WO2015154862A1 - Verfahren und anlage zum speichern und rückgewinnen von energie - Google Patents

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Alexander Alekseev
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Linde Aktiengesellschaft
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    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/06—Splitting of the feed stream, e.g. for treating or cooling in different ways
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    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/30—Compression of the feed stream
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/10—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream the fluid being air
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/90—Hot gas waste turbine of an indirect heated gas for power generation
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/04—Internal refrigeration with work-producing gas expansion loop
    • F25J2270/06—Internal refrigeration with work-producing gas expansion loop with multiple gas expansion loops

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for storing and recovering energy, in particular electrical energy, according to the
  • DE 31 39 567 A1 and EP 1 989 400 A1 disclose liquid air or liquid nitrogen, ie cryogenic air liquefaction products, for
  • the air liquefaction product is stored in a tank system with cryogenic tanks. This mode of operation takes place in a period of time, here as
  • the air liquefaction product is withdrawn from the tank system, pressure increased by a pump and warmed to about ambient temperature or higher and thus converted to a gaseous or supercritical state.
  • a pressure flow obtained in this way is involved in an energy recovery unit in an expansion turbine or in several expansion turbines
  • Energy recovery unit converted into electrical energy and fed into an electrical grid. This mode of operation takes place in a period of time, here as
  • the released during the transfer of the air liquefaction product in the gaseous or supercritical state during the energy recovery period Cold can be stored and used during the energy storage period to provide refrigeration to recover the air liquefaction product.
  • compressed air storage power plants in which the air is not liquefied, but compressed in a compressor and stored in an underground cavern.
  • the compressed air from the cavern is directed into the combustion chamber of a gas turbine.
  • the gas turbine is supplied via a gas line fuel, such as natural gas, and burned in the atmosphere formed by the compressed air.
  • the formed exhaust gas is expanded in the gas turbine, thereby generating energy.
  • the present invention is to be distinguished from methods and apparatus in which an oxygen-rich fluid is introduced to promote oxidation reactions in a gas turbine.
  • Corresponding methods and devices basically work with air liquefaction products which (significantly) more than 40
  • the economics of such methods and devices are greatly affected by the overall efficiency.
  • the invention is therefore based on the object to improve corresponding methods and devices in this regard.
  • the present invention proposes a method and a system for storing and recovering energy, in particular electrical energy, with the features of the respective independent patent claims.
  • a “power generation unit” is understood here to mean a plant or a plant part which is or is set up for generating electrical energy.
  • a Energy generating unit includes in the context of the present invention, at least two expansion turbines, which are advantageously coupled to at least one electric generator. One with at least one electric
  • Generator coupled relaxation machine is also referred to as a "generator turbine”.
  • the released during the relaxation of a fluid in an expansion turbine or generator turbine mechanical power can in the
  • Energy recovery unit are converted into electrical energy.
  • Expansion turbines or energy converters such as oil brakes, generators or compressor stages can be coupled, is set up to relax a supercritical, gaseous or at least partially liquid stream.
  • expansion turbines may be used in the present invention as
  • Turboexpander be formed. If one or more expansion turbines designed as turboexpanders are coupled with only one or more compressor stages, for example in the form of centrifugal compressor stages, and if necessary mechanically braked, they are without external, for example by means of a
  • booster turbine compresses at least one current by the relaxation of at least one other current, but without external, for example by means of an electric motor, supplied energy.
  • a “gas turbine unit” is understood to mean an arrangement of at least one combustion chamber and at least one of these downstream expansion turbines (the gas turbine in the narrower sense). In the latter, hot gases are released from the combustion chamber to perform work.
  • a gas turbine engine further includes at least one compressor stage driven by the expansion turbine via a common shaft, typically at least one axial compressor stage. A part of the mechanical energy generated in the expansion turbine is usually used to drive the at least one
  • Compressor stage used. Another part is used regularly to generate
  • a "combustion turbine unit” has only the mentioned combustion chamber and a downstream expansion turbine.
