the supply line can also be realized differently.
Gemäß Fig. 5 können mehrere Wärmespeicherreihen 10 einer Durchströmungszelle 12 mit Schaltern 16 bedarfsweise elektrisch in Reihe oder parallel schaltbar sein und/oder es lässt sich die Anzahl der bestromten Wärmespeicherreihen 10 bedarfsweise verändern. Hierdurch können in einfacher Weise die Beladungsdauer der Wärmespeichermodule, dass heißt die zeitliche Dauer der Leistungsaufnahme, bei der eine bestimmte Strommenge in thermische Energie umgewandelt wird, und die Speicherkapazität des Wärmespeichers 2 verändert werden. Gemäß Fig. 5 ist ein erstes Wärmespeichermodul 1 einer untersten Wärmespeicherreihe 10 mit einem letzten Wärmespeichermodul 1 einer obersten Wärmespeicherreihe 10 elektrisch kontaktiert. Der resultierende Gesamtwiderstand 17 der Durchströmungszelle 12 hängt davon ab, ob die Wärmespeicherreihen 10 in Reihe oder parallel geschaltet sind. Durch Parallelschaltung der Wärmespeicherreihen 10 nimmt der elektrische Gesamtwiderstand 17 ab, so dass die Dauer der Leistungsaufnahme sinkt. According to FIG. 5, a plurality of heat storage rows 10 of a flow cell 12 with switches 16 can, if necessary, be electrically connected in series or in parallel and / or the number of heat storage rows 10 energized can be changed as required. In this way, the loading duration of the heat storage modules, that is, the duration of the power consumption, in which a certain amount of electricity is converted into thermal energy, and the storage capacity of the heat accumulator 2 can be changed in a simple manner. According to FIG. 5, a first heat storage module 1 of a lowermost heat storage row 10 is electrically contacted with a last heat storage module 1 of an uppermost heat storage row 10. The resulting total resistance 17 of the flow cell 12 depends on whether the heat storage rows 10 are connected in series or in parallel. By parallel connection of the heat storage rows 10 of the total electrical resistance 17 decreases, so that the duration of the power consumption decreases.
In den Figuren 6 bis 8 ist der Wärmespeicher 2 schematisch gezeigt, wobei der Wärmespeicher 2 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zehn nebeneinanderliegend angeordnete Durchströmungszellen 12 aufweist. Zwischen benachbarten Durchströmungszellen 12 ist jeweils wenigstens ein verstellbares Absperrelement 18 vorgesehen, wobei durch das Absperrelement 18 ein Strömungsweg des Wärmeträgerfluides 13 durch eine Durchströmungszelle 12 freigegeben und durch die anderen benachbarten Durchströmungszellen 12 geschlossen wird. Gemäß Fig. 6 durchströmt das Wärmeträgerfluid 13 lediglich die in Fig. 6 und 7 links außen dargestellte erste Durchströmungszelle 12, wobei durch die Stellung des ersten Absperrelementes 18 zwischen der ersten und zweiten Durchströmungszelle 12 eine Durchströmung der weiteren nachgeschalteten Durchströmungszellen 12 ausgeschlossen wird. Beim Durchströmen mit dem Wärmeträgerfluid 13 kommt es zur Abkühlung der ersten Durchströmungszelle 12 durch Wärmeübertragung von den Heizwiderständen der Wärmespeichermodule 1 der ersten Durchströmungszelle 12 auf das Wärmeträgerfluid 13. Wird eine vorgegebene Mindesttemperatur der Wärmeübertragung erreicht, wird das erste Absperrelement 18 gemäß Fig. 7 nach oben verstellt, so dass das Wärmeträgerfluid 13 nachfolgend lediglich durch die zweite Durchströmungszelle 12 strömt und dabei erwärmt wird. Die in Strömungsrichtung nachfolgenden weiteren Absperrelemente 18 der weiteren Durchströmungszellen 12 befinden sich in einer Position, die ein Durchströmen mit dem Wärmeträgerfluid 13 ausschließt. Sobald die Wärmespeichermodule 1 der zweiten Durchströmungszelle 12 entladen bzw. abgekühlt sind, werden die Wärmespeichermodule 1 der dritten Durchströmungszelle 12 durch Veränderung der Stellung des zwischen der zweiten Durchströmungszelle 12 und der dritten Durchströmungszelle 12 angeordneten Absperrelementes 18 für eine Durchströmung mit dem Wärmeträgerfluid 13 freigegeben. