WO2014183892A1 - Thermischer energiespeicher - Google Patents

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Uwe Lenk
Jochen SCHÄFER
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention relates to a thermal energy ⁇ memory, in particular a PCM memory.
  • thermal energy storage heat When loading and unloading thermal energy storage heat must be transferred to the storage material via a heat transfer medium or discharged from the storage material to a heat transfer medium. This is often done for example via an intermediate circuit, for example with thermal oil. In this case, an additional temperature difference is accepted or the heat transfer takes place directly via a heat transfer medium such as air. So far, this is also the procedure for regenerative storage. Their unloading and loading takes place in certain temperature bands, which may be larger or smaller depending on the further use of the stored heat.
  • PCM phase change material
  • the loading and unloading of the storage tank should take place at a temperature that is as constant as possible. Only when the loading and unloading of the PCM is at the same transformation temperature of this material, the transformation enthalpy is fully utilized. In order to ensure this almost has been on an intermediate cycle, for example with thermal oil or air, fall back, making an additional heat exchanger necessary and represents an additional Temperaturdif ⁇ ference. This additional temperature difference would even be particularly large due to the poor heat transfer coefficient of air or oil in a heat exchanger to the storage material. Due to the usually very low thermal conductivity of PCM materials, such as paraffin, also very large heat exchanger are required to achieve a corresponding charge and discharge capacity. It is an object of the present invention to provide an improved thermal energy storage, which manages without an intermediate circuit with additional heat exchanger.
  • the thermal energy storage system of the invention USAGE ⁇ det a phase change material as a heat storage material, and a working fluid as heat transfer material.
  • the heat storage material is a solid-solid phase change material or a dimensionally stable solid-liquid phase change material. This means that the phase change material remains dimensionally stable even in the flüssi ⁇ gen phase.
  • a process material is set a ⁇ as a working fluid which is suitable for high temperature applications.
  • a fluorine ketone is used as the working fluid.
  • solid-solid phase change materials and dimensionally stable solid-liquid phase change materials has the advantage that the shape and thus the surface of the material is retained.
  • Dimensionally stable solid-liquid phase transformations occur, for example, in molecules of very high chain length, e.g.
  • ultra high molecular weight polyethylene could be used as such a rigid solid liquid PCM.
  • the phases is sen facialmaterial this so designed that it has a maxi ⁇ male contact surface with the working fluid.
  • Embodiments are for the De ⁇ sign of the memory similarly as in possible heat sinks with knobs, corrugations or ribs for enlarging the surface.
  • An embodiment of the storage material such that the largest possible area for the direct evaporation and condensation of the working fluid can also be, for example, that the surface has a certain roughness or that it is a porous storage material. Even a simple division of the PCM memory into smaller units instead of one ⁇ individual memory block causes already an advantageous magnification ⁇ fication of the contact area.
  • the heat storage is connected to the heat discharge with an Organic Rankine cycle. Due to the highest possible efficiency achieved by the direct evaporation of the working fluid on the PCM, an organic Rankine cycle power plant process can be operated.
  • the thermal energy store is additionally coupled to a high-temperature heat pump cycle for heat loading of the storage material.
  • a combination of the direct th PCM memory with an Organic Rankine cycle both as well as a high temperature heat pump allows to use the same working fluid for both Ar ⁇ beitsniklot.
  • working agents from the family of fluorinated ketones are particularly suitable for this purpose.
  • the thermal energy ⁇ storage system for example, so ausgestaltbar that both circuits have a common supply and discharge to or from the heat storage.
  • the heat storage is then connected via the common supply and discharge via a 3-way valve with the Organic Rankine cycle or with the circuit of the high temperature heat pump.
  • the figure shows a flow diagram of a thermal energy storage system.
  • the energy store with the phase change material 10 is shown centrally in the middle of the diagram.
  • the energy storage is designed so that it offers the largest possible surface, which can be overflowed by the heat transfer ⁇ medium, for example, a fluorine ketone.
  • the supply and discharge for just this working fluid from and to the thermal energy storage 10 connects to a respective 3-way valve 17.
  • the circuit 20 for discharging the memory 10 in the case shown is an Organic Rankine cycle.
  • the heat storage 10 acts as an evaporator 27, which means that the Working fluid in direct contact with the PCM material 10 condensed ⁇ .
  • the thermal energy storage 10 When changing the valve position of the 3-way valves 17, the thermal energy storage 10 is connected to the circuit of a high-temperature pump 30 and can be loaded on this again.
  • the heat accumulator 10 acts as a condenser 37, in which the working fluid condenses in contact with the PCM material 10.
  • the high temperature heat pump circuit 30 has in the flow direction of the working medium the following components: an expansion Sven ⁇ til 33 is connected upstream of the evaporator 31 which receives by ei ⁇ nes heat exchanger 32 heat from the environment Q into or out of egg ⁇ nem other connected working circuit. Then there is the compressor 35, which is driven by a motor 34.