  • a compressor is usually not provided.
  • a "hot gas turbine unit” in contrast to a gas turbine unit instead of a combustion chamber on a heater.
  • a hot gas turbine unit may be formed in one stage with a heater and an expansion turbine. Alternatively, several can
  • Expansion turbines preferably with intermediate heating, be provided.
  • a further heater may be provided downstream of the "last" expansion turbine.
  • the hot gas turbine is also preferably coupled to one or more generators for generating electrical energy.
  • a “compressor device” is understood here to mean a device which is capable of compressing at least one gaseous stream of at least one
  • Inlet pressure at which it is supplied to the compressor device is adapted to at least one final pressure at which this is taken from the compressor device.
  • the compressor device thereby forms a structural unit, which, however, can have a plurality of individual “compressors” or “compressor stages” in the form of known piston, screw and / or paddle wheel or turbine arrangements (ie radial or axial compressor stages). In particular, these are
  • Compressor stages by means of a common drive, for example via a common shaft or a common electric motor driven.
  • a common drive for example via a common shaft or a common electric motor driven.
  • compressors e.g. Compressor in an inventively used
  • Air conditioning unit can together one or more
  • an "air conditioning unit” comprises at least one adiabatically operated compressor device and at least one adsorptive air purification device.
  • Adsorptive air cleaners are well known in the art of air separation.
  • adsorptive Air purification devices are guided one or more air streams through one or more adsorber, which are filled with a suitable adsorption material, such as molecular sieve.
  • the present invention comprises at least the liquefaction of air to an air liquefaction product.
  • the devices used for this purpose can also be summarized under the term "air treatment unit". This is understood in the parlance of the present application, a system which is adapted to recover at least one air liquefaction product from air. Sufficient for an air treatment unit for use in the present
  • Air liquefaction product can be obtained, which can be used as a storage liquid and transferred to a tank system.
  • An "air separation plant” is charged with atmospheric air and has a distillation column system for decomposing the atmospheric air into its physical components, particularly nitrogen and oxygen. For this purpose, the air is first cooled to near its dew point and then introduced into the distillation column system.
  • an "air liquefaction plant” does not include
  • Air separation plant with the delivery of an air liquefaction product.
  • air liquefaction product is any product that can be produced, at least by compressing, cooling, and then deflating air in the form of a cryogenic liquid. In particular, it can be at a
  • liquid oxygen and liquid nitrogen in each case also designate a cryogenic liquid which has oxygen or nitrogen in an amount which is above that of atmospheric air. It does not necessarily have to be pure liquids with high contents of oxygen or nitrogen. Under liquid nitrogen is thus understood as pure or substantially pure nitrogen, as well as a mixture of liquefied air gases, its nitrogen content higher than that of the atmospheric air. For example, it has a nitrogen content of at least 90, preferably at least 99 mole percent.
  • Phase transition occurs in the true sense. This is also referred to as "pseudoevaporating". At subcritical pressure, there is a phase transition from the liquid to the gaseous state, ie a conventional "evaporation". In the context of the present application, a liquefaction therefore comprises both evaporation and pseudo-vaporization. After liquefaction, whether from the gaseous or supercritical state, there is always a liquid. Both cases are therefore covered by the term "liquefaction”.
  • Air liquefaction product, electricity, etc. is understood to mean a liquid medium whose boiling point is significantly below the respective ambient temperature and, for example, 200 K or less, in particular 220 K or less.
  • Examples are liquid air, liquid oxygen, liquid nitrogen, etc.
  • a "fixed bed cold storage unit” is understood to mean a device which contains a solid material suitable for cold storage and has fluid guidance means through this material.
  • Fixed bed cold storage units which are also referred to as regenerators in conventional air separation plants and are also used there for the separation of undesirable components such as water and / or carbon dioxide include, for example channeled concrete blocks (unusual in air separation plants), (stone) beds and / or fluted aluminum sheets and are in each of the streams to be cooled or heated
  • cold storage or "(fixed bed) cold storage unit” as opposed to “heat storage” or “heat storage unit” is used to express the difference in the operating temperature.