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis die letzten Durchströmungszelle 12 (in den Figuren 6 und 7 ganz rechts außen dargestellt), entsprechend entladen ist. Anschließend ist es erforderlich, die Durchströmungszellen 12 wieder aufzuladen, was durch Bestromung der Heizwiderstände der Wärmespeichermodule 1 erfolgt. Es versteht sich, dass eine Entladung der Durchströmungszellen 12 durch Wärmeübertragung an das Wärmeträgerfluid 13 und eine Beladung der Durchströmungszellen 12 durch Bestromung nicht voraussetzen, dass alle Durchströmungszellen 12 des Wärmespeichers 2 bereits entladen bzw. beladen sind. In the figures 6 to 8, the heat accumulator 2 is shown schematically, wherein the heat accumulator 2 in the illustrated embodiment has ten juxtaposed flow cells 12. At least one adjustable shut-off element 18 is provided between adjacent flow-through cells 12, wherein a flow path of the heat transfer fluid 13 through the flow-through cell 12 is released by the shut-off element 18 and closed by the other adjacent flow-through cells 12. According to FIG. 6, the heat transfer fluid 13 only flows through the first throughflow cell 12 shown on the left in FIGS. 6 and 7, wherein the position of the first shut-off element 18 between the first and second flow-through cells 12 Flow through the further downstream flow cells 12 is excluded. When flowing through with the heat transfer fluid 13, the first flow cell 12 cools due to heat transfer from the heating resistors of the heat storage modules 1 of the first flow cell 12 to the heat transfer fluid 13. If a predetermined minimum temperature of the heat transfer is reached, the first shut-off element 18 according to FIG adjusted, so that the heat transfer fluid 13 subsequently flows only through the second flow cell 12 and is heated. The downstream in the flow direction further shut-off elements 18 of the further flow cells 12 are in a position which excludes a flow through the heat transfer fluid 13. Once the heat storage modules 1 of the second flow cell 12 are discharged or cooled, the heat storage modules 1 of the third flow cell 12 are released by changing the position of the arranged between the second flow cell 12 and the third flow cell 12 shut-off element 18 for a flow with the heat transfer fluid 13. This process is repeated until the last flow cell 12 (shown on the far right in FIGS. 6 and 7) is discharged accordingly. Subsequently, it is necessary to recharge the flow cells 12, which takes place by energizing the heating resistors of the heat storage modules 1. It is understood that a discharge of the flow cells 12 by heat transfer to the heat transfer fluid 13 and a loading of the flow cells 12 by energization do not require that all flow cells 12 of the heat accumulator 2 are already unloaded or loaded.
In Fig. 8 ist der Wärmespeicher 2 perspektivisch dargestellt, wobei der Wärmespeicher 2 eine thermische Wärmespeicherleistung von mehr als 100 MWh, beispielsweise von 500 MWh, aufweisen kann. Die Wärmespeicherleitung ist bezogen auf die thermische Energie des Wärmespeichers 2 bei einer maximalen Speichertemperatur zwischen 900 °C und 1300 °C, vorzugsweise 1100 °C bis 1200 °C, bis zu der das Wärmespeicherfluid 13 im Wärmespeicher 2 aufgeheizt werden kann. In Fig. 8, the heat accumulator 2 is shown in perspective, wherein the heat accumulator 2 may have a thermal heat storage capacity of more than 100 MWh, for example, of 500 MWh. The heat storage line is based on the thermal energy of the heat accumulator 2 at a maximum storage temperature between 900 ° C and 1300 ° C, preferably 1100 ° C to 1200 ° C, to which the heat storage fluid 13 can be heated in the heat storage 2.
Das Wärmeträgerfluid 13 kann nach dem Durchströmen einer Durchströmungszone 12 über einen Sammler 19 einer Turbine 20 zugeführt werden, wobei das Wärmeträgerfluid 13 unter Verrichtung von mechanischer Arbeit expandiert und die mechanische Arbeit mit einem in den Figuren 9 und 10 dargestellten Generator 21 in elektrische Energie umgewandelt wird. Wie sich aus den Figuren 6 und 7 ergibt, kann eine die Durchströmungszellen 12 einhausende gemeinsame Isolierung 22 vorgesehen sein, um Wärmeverluste durch ungewollte Wärmeübertragung an die Umgebung zu verringern. Grundsätzlich kann auch jede Durchströmungszelle 12 mit einem gas- bzw. druckdicht ausgebildeten Gehäuse umgeben sein und damit gekapselt sein. After flowing through a flow zone 12, the heat transfer fluid 13 can be supplied to a turbine 20 via a collector 19, wherein the heat transfer fluid 13 is expanded by performing mechanical work and the mechanical work is converted into electrical energy with a generator 21 shown in FIGS. 9 and 10 , As can be seen from FIGS. 6 and 7, a common insulation 22, which houses the flow-through cells 12, can be provided in order to reduce heat losses due to unwanted heat transfer to the environment. In principle, each flow-through cell 12 can also be surrounded by a gas-tight or pressure-tight housing and thus encapsulated.
Anhand der Figuren 9 und 10 werden mögliche Anlagenkonzepte für ein Wärmespeicherkraftwerk 22, 23 unter Verwendung des Wärmespeichers 2 erläutert. Possible plant concepts for a heat storage power plant 22, 23 using the heat accumulator 2 will be explained with reference to FIGS. 9 and 10.