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Abstract

Das erfindungsgemäße thermische Energiespeichersystem arbeitet mit einem Phasenwechselmaterial als Wärmespeichermaterial und einem Arbeitsfluid als Wärmetransportmaterial wobei das Wärmespeichermaterial ein fest-fest-Phasenwechselmaterial oder ein formstabiles fest-flüssig-Phasenwechselmaterial. Das Phasenwechselmaterial ist so in einen Organic-Rankine-Kreis- lauf und/oder in einen Kreislauf einer Hochtemperaturwärmepumpe integriert, dass das Arbeitsfluid zum Wärmebeladen oder -entladen des Phasenwechselmaterials in direkten Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial geführt werden kann und so die Kondensation beziehungsweise die Verdampfung des Arbeitsfluids direkt an der Oberfläche des Phasenwechselmaterials passiert, was einen größtmöglichen Wirkungsgrad gewährleistet.

Description

Beschreibung
Thermischer Energiespeicher
Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermischen Energie¬ speicher, insbesondere einen PCM-Speicher .
Beim Be- und Entladen thermischer Energiespeicher muss Wärme über einen Wärmeträger auf das Speichermaterial übertragen werden oder vom Speichermaterial an einen Wärmeträger abgegeben werden. Dies erfolgt häufig beispielsweise über einen Zwischenkreislauf, zum Beispiel mit Thermoöl. Dabei wird eine zusätzliche Temperaturdifferenz in Kauf genommen oder die Wärmeübertragung erfolgt direkt über einen Wärmeträger wie beispielsweise Luft. Dies ist bisher auch die Vorgehensweise bei regenerativen Speichern. Deren Entladen und Beladen erfolgt in bestimmten Temperaturbändern, die je nach Weiterverwendung der gespeicherten Wärme größer oder kleiner sein dürfen .
Wird als Speichermaterial ein Phasenwechselmaterial (PCM) verwendet, soll das Beladen und Entladen des Speichers bei möglichst konstanter Temperatur erfolgen. Nur wenn das Beladen und Entladen des PCM bei eben der Umwandlungstemperatur dieses Materials liegt, wird die Umwandlungsenthalpie voll ausgenutzt. Um dies annähernd gewährleisten zu können muss bisher auf einen Zwischenkreislauf, etwa mit Thermoöl oder Luft, zurückgegriffen werden, was einen zusätzlichen Wärmetauscher notwendig macht und eine zusätzliche Temperaturdif¬ ferenz bedeutet. Diese zusätzliche Temperaturdifferenz würde aufgrund des schlechten Wärmeübergangskoeffizienten von Luft oder Öl in einem Wärmetauscher an das Speichermaterial sogar besonders groß ausfallen. Aufgrund der meist sehr niedrigen Wärmeleitfähigkeiten von PCM-Materialen, wie beispielsweise Paraffin, sind außerdem sehr großflächige Wärmetauscher erforderlich um eine entsprechende Lade- und Entladeleistung zu erreichen . Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten thermischen Energiespeicher anzugeben, der ohne einen Zwischenkreislauf mit zusätzlichem Wärmetauscher auskommt.
Die Aufgabe ist durch ein System gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße thermische Energiespeichersystem verwen¬ det ein Phasenwechselmaterial als Wärmespeichermaterial und ein Arbeitsfluid als Wärmetransportmaterial. Dabei ist das Wärmespeichermaterial ein fest-fest-Phasenwechselmaterial oder ein formstabiles fest-flüssig-Phasenwechselmaterial . Das bedeutet, dass das Phasenwechselmaterial auch in der flüssi¬ gen Phase formstabil bleibt. Das Phasenwechselmaterial ist dabei so in einen Kreislauf des Arbeitsfluids zum Wärmebela¬ den oder -entladen des Phasenwechselmaterials integriert, dass das Arbeitsfluid in direkten Kontakt mit dem Phasenwech¬ selmaterial führbar ist, so dass die Kondensation bzw. die Verdampfung des Arbeitsfluids direkt an der Oberfläche des Phasenwechselmaterials vornehmbar ist. Dies hat den Vorteil, dass durch die direkte Verdampfung und Kondensation des Ar- beitsfluids auf dem Phasenwechselmaterial hohe Wärmeüber¬ gangskoeffizienten erhalten werden, sodass insgesamt nur kleine Temperaturdifferenzen zur Umwandlungstemperatur des Phasenwechselmaterials entstehen. Dadurch wird ein größtmög¬ licher Wirkungsgrad erreicht. Dies kann sich besonders vor¬ teilhaft auswirken wenn der Entladevorgang des PCM-Speichers beispielsweise mit einem Kraftwerksprozess gekoppelt wird. Wird die Wärme des PCM-Speichers etwa für einen Organic- Rankine-Cycle-Prozess genutzt, dürfen die Temperaturbänder nicht zu groß sein, da eine Temperaturabnahme mit einer Ab¬ nahme des Wirkungsgrades verbunden wäre. Diese Anwendungsform ist daher durch den erfindungsgemäßen thermischen Energiespeicher ermöglicht.
Beispielsweise wird als Arbeitsfluid ein Prozessmaterial ein¬ gesetzt, welches für Hochtemperaturanwendungen geeignet ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Arbeitsfluid ein Fluorketon eingesetzt.