  • the fixed-bed cold storage unit is condensed in the context of the present invention for liquefaction and Adsorptively purified air to an air liquefaction product and its
  • the heat storage devices used in the present invention are always operated at significantly higher temperatures and serve to store in the adiabatic compression of the air generated (compression) heat.
  • a refrigeration or heat storage unit comprises one or more refrigeration or heat storage unit.
  • Heat storage with appropriate refrigeration and heat storage media The usable in one or more cold or heat storage refrigeration or
  • Thermal storage media depend on the configuration of the process.
  • Thermal storage and (fixed bed) cold storage are extensively described in the pertinent literature (see, for example, i.Dinger and M.A. Rosen, "Thermal Energy Storage Systems and Applications", Chichester, John Wiley & Sons 2002).
  • Suitable storage media are, for example, rock, concrete, brick, man-made ceramics or cast iron.
  • For lower storage temperatures are also suitable earth, gravel, sand or gravel.
  • Other storage media such as thermal oils or molten salts are known, for example, in the field of solar technology. In corresponding cold stores, it may prove to be particularly advantageous to provide the storage medium in an insulated container, which allows a lossless or almost lossless heat or cold storage.
  • a "countercurrent heat exchange unit” is one or more countercurrent heat exchangers, such as one or more
  • Plate heat exchanger formed. Unlike one
  • Countercurrent heat exchange unit not by delivery to or absorption of heat from a fixed bed, but indirectly to a or out of a countercurrent heat or cold carrier.
  • Countercurrent heat exchange unit for use in the present invention are all known heat exchangers, such as plate heat exchangers, shell and tube heat exchangers and the like.
  • a countercurrent heat exchange unit serves for the indirect transfer of heat between at least two countercurrent flows, for example a warm compressed air flow and one or more cold streams or a cryogenic air liquefaction product and one or more warm streams.
  • a counterflow heat exchange unit may be formed from a single or multiple heat exchanger sections connected in parallel and / or in series, for example one or more
  • heat exchanger blocks Is here below a "heat exchanger” the speech, this can be understood as a countercurrent heat exchanger or another heat exchanger.
  • a heat storage unit used in the context of the present invention may also comprise a countercurrent heat exchanger through which, for example, a suitable heat storage fluid, such as the mentioned thermal oil, flows through in countercurrent to a stream to be heated or cooled.
  • a suitable heat storage fluid such as the mentioned thermal oil
  • Heat storage fluid which forms the heat storage medium here, can be provided for example in a double or multiple tank arrangement, as also explained in more detail below.
  • a “heater” is understood to mean a system for indirect heat exchange between a heating fluid and a gaseous fluid to be heated. By means of such a heater, residual heat, waste heat,
  • Process heat, solar heat, etc. transferred to the gaseous fluid to be heated and used to generate energy in a hot gas turbine.
  • pressure levels and temperature levels can be in disjoint areas or in areas that overlap one another.
  • pressure levels include unavoidable pressure drops or expected
  • the invention proposes a method for storing and recovering energy in which an air liquefaction product is formed in an energy storage period and in an energy recovery period using at least part of the air liquefaction product without heat supply from an external energy source
  • Air liquefaction product is any liquid product which can be produced by compression and cryogenic cooling of air.
  • the present invention will be described below with particular reference to liquid air as
  • Air liquefaction products in particular oxygen-containing air liquefaction products.
  • an oxygen-containing fluid is advantageously used
  • energy storage period and energy recovery period have already been mentioned. These are understood in particular as periods that do not overlap one another. This means that the following for the
  • Energy storage period described measures are typically not performed during the energy recovery period and vice versa. However, it may also be provided, for example, to carry out at least a portion of the measures described for the energy storage period at the same time as the measures described for the energy recovery period, for example in order to ensure greater continuity of operation during a further period
  • the energy storage period and the energy recovery period each correspond to an operating or process mode of a corresponding system or a corresponding method.