Bei dem in Fig. 9 dargestellten Wärmespeicherkraftwerk 22 wird das Wärmeträger- fluid 13 in dem Verdichter 14 komprimiert und gelangt anschließend in einen ersten Regenerator 24. Der Regenerator 24 ist zur Vorwärmung des Wärmeträgerfluides 13 vorgesehen ist. Anschließend durchströmt das vorgewärmte Wärmeträgerfluid 13 den Wärmespeicher 2, dessen Wärmespeichermodule 1 zuvor durch Entnahme von elektrischer Energie 25 aus einem Stromnetz aufgeheizt worden sind. Beim Durchströmen des Wärmespeichers 2 wird das Wärmeträgerfluid 13 durch Wärmeübertragung von den Heizleitern 3 und den Formhalteelementen 7, 8 der Wärmespeichermodule 1 des Wärmespeichers 2 entsprechend erwärmt und gelangt anschließend in eine Brennkammer 26. In der Brennkammer 26 kann ein gasförmiger Energieträger 27, wie Erdgas oder Biogas, und/oder ein flüssiger Energieträger 28, wie Methanol, verbrannt werden. Die Verbrennungswärme führt zu einer weiteren Aufheizung des Wärmeträgerfluides 13, das anschließend in der Turbine 20 unter Verrichtung von mechanischer Arbeit entspannt wird. Die mechanische Arbeit wird mit dem Generator 22 in elektrische Energie 29 umgewandelt, wobei es sich versteht, dass die Entnahme von elektrischer Energie 25 aus dem Stromnetz und die Erzeugung von elektrischer Energie 29 und deren Einspeisung in das Stromnetz zeitversetzt erfolgen, um einen Ausgleich von Überkapazitäten im Stromnetz zu ermöglichen. In the heat storage power plant 22 shown in FIG. 9, the heat transfer fluid 13 is compressed in the compressor 14 and then passes into a first regenerator 24. The regenerator 24 is provided for preheating the heat transfer fluid 13. Subsequently, the preheated heat transfer fluid 13 flows through the heat accumulator 2, the heat storage modules 1 have previously been heated by removal of electrical energy 25 from a power grid. When flowing through the heat accumulator 2, the heat transfer fluid 13 is heated by heat transfer from the heating conductors 3 and the shape retaining elements 7, 8 of the heat storage modules 1 of the heat accumulator 2 and then passes into a combustion chamber 26. In the combustion chamber 26, a gaseous energy source 27, such as natural gas or Biogas, and / or a liquid energy source 28, such as methanol, are burned. The heat of combustion leads to a further heating of the heat transfer fluid 13, which is subsequently expanded in the turbine 20 while performing mechanical work. The mechanical work is converted by the generator 22 into electrical energy 29, it being understood that the removal of electrical energy 25 from the power grid and the generation of electrical energy 29 and their supply to the power grid are time-delayed, to compensate for excess capacity to enable in the power grid.
Nachdem das Wärmeträgerfluid 13 in der Turbine 20 entspannt worden ist, durchströmt es einen zweiten Regenerator 30, der dabei aufgeheizt wird. Nach dem Aufheizendes Regenerators 30 werden die Strömungswege zum ersten kalten Regenerator 24 und zum zweiten Regenerator 30 umgeschaltet, so dass das abgekühlte Wärmeträgerfluid 13 zunächst erneut in den Verdichter 14 gelangt und nach Komprimierung den heißen zweiten Regenerator 30 durchströmt, der nunmehr zur Vorwärmung des Wärmeträgerfluides 13 dient. Bei der Umschaltung gelangt der erste Regenerator 24 in den Strömungsweg des heißen Wärmeträgerfluides 13 nach dem Austritt aus der Turbine 20 und wird dabei wieder aufgeladen. Vorzugsweise sind als Regeneratoren 24, 30 so genannte Pebble Heater vorgesehen. After the heat transfer fluid has been 13 relaxed in the turbine 20, it flows through a second regenerator 30, which is heated in the process. After the regenerator 30 has been heated, the flow paths are switched to the first cold regenerator 24 and to the second regenerator 30, so that the cooled heat carrier fluid 13 first re-enters the compressor 14 and, after compression, flows through the hot second regenerator 30, which now heats the heat carrier fluid 13 serves. When switching the first regenerator 24 enters the flow path of the hot heat transfer fluid 13 after exiting the turbine 20 and is recharged. Preferably, as regenerators 24, 30 so-called Pebble Heater provided.
Wie sich aus Fig. 9 weiter ergibt, lässt es das dargestellte Anlagenkonzept zu, einen Teilstrom des Wärmeträgerfluides 13 über eine in Fig. 9 gestrichelt dargestellte Bypassleitung 31 der Brennkammer 26 zuzuführen, um das Temperaturniveau des Wärmeträgerfluides 13 am Austritt aus der Brennkammer 26 entsprechend zu regulieren. As is further apparent from FIG. 9, the illustrated system concept allows a partial flow of the heat transfer fluid 13 to be supplied to the combustion chamber 26 via a bypass line 31 shown in dashed lines in FIG. 9 in order to correspondingly increase the temperature level of the heat transfer fluid 13 at the exit from the combustion chamber 26 regulate.
Das Wärmeträgerfluid 13 wird in einem geschlossenen Kreislauf geführt, wobei es sich bei dem Wärmeträgerfluid 13 auch um Stickstoff handeln kann, so dass eine Korrosion der Heizleiter 3 beim Durchströmen des Wärmespeichers 2 mit dem Wärmeträgerfluid 13 weitgehend ausgeschlossen werden kann. The heat transfer fluid 13 is guided in a closed circuit, it also being possible for the heat carrier fluid 13 to be nitrogen, so that corrosion of the heating conductors 3 when flowing through the heat accumulator 2 with the heat transfer fluid 13 can be largely ruled out.
In Fig. 10 ist eine weitere Ausführungsform eines Wärmespeicherkraftwerks 23 gezeigt. In Fig. 10, another embodiment of a heat storage power plant 23 is shown.