Der Einsatz von fest-fest-Phasenwechselmaterialien und form- stabilen fest-flüssig-Phasenwechselmaterialien hat eben den Vorteil, dass die Form und somit die Oberfläche des Materials erhalten bleibt. Formstabile fest-flüssig-Phasenumwandlungen kommen etwa bei Molekülen sehr hoher Kettenlänge vor, z.B. wäre ultrahochmolekulares Polyethylen als solches formstabi- les fest-flüssig-PCM einsetzbar.
Durch die Gewährleistung einer formstabilen Oberfläche kann eben diese Fläche direkt zur Verdampfung und Kondensation des Arbeitsfluids eingesetzt werden. Insbesondere wird das Pha- senwechselmaterial dafür so ausgestaltet, dass es eine maxi¬ male Kontaktfläche mit dem Arbeitsfluid aufweist. Für das De¬ sign des Speichers sind Ausgestaltungen ähnlich wie bei Kühlkörpern mit Noppen, Wellen oder Rippen zur Oberflächenvergrößerung möglich. Eine Ausgestaltung des Speichermaterials da- hingehend, dass eine möglichst große Fläche für die direkte Verdampfung und Kondensation des Arbeitsfluids entsteht kann auch beispielsweise darin bestehen, dass die Oberfläche eine gewisse Rauigkeit aufweist oder, dass es sich um ein poröses Speichermaterial handelt. Auch eine einfache Aufteilung des PCM-Speichers in kleinere Untereinheiten anstelle eines ein¬ zelnen Speicherblocks bewirkt schon eine vorteilhafte Vergrö¬ ßerung der Kontaktfläche.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Wärmespeicher zum Wärmeentladen mit einem Organic- Rankine-Kreislauf verbunden. Durch den erzielten größtmögli¬ chen Wirkungsgrad durch die direkte Verdampfung des Arbeits- fluids auf dem PCM kann ein Organic-Rankine-Cycle-Kraftwerks- prozess betrieben werden.
Insbesondere wird der thermische Energiespeicher zusätzlich mit einem Hochtemperaturwärmepumpenkreislauf zum Wärmebeladen des Speichermaterials gekoppelt. Eine Kombination des direk- ten PCM-Speichers mit einem Organic-Rankine-Cycle sowohl als auch einer Hochtemperaturwärmepumpe ermöglicht, für beide Ar¬ beitskreisläufe das gleiche Arbeitsfluid zu verwenden. Dafür sind beispielsweise Arbeitsmittel aus der Familie der Fluor- ketone besonders geeignet. Damit ist das thermische Energie¬ speichersystem beispielsweise auch so ausgestaltbar, dass beide Kreisläufe eine gemeinsame Zu- und Ableitung zum bzw. vom Wärmespeicher aufweisen. Insbesondere ist dann der Wärmespeicher über die gemeinsame Zu- und Ableitung je über ein 3-Wege-Ventil mit dem Organic-Rankine-Kreislauf oder mit dem Kreislauf der Hochtemperaturwärmepumpe verbindbar.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in exemplarischer Weise mit Bezug auf die angehängte Zeichnung beschrieben:
Die Figur zeigt ein Fließdiagramm eines thermischen Energiespeichersystems. Dabei ist zentral in der Mitte des Diagramms der Energiespeicher mit dem Phasenwechselmaterial 10 gezeigt. Dabei ist der Energiespeicher so ausgestaltet, dass er eine möglichst große Oberfläche anbietet, die vom Wärmetransport¬ medium, zum Beispiel einem Fluorketon, Überflossen werden kann. Die Zu- und Ableitung für eben dieses Arbeitsfluid vom und zum thermischen Energiespeicher 10 schließt an je ein 3- Wege-Ventil 17 an. Je nach Ventilstellung kann der Speicher 10 mit einem Kreislauf 20 zum Entladen des Speichers 10 ver¬ bunden werden oder mit einem Kreislauf 30 zum Beladen des Speichers 10. Der Kreislauf 20 zum Entladen des Speichers 10 ist im gezeigten Fall ein Organic-Rankine-Kreislauf. Dieser weist in der Reihenfolge des Arbeitsmittelflusses folgende Bauteile auf: Einen Generator 24 zum Antrieb einer Turbine 25, einen Verflüssiger 21 mit Wärmetauscher 22, über den Wärme Qout an die Umgebung oder an einen weiteren Arbeitskreis¬ lauf abgegeben werden kann. Danach folgt eine Flüssigkeits- pumpe 23, die für den Weitertransport des Arbeitsmediums zum Energiespeicher 10 hin sorgt. Beim Entladen des Wärmespeichers 10 über den Organic-Rankine-Kreislauf 20 agiert der Wärmespeicher 10 als Verdampfer 27, was bedeutet, dass das Arbeitsfluid in direktem Kontakt mit dem PCM-Material 10 kon¬ densiert .
Bei Änderung der Ventilstellung der 3-Wege-Ventile 17 wird der thermische Energiespeicher 10 an den Kreislauf einer Hochtemperaturpumpe 30 angeschlossen und kann über diesen wieder beladen werden. Beim Beladevorgang agiert also der Wärmespeicher 10 als Verflüssiger 37, bei dem das Arbeitsfluid in Kontakt mit dem PCM-Material 10 kondensiert. Der Hochtemperaturwärmepumpenkreislauf 30 weist in Flussrichtung des Arbeitsmediums folgende Bauteile auf: Ein Expansionsven¬ til 33 ist vor den Verdampfer 31 geschaltet, der mittels ei¬ nes Wärmetauschers 32 Wärme aus der Umgebung Qin oder aus ei¬ nem weiteren angeschlossenen Arbeitskreislauf aufnimmt. Da- nach befindet sich der Kompressor 35, der über einen Motor 34 angetrieben wird.