  • the present invention comprises, for forming the air liquefaction product, air in an air conditioning unit operated at least by adiabatic
  • Compressor to compress and by means of at least one adsorptive
  • a first and a second partial flow are formed from the compressed air in this.
  • the partial flows are conducted in parallel through a first heat storage device and a second heat storage device. In this way, heat generated in the compression of the air is at least partly stored in the first heat storage device and the second heat storage device and is available for subsequent heating.
  • the compressed and adsorptively purified air is downstream of the air conditioning unit and optionally after a further (for example isothermal) compression in this, starting from a temperature level in a range of 0 to 50 ° C to a first portion in a fixed bed cold storage unit and a second portion in a countercurrent heat exchange unit at a condensing pressure level in a range of 40 to 100 bara liquefied.
  • the liquefied air is subsequently expanded in at least one refrigeration unit.
  • the de-condensation product can be used directly or after further pressure and / or temperature-influencing measures as the pressure flow.
  • the Enttenungseck can be divided to form the pressure flow, for example, in two or more streams, one of which is used as a pressure stream and / or the Enttenungseck can this be combined with one or more further streams. It is further provided to guide the pressure flow in the work-performing expansion by a first expansion device and a second expansion device and thereby to relax the pressure flow, and to transfer heat stored upstream of the first expansion device in the first heat storage device to the pressure flow and upstream of the second
  • first and second relaxation device can also be provided more relaxation facilities
  • the relaxation can thus be at least two stages, but also, for example, three and more stages. Special advantages, however, arise if only exactly two
  • Type air conditioner The two- or multi-stage relaxation of the pressure flow in the
  • Energy recovery period is advantageous because the pressure stream to be relaxed is at a high pressure level, typically greater than 40 bara, and especially in the supercritical state. It would therefore be technically very complicated, the relaxation of this high pressure level down to about
  • adiabatically operable compressor devices are typically not available for the total pressure to be generated in the air conditioning unit used in the present invention, but only for generating pressure levels less than 20 bara from atmospheric pressure. These are typically components that are also used in compression stages of gas turbines. For higher pressure levels, for example for the compression of 10 to 20 bara to 40 to 60 bara, no adiabatically operable compressor are available. Compressors for correspondingly high pressures are set up for (quasi-) isothermal operation, so that sufficient heat can not be obtained here.
  • the method according to the invention therefore comprises; in the air conditioning unit, downstream of an adiabatically operated compressor device, to form a first partial flow and a second partial flow from the compressed air in this compressor device and to guide the first and the second partial flow in parallel through the first heat storage device and the second heat storage device.
  • the "parallel" guiding of the partial flows need not necessarily comprise a division of the compressed air into partial flows with the same volume flow. Rather, it is also possible to divide the air "asymmetrically", for example, in one of
  • Heat storage devices to store a larger amount of heat
  • the division can also be made on the basis of a suitable control, for example on the basis of an already stored in the respective heat storage devices amount of heat. In any case, by using the first and the second
  • Heating the pressure flow in the energy recovery period upstream of the two relaxation facilities are available.
  • the addressed adiabatic compressor device is advantageously one of at least two compressor devices in the air conditioning unit, which is operated at a correspondingly low pressure level, for example 20 bara or less, or the air from
  • Atmospheric pressure is compressed to a correspondingly low pressure level.
  • this compressor device is the first in a series of serially arranged compressor devices.
  • An essential aspect of the present invention is therefore also the use of an adiabatically operated, "heat-generating" compressor device.
  • One or more further compressor devices in particular compressor devices for higher pressure levels, however, can be operated isothermally. Overall, it can be reduced by the present invention, the number of hardware components, resulting in lower cost and maintenance and easier operation of the entire system.
  • Air conditioning unit compressed to a corresponding pressure level which may be at low or supercritical pressure.
  • Air conditioning unit compressed to a corresponding pressure level which may be at low or supercritical pressure.