Im Unterschied zu dem in Fig. 9 gezeigten Wärmespeicherkraftwerk 22 ist gemäß Fig. 10 eine Vorwärmung des Wärmeträgerfluides 13 mittels Regeneratoren 24, 25 nicht vorgesehen. Stattdessen wird die Restwärme des Wärmeträgerfluides 13 nach dem Austritt aus der Turbine 20 in einem schematisch dargestellten Dampfkreislauf 32 zur Überhitzung von Dampf genutzt, der in einer Dampfturbine 33 entspannt wird. Die dabei verrichtete mechanische Arbeit wird mit einem weiteren Generator 34 in Strom umgewandelt, der bei hoher Leistungsnachfrage zusammen mit dem bei der Entspannung des Wärmeträgerfluides 13 in der Turbine 20 erzeugten Strom als elektrische Energie 29 in das Stromnetz eingespeist wird. Der nachgeschaltete Dampfkreislauf 32 ermöglicht eine Nutzung der in dem Wärmeträgerfluid 13 nach dem Austritt aus der Turbine 20 noch enthaltenen Wärmeenergie zur Stromerzeugung, was zu einem höheren Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung führt. In contrast to the heat storage power plant 22 shown in FIG. 9, a preheating of the heat transfer fluid 13 by means of regenerators 24, 25 is not provided according to FIG. Instead, the residual heat of the heat transfer fluid 13 is used after exiting the turbine 20 in a steam cycle shown schematically 32 for superheating of steam, which is expanded in a steam turbine 33. The mechanical work done in this process is converted into electricity by a further generator 34, which is fed into the power grid at high power demand together with the current generated in the turbine 20 during the expansion of the heat transfer fluid 13 in the turbine 20. The downstream steam cycle 32 allows utilization of the heat energy still contained in the heat transfer fluid 13 after exiting the turbine 20 for power generation, resulting in a higher efficiency in power generation.
In den Figuren 11 bis 13 ist jeweils ein Verbund 35 gebildet durch eine Mehrzahl von nebeneinanderliegend und übereinander angeordneten Formsteinen 36 für ein Wärmespeichermodul 1 gezeigt. Die Formsteine 36 bilden ein Wärmespeichermaterial des Wärmespeichermoduls 1 , wobei bei einer Temperatur im Bereich von 900 °C bis 1300 °C, insbesondere im Bereich von 1 100 °C bis 1200 °C, mehr als 80 %, vorzugsweise mehr als 90 %, weiter vorzugsweise mehr als 95 %, des Ge- samtwärmeinhalts des Wärmespeichermoduls 1 durch den Wärmeinhalt der Formsteine 36 gebildet wird. FIGS. 11 to 13 each show a composite 35 formed by a plurality of molding blocks 36 arranged next to one another and one above the other for a heat storage module 1. The molded blocks 36 form a heat storage material of the heat storage module 1, wherein at a temperature in the range of 900 ° C to 1300 ° C, in particular in the range of 1 100 ° C to 1200 ° C, more than 80%, preferably more than 90%, on preferably more than 95% of the total total heat content of the heat storage module 1 is formed by the heat content of the molded blocks 36.
Zwischen benachbarten nebeneinander angeordneten Formsteinen 36 werden aufgrund der Randseitengeometrie der Formsteine 36 Durchgangsöffnungen 37 gebildet, durch die der Heizleiter 3 gemäß Figur 13 meanderförmig hindurch geführt ist. Der Heizleiter 3 kann hierbei wiederum in allen drei Raumrichtungen des Wärmespeichermoduls 1 meanderförmig die Formsteine 36 durchsetzen. Der Heizleiter 3 weist einen geringeren Durchmesser als die Durchgangsöffnungen 37 auf, so dass zwischen dem Heizleiter 3 und den Formsteinen 36 ein Ringspalt gebildet wird, der eine Durchströmungsöffnung für das Wärmeträgerfluid 13 bilden kann. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, den Heizleiter 3 einerseits und das Wärmeträgerfluid 13 andererseits durch getrennte Durchgangsöffnungen 37 hindurchzuführen. Auch kann es möglich sein, dass die Formsteine 36 Durchgangsöffnungen für den Heizleiter 3 und/oder für das Wärmeträgerfluid 13 aufweisen. Eine Trennung des Heizleiters 3 von dem Wärmeträgerfluid 13 kann zweckmäßig sein, um Korrosionsschäden an dem Heizleiter 3 aufgrund eines Kontaktes mit dem Wärmeträgerfluid 13 zu verhindern. Between adjacent juxtaposed molded bricks 36 36 through openings 37 are formed due to the edge side geometry of the bricks, through which the heating element 3 is guided according to Figure 13 meandering. In this case, the heating conductor 3 can once again penetrate the shaped stones 36 in all three spatial directions of the heat storage module 1 in a meandering manner. The heating conductor 3 has a smaller diameter than the passage openings 37, so that an annular gap is formed between the heating conductor 3 and the shaped bricks 36, which can form a throughflow opening for the heat transfer fluid 13. In principle, however, it is also possible to pass the heating conductor 3 on the one hand and the heat transfer fluid 13 on the other hand through separate passage openings 37. It may also be possible for the shaped bricks 36 to have passage openings for the heating conductor 3 and / or for the heat transfer fluid 13. A separation of the heating conductor 3 from the heat transfer fluid 13 may be appropriate to prevent corrosion damage to the heating element 3 due to contact with the heat transfer fluid 13.