Claims

Thermisches Energiespeichersystem mit einem Phasenwech- selmaterial (10) als Wärmespeichermaterial und einem Ar- beitsfluid als Wärmetransportmaterial
wobei das Wärmespeichermaterial ein fest-fest- Phasenwechselmaterial oder ein formstabiles fest-flüssig- Phasenwechselmaterial ist und
wobei das Phasenwechselmaterial (10) so in einen Kreis¬ lauf des Arbeitsfluids zum Wärmebeladen oder -entladen des Phasenwechselmaterials (10) integriert ist (27, 37), dass das Arbeitsfluid in direkten Kontakt mit dem Phasen¬ wechselmaterial (10) führbar ist, so dass die Kondensati¬ on (37) beziehungsweise die Verdampfung (27) des Arbeits- fluids direkt an der Oberfläche des Phasenwechselmateri¬ als (10) vornehmbar ist.
Thermisches Energiespeichersystem nach Anspruch 1 wobei das Arbeitsfluid ein Fluoroketon ist.
Thermisches Energiespeichersystem nach Anspruch 1 oder 2 wobei das Phasenwechselmaterial (10) so ausgestaltet ist, dass es eine maximale Kontaktfläche mit dem Arbeitsfluid aufweist .
Thermisches Energiespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Organic-Rankine-Kreislauf (20) zum Wärmeentladen (27) des Wärmespeichers (10) .
Thermisches Energiespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Hochtemperaturwärmepumpe (30) zum Wärmebeladen (37) des Wärmespeichers (10) .
Thermisches Energiespeichersystem nach den vorstehenden Ansprüchen 4 und 5 wobei in den Kreisläufen, dem Organic- Rankine-Kreislauf (20) wie dem Kreislauf der Hochtempera¬ turwärmepumpe (30) das gleiche Arbeitsfluid verwendet wird und beide Kreisläufe (20, 30) eine gemeinsame Zu- und Ableitung zum beziehungsweise vom Wärmespeicher (10) aufweisen .
Thermisches Energiespeichersystem nach Anspruch 6 wobei der Wärmespeicher (10) über die gemeinsame Zu- und Ablei tung je über ein Dreiwegeventil (17) mit dem Organic- Rankine-Kreislauf (20) oder mit dem Kreislauf der Hoch¬ temperaturwärmepumpe (30) verbindbar ist.
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