  • the feed is thus advantageously carried out at ambient temperature, which allows a particularly advantageous operation of the fixed bed cold storage unit. This can be made possible in particular by the fact that in the
  • Air conditioning unit downstream of the adiabatically operated compressor device a further, isothermally operated compressor device is used.
  • An isothermally operated compressor device which has one or more compressor stages or
  • Compressor in the sense explained above, is characterized by the fact that one of these supplied and one of these removed, compressed stream in Substantially have a same temperature level, in contrast to adiabatically operated compressors, in which the compression product has a significantly higher temperature than the current fed into the compressor device.
  • An isothermally operated compressor device has, for example, intermediate and
  • the provision of additional cold is possible, for example, compensates for cold losses in a corresponding system, for example in a storage tank for receiving the air liquefaction product.
  • An evaporation product formed during the expansion can also be used as a regeneration gas, as explained below.
  • Air conditioning unit used.
  • an air conditioning unit is used with at least one adsorptive cleaning device operated at a superatmospheric pressure level.
  • the air conditioning unit used in the present invention compresses the supplied air over several pressure stages.
  • an adsorptive cleaning device may comprise one or more adsorptive cleaning containers, as explained in more detail in the description of the figures.
  • a fixed bed and / or a liquid heat storage medium is used in at least one of the heat storage devices.
  • Usable here Thermal storage media have been previously discussed. The use of a
  • Fixed bed heat storage medium has the advantage of a particularly simple and cost-effective implementation; However, liquid heat storage media may have better heat capacity.
  • the invention may also include a combination of a fixed bed and a liquid heat storage medium in one or both of the
  • Heat storage devices include. For example, if a
  • Heat storage devices is divided, in one of the heat storage devices a fixed bed and in the other a liquid heat storage medium can be used. Any combinations are possible.
  • a heat storage fluid is transferred between at least two storage tanks and the heat in at least one counterflow heat exchanger from or to the at least one
  • Heat storage fluid to be transferred In this way, the available heat can be transferred not only to a statically available heat storage medium, the absorption capacity is naturally limited, but to a larger amount of a corresponding heat medium. The absorption capacity for the available heat can thus be increased significantly.
  • the heat storage devices are operated in the context of the present invention at significantly higher temperatures than the
  • Heat storage medium in at least one of the heat storage devices during the energy storage period to a temperature level of 50 to 400 ° C heated.
  • Relaxation device and used as the second expansion device each having a generator turbine each having a generator turbine.
  • a generator turbine is understood to mean any expansion machine coupled to a generator.
  • the use of a generator turbine allows flexible recovery of energy in the form of electrical power.
  • the invention for recovering the energy may also include the use of other measures, for example the Operation of a means of a relaxation machine or a pump connected thereto hydraulic accumulator.
  • the method according to the invention may also include heating, relaxing and / or compressing the fluid flow at least one (further) time before the work-performing expansion in the first and the second expansion device.
  • at least a portion of the degassing product may also initially be passed through a heat exchanger and already heated therein.
  • the at least one adsorptive cleaning device is supplied with a regeneration gas in a regeneration phase which is formed from part of the air previously compressed and adsorptively cleaned in the air conditioning unit.
  • a corresponding regeneration gas is advantageously before his
  • a regeneration phase of an adsorptive cleaning device can, if only one cleaning container is present, be carried out when no cleaning power has to be provided by the cleaning device, for example in one
  • the regeneration gas may be formed either from at least part of an evaporation product formed during the expansion of the liquefied air during the energy storage period or from at least part of the defrosting product during the energy recovery period.
  • an evaporation product formed during the expansion of the liquefied air is passed through the countercurrent heat exchange unit and thereby heated.
  • the evaporation product serves to cool the through
  • Air conditioning unit compressed and adsorptively cleaned air. Corresponding cold can thus be used advantageously.
  • At least one refrigerant is passed through the countercurrent heat exchange unit, which by means of a provided external cooling circuit and / or by relaxing from a part of previously compressed in the air conditioning unit and adsorptively purified air is formed.