An der Oberseite weisen die Formsteine 36 Vorsprünge 38 auf, die mit korrespondierenden Vertiefungen 39 an der Unterseite der Formsteine 36 zusammenwirken, so dass es in einfacher Weise möglich ist, die Formsteine 36 bei hoher Stabilität des Verbundes 35 übereinander aufzuschichten und hierbei eine exakte Ausrichtung der Durchströmungsöffnungen 38 zwischen den Formsteinen 36 zu gewährleisten. On the upper side, the shaped bricks 36 have projections 38, which cooperate with corresponding indentations 39 on the underside of the shaped bricks 36, so that it is possible in a simple manner to stack the bricks 36 one above the other with high stability of the composite 35 and thereby achieve an exact alignment of the bricks To ensure flow openings 38 between the blocks 36.
Weitere Aspekte und Merkmale der Erfindung können einen elektrisch beheizbaren Wärmespeicher (2) zur Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie in verbrauchsarmen Zeiten und zur Speicherung und zeitversetzten Übertragung der thermischen Energie an ein Arbeitsfluid eines Wärmespeicherkraftwerkes (22, 23) betreffen, mit wenigstens einem Wärmespeichermodul (1 ), wobei das Wärmespeichermodul (1) wenigstens einen elektrischen Heizwiderstand und den Heizwiderstand umgebende Strömungskanäle für das Arbeitsfluid des Wärmespeicherkraftwerkes (22, 23) aufweist, wobei der Heizwiderstand durch die Entnahme von elektrischer Energie (25) aus einem Stromnetz bestrombar ist und die elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt und vom Heizwiderstand gespeichert wird, wobei das Arbeitsfluid durch direkte Wärmeübertragung vom Heizwiderstand aufheizbar ist und wobei der Anteil des Wärmeinhalts des wenigstens einen Heiz- Widerstands am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls (1) wenigstens 30% beträgt; und/oder wobei das Wärmespeichermodul (1 ) wenigstens ein Formhalteelement (7, 8) aus einem Material mit im Vergleich zum Heizwiderstand geringerer elektrischer Leitfähigkeit zur Stabilisierung des Heizwiderstandes und/oder zur gegenseitigen Isolierung benachbarter Leiterabschnitte des Heizwiderstandes aufweist, wobei der Anteil des Wärmeinhalts des wenigstens einen Formhalteelementes (7, 8) am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls (1) weniger als 70% beträgt; und/oder wobei der Heizwiderstand (3) zu einem die Geometrie des Wärmespeichermoduls (1) festlegenden Raumgebilde geformt ist; und/oder wobei ein modularer Aufbau des Wärmespeichers (2) mit einer Mehrzahl elektrisch beheizbarer Wärmespeichermodule (1 ) vorgesehen ist, wobei jedes Wärmespeichermodul (1) wenigstens einen separaten elektrischen Heizwiderstand aufweist und der Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichers (2) im wesentlichen der Summe der Wärmeinhalte der Wärmespeichermodule (1 ) entspricht und wobei die Heizwiderstände der Wärmespeichermodule (1 ) über Anschlusskontakte (4, 5) elektrisch miteinander kontaktierbar sind; und/oder wobei eine Mehrzahl von Wärmespeichermodulen (1 ) in einer geometrischen Wärmespeicherreihe (10) angeordnet ist und dass die Heizwiderstände der Wärmespeichermodule (1 ) der Wärmespeicherreihe (10) in einem elektrischen Schaltkreis in Reihe geschaltet sind; und/oder wobei wenigstens ein Schalter (16) zur Steuerung der Beladungszeit einer Mehrzahl von Wärmespeichermodulen (1 ) durch Ausbildung einer Reihen- oder Parallelschaltung der Heizwiderstände der Wärmespeichermodule (1) vorgesehen ist; und/oder wobei mehrere voneinander trennbare und nacheinander durchströmbare Durchströmungszellen (12) für das Arbeitsfluid vorgesehen sind, wobei jede Durchströmungszelle (12) eine Mehrzahl von Wärmespeichermodulen (1) aufweist und wobei die Wärmespeichermodule (1 ) einer Durchströmungszelle (12) nachfolgend vom Arbeitsfluid durchströmbar sind; und/oder wobei jede Durchströmungszelle (12) eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Wärmespeicherreihen (10) aufweist, wobei übereinanderliegende Wärmespeichermodule (1 ) der Wärmespeicherreihen (10) nachfolgend vom Arbeitsfluid durchströmbar sind und wobei die Wärmespeicherreihen (10) mit wenigstens einem Schalter (16) bedarfsweise elektrisch in Reihe oder parallel schaltbar sind und/oder wobei die Anzahl der bestromten Wärmespeicherreihen (10) bedarfsweise veränderbar ist; und/oder wobei zwischen zwei benachbarten Durchströmungszellen (12) wenigstens ein verstellbares Absperrelement (18) vorgesehen ist, wobei durch Verstellen des Absperrelementes (18) ein Strömungsweg des Arbeitsfluides durch eine Durchströmungszelle (12) freigegeben und durch die benachbarte andere Durchströmungszelle (12) geschlossen wird. Further aspects and features of the invention may relate to an electrically heatable heat accumulator (2) for the conversion of electrical energy into thermal energy at low-consumption times and for the storage and time-shifted transfer of thermal energy to a working fluid of a heat storage power plant (22, 23) comprising at least one heat storage module (1), wherein the heat storage module (1) at least one electrical heating resistor and the heating resistance surrounding flow channels for the working fluid of the heat storage power plant (22, 23), wherein the heating resistor can be energized by the removal of electrical energy (25) from a power grid and the electrical energy is converted into thermal energy and stored by the heating resistor, wherein the working fluid can be heated by direct heat transfer from the heating resistor and wherein the proportion of heat content of the at least one heating Resistance to the total heat content of the heat storage module (1) is at least 30%; and / or wherein the heat storage module (1) has at least one shape-retaining element (7, 8) of a material with lower electrical conductivity