  • the countercurrent heat exchange unit which by means of a provided external cooling circuit and / or by relaxing from a part of previously compressed in the air conditioning unit and adsorptively purified air is formed.
  • Air conditioning unit a larger amount of air compressed and adsorptively cleaned, as it is needed to form the air liquefaction product and its storage.
  • the corresponding "excess" air may optionally be cooled to an intermediate temperature in the countercurrent heat exchange unit, and then decompressed and passed through the countercurrent heat exchange unit from the cold end to the warm end. In this way, the required refrigeration demand can be covered without additional facilities.
  • the use of an external refrigeration cycle allows a completely independent provision of cold.
  • a plant adapted to store and recover energy by forming an air liquefaction product in an energy storage period and generating and extracting a pressure stream formed by using at least a portion of the air liquefaction product without heat input from an external heat source in an energy recovery period is also an object of the present invention .
  • the plant has means adapted to the formation of the
  • Countercurrent heat exchange unit at a condensing pressure level in one Liquefied region of 40 to 100 bara, and then to liquefy the air in at least one refrigeration unit to relax.
  • the means are further adapted to generate the pressure stream from at least a portion of the liquefaction product at a defrost pressure level that does not deviate from the condensing pressure level by more than 5 bar
  • Relaxation device and a second expansion device to lead and to relax the pressure flow in each case, and upstream of the first
  • FIGS. 1A and 1B show a plant according to an embodiment of the invention in an energy storage period and an energy recovery period.
  • FIG. 2 shows a plant according to an embodiment of the invention in the
  • FIGS. 3A and 3B show a plant according to an embodiment of the invention in the energy storage period and the energy recovery period.
  • Figure 4 shows a heat storage device for a system according to a
  • Figure 5 shows a heat storage device for a system according to a
  • Figures 6A and 6B show a heat storage device for a plant according to an embodiment of the invention in the energy storage period and the energy recovery period.
  • FIGS 7A and 7B show cooling means for air conditioning units according to embodiments of the invention.
  • FIG. 8 shows an air cleaning device for an air conditioning unit according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 9 shows a compressor device with a regeneration gas preheating device for an air conditioning unit according to an embodiment of the invention.
  • Figures 10A and 10B show an air cleaner in the
  • Air conditioning unit according to specific embodiments of the invention.
  • FIGS 11A-11C show plants in accordance with embodiments of the invention and illustrate details of an associated countercurrent heat exchange unit.
  • valves In the figures, a plurality of valves is shown, which are partially permeable and partially disabled. Locking valves are shown crossed in the figures. Fluid flows interrupted by valves with shut-off valves and correspondingly deactivated facilities are predominantly dashed
  • Gaseous or in supercritical state streams are with white (not filled) arrow triangles, liquid streams with black
  • FIGS. 1A and 1B a plant according to a particularly preferred embodiment is shown
  • the plant 100 comprises as central components an air conditioning unit 10, a fixed bed cold storage unit 20, a countercurrent heat exchange unit 30, a cold extraction unit 40, a liquid storage unit 50 and a
  • the system 100 is supplied with an air flow a (AIR, feed air) and compressed and purified in the air conditioning unit 10.
  • AIR air flow
  • a correspondingly compressed and purified, in particular freed of water and carbon dioxide, stream b is located on a AIR, feed air
  • the stream a is sucked and compressed in the air conditioning unit 10 via a filter 11 by means of a compressor device 12, for example by means of a multi-stage, adiabatically operated axial compressor.
  • the compressed air is divided downstream of the compressor device 12 in the example shown in two sub-streams, each of which a heat storage device 131, 132 a
  • Heat storage unit 13 is supplied. The several times described
  • Heat storage devices 131, 132 may be operated, for example, using a fixed bed and / or a liquid heat storage medium, as also illustrated, for example, in the following Figures 4, 5, 6A and 6B.
  • the heat of compression or compressor waste heat generated in the compressor device 12 may be at least partially stored. Downstream of the heat storage unit 3 is the compressed and through the
  • Heat storage unit 13 guided a current a cooling device 14 and then fed to an air cleaner 15. Examples of corresponding
  • Cooling devices 14 and air cleaning devices 15 are illustrated in more detail inter alia in the following FIGS. 7A, 7B and 8.
  • the air purification device 15 it can be supplied with a regeneration gas flow k explained below, and a current I can be carried out therefrom.
  • stream j Downstream of the air cleaning device 15, a partial stream of the air of the stream a is taken as stream j, which is present at an (intermediate) pressure level of, for example, 5 to 20 bara.
  • This current j is subsequently also referred to as medium-pressure air flow
  • Air of the flow a not carried out as medium-pressure air flow j is further compressed in a further compressor device 16, for example an isothermally operated compressor device 16.
  • the compressor device 16 may be formed as a multi-stage axial compressor. Downstream of the compressor device 16, a post-cooling device 17 may be arranged. Air compressed in the compressor device 16 and cooled in the aftercooler 17 is provided as the mentioned high pressure air flow b.
  • the high-pressure air flow b and the medium-pressure air flow j through the air conditioning unit 10 are typically only in the
  • Energy storage period provided. In this energy storage period, the energy harvesting unit 60 is typically out of operation. Conversely, in the energy recovery period, typically only the energy harvesting unit 60, rather than the air conditioning unit 10, is in operation.
  • the high pressure air flow b is illustrated in FIG. 1A
  • the air of the partial streams c and d (HPAIR) is supplied to the fixed bed cold storage unit 20 on the one hand and the countercurrent heat exchange unit 30 on the other hand at the already mentioned pressure level of the high pressure air stream b and liquefied respectively in the fixed bed cold storage unit 20 and the countercurrent heat exchange unit 30.
  • the air of the corresponding liquefied streams e and f (HPLAIR) is combined into a collecting stream g.
  • the pressure level of the flows e, f and g corresponds essentially, ie, except for line and cooling losses, the pressure level of the high pressure air flow b.
  • the liquefied air of the stream g is expanded in the refrigeration unit 40, which may comprise, for example, a generator turbine 41.
  • the expanded air can be transferred, for example, into a separator tank 42, in the lower part of which a liquid phase separates and in the upper part of which there is a gas phase.
  • the liquid phase from the separator tank 42 may be withdrawn as stream h (LAIR) and transferred to the liquid storage unit 50, which may include, for example, one or more insulated storage tanks.
  • the pressure level of the current h is, for example, 1 to 16 bara.
  • the gas phase (flash) withdrawn from the upper part of the separator tank 42 as stream i can be passed countercurrent to the stream f through the countercurrent heat exchange unit 30 and subsequently used in the air conditioning unit 10 in the form of the already mentioned stream k (LPAIR, reggas) as regeneration gas ,
  • the pressure level of the flow k is, for example, at atmospheric pressure to about 2 bara. Downstream is a corresponding current I
  • amb atmospheric pressure
  • the cold stored in the fixed bed cold storage unit 20 is used to liquefy the air of the partial flow c.
  • the countercurrent heat exchange unit 30 is provided in which additional air, namely air of the substream d, can be liquefied in countercurrent to, for example, a cold stream i that can be obtained from relaxed and thereby vaporized air of the stream g.
  • additional air namely air of the substream d
  • countercurrent heat exchange unit 30 allows more flexible operation of the plant 100 than would be the case using only the fixed bed cold storage unit 20.
  • Medium pressure air flow j (MPAIR) provided.
  • MPAIR Medium pressure air flow j
  • the liquefied storage unit 50 liquefied air (LAIR) previously stored in the energy storage period, ie the air liquefaction product, is removed and pressure-increased by means of a pump 51.
  • a stream m (HPLAIR) thus obtained is passed through the fixed bed cold storage unit 20 and thereby vaporized or transferred from the liquid to the supercritical state ("de-liquidified"). So it will be one
  • Liquefied product formed from which, as shown here completely, or even partially, a fluid flow is formed.