compared to the heating resistor for stabilizing the heating resistor and / or for mutual insulation of adjacent conductor sections of the heating resistor, wherein the content of the heat content of at least one shape-retaining element (7, 8) is less than 70% of the total heat content of the heat storage module (1); and / or wherein the heating resistor (3) is formed into a space defining the geometry of the heat storage module (1); and / or wherein a modular construction of the heat accumulator (2) with a plurality of electrically heatable heat storage modules (1) is provided, each heat storage module (1) has at least one separate electrical heating resistor and the total heat content of the heat accumulator (2) substantially the sum of the heat contents the heat storage modules (1) corresponds and wherein the heating resistors of the heat storage modules (1) via terminal contacts (4, 5) are electrically contacted with each other; and / or wherein a plurality of heat storage modules (1) in a geometric heat storage row (10) is arranged and that the heating resistors of the heat storage modules (1) of the heat storage row (10) are connected in series in an electrical circuit; and / or wherein at least one switch (16) for controlling the loading time of a plurality of heat storage modules (1) by forming a series or parallel connection of the heating resistors of the heat storage modules (1) is provided; and / or wherein a plurality of separable and successively flow-through throughflow cells (12) are provided for the working fluid, each flow cell (12) having a plurality of heat storage modules (1) and wherein the heat storage modules (1) of a flow cell (12) subsequently flowed through by the working fluid are; and or wherein each flow cell (12) comprises a plurality of superimposed heat storage rows (10), wherein superimposed heat storage modules (1) of the heat storage rows (10) are flowed through by the working fluid and wherein the heat storage rows (10) with at least one switch (16), if necessary electrically in Row or are switchable in parallel and / or wherein the number of energized heat storage rows (10) is changed as needed; and / or wherein between two adjacent flow cells (12) at least one adjustable shut-off element (18) is provided, wherein by adjusting the shut-off (18) a flow path of the working fluid through a flow cell (12) released and closed by the adjacent other flow cell (12) becomes.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung kann ein Wärmespeicherkraftwerk (22, 23) ausgebildet zur Entnahme elektrischer Energie (25) aus einem Stromnetz in verbrauchsarmen Zeiten und zur zeitversetzten Abgabe elektrischer Energie (29) bei hoher Leistungsnachfrage betreffen, mit wenigstens einem durch Entnahme der elektrischen Energie (25) aus dem Stromnetz elektrisch beheizbaren Wärmespeicher (2), mit wenigstens einem dem Wärmespeicher (2) vorgeschalteten Verdichter (14) zum Komprimieren eines Arbeitsfluides und mit wenigstens einer dem Wärmespeicher (2) nachgeschalteten Turbine (20) zum Expandieren des im Wärmespeicher (2) erwärmten Arbeitsfluides unter Verrichtung von mechanischer Arbeit und mit einem Generator (21 ) zur Umwandlung der mechanischen Arbeit in elektrische Energie (29). A further aspect of the invention can be a heat storage power plant (22, 23) designed for removing electrical energy (25) from a power grid in low-consumption periods and the delayed delivery of electrical energy (29) at high power demand, with at least one by removal of electrical energy ( 25) from the power grid electrically heatable heat storage (2), with at least one heat storage (2) upstream compressor (14) for compressing a working fluid and at least one heat storage (2) downstream turbine (20) for expanding the in the heat storage (2 ) heated working fluid while performing mechanical work and with a generator (21) for converting the mechanical work into electrical energy (29).

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Elektrisch beheizbarer Wärmespeicher (2) zur Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie und zur Speicherung und zeitversetzten Übertra- gung der thermischen Energie an ein Wärmespeicherkraftwerk (22, 23), wobei die übertragene thermische Energie in dem Wärmespeicherkraftwerk (22, 23) über mechanische Energie in elektrische Energie rückumgewandelt wird, und/oder zur zeitversetzten Auskopplung von Prozesswärme, mit einer Mehrzahl von Wärmespeichermodulen (1 ), wobei jedes Wärmespeichermodul (1 ) wenigstens einen elektrischen Heizwiderstand (3) zur Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie, wenigstens ein durch den Heizwiderstand (3) aufheizbares Wärmespeichermaterial und Strömungskanäle für ein Wärmeträgerfluid (13) aufweist und wobei für eine teilweise oder vollständige Beladung des Wärmespeichers (2) Wärmespeichermodule (1 ) individuell ansteuerbar und unabhängig voneinander bestrombar sind. 1. Electrically heatable heat storage (2) for converting electrical energy into thermal energy and for storing and time-delayed transmission of thermal energy to a heat storage power plant (22, 23), wherein the transmitted thermal energy in the heat storage power plant (22, 23) via mechanical energy is converted back into electrical energy, and / or for time-delayed extraction of process heat, with a plurality of heat storage modules (1), each heat storage module (1) at least one electrical heating resistor (3) for converting electrical energy into heat energy, at least one through the heat resistor (3) heatable heat storage material and flow channels for a heat transfer fluid (13) and wherein for a partial or complete loading of the heat storage (2) heat storage modules (1) are individually energized and independently energized.
2. Wärmespeicher (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schalter (16) zur Ausbildung einer Reihen- oder Parallelschaltung der Heizwiderstände (3) einer Mehrzahl von Wärmespeichermodulen (1 ) vorgesehen ist. 2. Heat storage (2) according to claim 1, characterized in that at least one switch (16) for forming a series or parallel connection of the heating resistors (3) of a plurality of heat storage modules (1) is provided.
3. Wärmespeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere übereinander oder nebeneinander angeordnete Wärmespeichermodule (1 ) eine Durchströmungszelle (12) des Wärmespeichers (2) bilden, wobei die Wärmespeichermodule (1 ) einer Durchströmungs- zelle (12) nachfolgend vom Wärmeträgerfluid (13) durchströmbar sind. 3. Heat storage (2) according to any one of the preceding claims 1 or 2, characterized in that a plurality of superimposed or juxtaposed heat storage modules (1) form a flow cell (12) of the heat accumulator (2), wherein the heat storage modules (1) of a flow cell (12) are subsequently flowed through by the heat transfer fluid (13).
4. Wärmespeicher (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere getrennt voneinander von dem Wärmeträgerfluid (13) durchströmbare Durchströmungszellen (12) vorgesehen sind, wobei der Durchfluss des Wärmeträgerfluides (13) durch jede Durchströmungszelle (12) individuell absperrbar oder regelbar ist. 4. heat storage device (2) according to claim 3, characterized in that a plurality of separate from each other by the heat transfer fluid (13) flow-through flow cells (12) are provided, wherein the flow of the heat transfer fluid (13) through each flow cell (12) is individually shut off or regulated ,
5. Wärmespeicher (2) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Durchströmungszelle (12) für eine teilweise oder vollständige Beladung des Wärmespeichers (2) individuell ansteuerbar und die Wärmespeichermodule (1 ) jeder Durchströmungszelle (12) unabhängig von den Wärmespeichermodulen (1 ) der anderen Durchströmungszellen (12) bestrombar sind. 5. heat accumulator (2) according to claim 3 or 4, characterized in that each flow cell (12) for a partial or complete loading of the heat accumulator (2) individually controllable and the heat storage modules (1) each flow cell (12) independently of the heat storage modules ( 1) of the other flow cells (12) can be energized.
6. Wärmespeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Durchströmungszellen (12) wenigstens ein verstellbares Absperrelement (18) vorgesehen ist, wobei durch Verstellen des Absperrelementes (18) ein Strömungsweg des Wärmeträgerfluides (13) durch eine Durchströmungszelle (12) freigegeben und durch die benachbarte andere Durchströmungszelle. 6. Heat storage (2) according to one of the preceding claims 3 to 5, characterized in that between two adjacent flow cells (12) at least one adjustable shut-off element (18) is provided, wherein by adjusting the shut-off element (18) a flow path of the heat transfer fluid (13 ) is released through a flow cell (12) and through the adjacent other flow cell.
7. Wärmespeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Durchströmungszelle (12) eine Mehrzahl von überei- nander angeordneten Wärmespeicherreihen (10) aufweist, wobei jede Wärmespeicherreihe mehrere Wärmespeichermodule (1) aufweist und die übereinanderliegenden Wärmespeicherreihen (10) nachfolgend vom Wärmeträgerfluid (13) durchströmbar sind und wobei die Wärmespeicherreihen (10) mit wenigstens einem Schalter (16) bedarfsweise elektrisch in Reihe oder parallel schaltbar sind und/oder wobei die Anzahl der bestromten Wärmespeicherreihen (10) bedarfsweise veränderbar ist. 7. heat accumulator (2) according to any one of the preceding claims 3 to 6, characterized in that each flow cell (12) has a plurality of overexposed heat storage rows (10), each heat storage row comprises a plurality of heat storage modules (1) and the superposed heat storage rows (10) are subsequently flowed through by the heat transfer fluid (13) and wherein the heat storage rows (10) with at least one switch (16), if necessary electrically in series or in parallel are switchable and / or wherein the number of energized heat storage rows (10) is changed as needed.
8. Wärmespeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragung zwischen dem Heizwiderstand (3) und dem Wärmespeichermaterial durch erzwungene Konvektion und/oder durch Strahlung erfolgt. 8. heat storage (2) according to any one of the preceding claims, characterized in that the heat transfer between the heating resistor (3) and the heat storage material by forced convection and / or by radiation.
9. Wärmespeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermaterial durch Formsteine (36) gebildet wird, wobei die Formsteine (36) eine Mehrzahl von Durchströmungsöffnungen (38) für das Wärmeträgerfluid (13) und/oder eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (37) für den Heizleiter (3) aufweisen. 9. heat storage device (2) according to any one of the preceding claims, characterized in that the heat storage material is formed by molded blocks (36), wherein the molded blocks (36) has a plurality of flow openings (38) for the heat transfer fluid (13) and / or a plurality of passage openings (37) for the heating conductor (3).
10. Wärmespeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass jedes Wärmespeichermodul (1 ) in einem Verbund (35) angeordnete Formsteine (36) aufweist, wobei der Heizwiderstand (3) mehrfach, vorzugsweise meanderförmig, durch den Verbund hindurchgeführt ist. 10. Heat store (2) according to any one of the preceding claims, character- ized in that each heat storage module (1) in a composite (35) arranged shaped blocks (36), wherein the heating resistor (3) multiple, preferably meandering, through the composite passed through.
1 1. Wärmespeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Anteil des Wärmeinhalts des wenigstens einen Heizwiderstands (3) am Gesamtwärmeinhalt des Wärmespeichermoduls (1) weniger als 20%, vorzugsweise weniger als 10%, insbesondere weniger als 5%, beträgt. 1 1. A heat accumulator (2) according to any one of the preceding claims, character- ized in that the proportion of heat content of the at least one heating resistor (3) in the total heat content of the heat storage module (1) less than 20%, preferably less than 10%, in particular less than 5%.
12. Wärmespeicherkraftwerk (22, 23) ausgebildet zur Entnahme elektrischer Energie (25) aus einem Stromnetz in verbrauchsarmen Zeiten und zur zeitversetzten Abgabe elektrischer Energie (29) bei hoher Leistungsnachfrage, mit wenigstens einem durch Entnahme der elektrischen Energie (25) aus dem Stromnetz elektrisch beheizbaren Wärmespeicher (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmespeicherkraftwerk zur RückUmwandlung von thermischer Energie aus dem Wärmespeicher (2) über mechanische Energie in elektrische Energie ausgebildet ist. 12. heat storage power plant (22, 23) designed for removing electrical energy (25) from a power grid in low-consumption times and the time-delayed delivery of electrical energy (29) at high power demand, with at least one by removing the electrical energy (25) from the mains electricity Heatable heat accumulator (2) according to one of the preceding claims, wherein the heat storage power plant is designed for the return conversion of thermal energy from the heat accumulator (2) via mechanical energy into electrical energy.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109426285A (en) * 2017-08-31 2019-03-05 沈阳兰昊新能源科技有限公司 The control system of electric heat storage energy device
US10876765B2 (en) 2018-11-28 2020-12-29 Element 16 Technologies, Inc. Systems and methods of thermal energy storage

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3002528B1 (en) * 2014-09-30 2018-01-31 Lumenion GmbH Heat accumulator and method for operating a heat accumulator
WO2016165724A1 (en) 2015-04-13 2016-10-20 Karl Brotzmann Consulting Gmbh Energy storage via thermal stores and air turbine
EP3139107B1 (en) 2015-09-04 2019-08-28 Lumenion GmbH Thermal storage device and method for operating a thermal storage device
EP3379191B1 (en) 2017-03-20 2020-03-11 Lumenion GmbH Thermal storage device and method for operating a thermal storage device
CN113865401B (en) * 2021-11-23 2023-05-09 浙江大学 Heat storage system and heat storage method

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1495696A (en) * 1966-09-30 1967-09-22 Alexander Dunn Ltd Storage heaters
GB2241568A (en) * 1990-03-02 1991-09-04 Creda Ltd Boilers
WO2006072178A1 (en) * 2005-01-06 2006-07-13 New World Generation Inc. Thermal storage medium

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1273855A (en) * 1970-03-26 1972-05-10 Electricity Council Improvements in or relating to electrically heated storage radiators
US5384489A (en) 1994-02-07 1995-01-24 Bellac; Alphonse H. Wind-powered electricity generating system including wind energy storage
US6408627B1 (en) * 2001-05-21 2002-06-25 Active Power, Inc. Integrated continuous power system assemblies
EP1577549A1 (en) 2004-03-16 2005-09-21 Abb Research Ltd. Apparatus for storing thermal energy and generating electricity
EP1577548A1 (en) 2004-03-16 2005-09-21 Abb Research Ltd. Apparatus and method for storing thermal energy and generating electricity
EP1799971B1 (en) * 2004-07-23 2012-12-12 New World Generation Inc. Electric power plant with thermal storage medium
AT506477B1 (en) * 2008-02-21 2010-07-15 Schweighofer Franz HEAT STORAGE DEVICE
EP2101051A1 (en) 2008-03-12 2009-09-16 Siemens Aktiengesellschaft Storage of electrical energy in a heat accumulator and reverse electrical energy production by means of a thermodynamic cycle
EP2369288A1 (en) * 2010-03-11 2011-09-28 Siemens Aktiengesellschaft Energy transfer system comprising a phase change material

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1495696A (en) * 1966-09-30 1967-09-22 Alexander Dunn Ltd Storage heaters
GB2241568A (en) * 1990-03-02 1991-09-04 Creda Ltd Boilers
WO2006072178A1 (en) * 2005-01-06 2006-07-13 New World Generation Inc. Thermal storage medium

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109426285A (en) * 2017-08-31 2019-03-05 沈阳兰昊新能源科技有限公司 The control system of electric heat storage energy device
US10876765B2 (en) 2018-11-28 2020-12-29 Element 16 Technologies, Inc. Systems and methods of thermal energy storage

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