  • the current m is on a
  • the pressure flow n is thus a high pressure air flow.
  • the pressure flow n is illustrated in that in FIG. 1B
  • Relaxation device 62 which is also designed here as a generator turbine, further relaxed.
  • a correspondingly relaxed current o is present, for example, at atmospheric pressure (amb) and can be released into the environment.
  • the cooling device 14 and the air cleaning device 15 are arranged upstream of the compressor device 16 and downstream of the heat storage device 13, respectively.
  • FIG 2 illustrates a corresponding system in the energy storage period, which is not designated separately.
  • Cooling device 14 and the air cleaning device 15 are thus provided here in a region of higher pressure and can thus be made smaller. In the system shown in Figure 2 also no medium pressure air flow j is formed.
  • a regeneration gas flow k is provided in the energy storage period in which the air purification device 15 simultaneously has to provide a cleaning performance. Therefore, in appropriate systems, the air purification devices 15 must be formed inevitably operable with alternating adsorber, as also illustrated in Figure 8. On the other hand, provision of a regeneration gas flow k during the energy recovery period in which the air purification device 15 is not required in any case makes it possible to use only one adsorber vessel (see Figures 10A and 10B) and thus to design and operate a corresponding facility in a simpler and less costly manner.
  • the regeneration gas flow k can therefore also be located in the system in a corresponding system
  • the regeneration gas flow k can be combined again as stream I with the high-pressure air stream n.
  • Components such as water and carbon dioxide generally prove to be due to the temperatures present in the energy harvesting unit 60
  • FIGS. 3A and 3B has the advantage that less compressed air is lost.
  • Figure 4 is a heat storage device for a system according to a
  • the heat storage device is denoted here by 131 and 132, respectively.
  • the heat storage device 131, 132 shown in FIG. 4 is designed as a fixed bed heat storage device 131, 132 and has a heat storage medium in the form of a fixed bed 1.
  • the fixed bed 1 is in a pressure vessel 2 with inlet and outlet 3 arranged and can be flowed through in this way by means of the compressor device 12 compressed air.
  • the pressure vessel 2 is surrounded by a thermal insulating layer 4.
  • FIG. 5 also illustrates a heat storage device for a plant according to an embodiment of the invention, and denotes 131 or 132 in total.
  • a fixed-bed heat storage medium can be arranged here in a container 5 which is illustrated only schematically, through which a heat transfer medium 6, which can be conveyed by means of a pump 7, flows.
  • Heat transfer from the compressed by means of the compressor device 12 air of the current a to the heat transfer fluid 6 can by means of a suitable
  • Heat exchanger 8 done.
  • the heat storage device 131, 132 shown in FIG. 5 thus comprises an indirect heat transfer to the heat storage medium (not shown).
  • FIGS. 6a and 6b a heat storage device 131, 132, referred to as
  • Liquid heat storage device is formed in an energy storage period (Figure 6A) and an energy recovery period (Figure 6B) shown.
  • the heat storage fluid from the storage tank 72 is thereby conveyed by means of a pump 73 through the heat exchanger 71 and, appropriately heated, transferred in a further storage tank 74.
  • a stream to be heated in this case the high-pressure air stream n, is guided in the opposite direction to the stream a through the heat exchanger 71 and heated by means of a warm heat storage medium now also conveyed in the opposite direction.
  • FIG. 7A is a cooling device 14 for use in a
  • Air conditioning unit 10 as shown for example in the figures previously shown 1A, 1B, 2, 3A and 3B is shown in detail.
  • the cooling device 14 may be arranged with a downstream of the heat storage unit 13 (see Figures 1A, 1B and 2) and downstream of the Nachkühl Sk 17 (see Figures 3A and 3B).
  • a corresponding current, designated here by r, is fed into a lower region of a direct contact cooler 141.
  • the current r corresponds to the previously in the
  • Compressor 12 compressed and the heat storage unit 13 cooled stream a In an upper region of the direct contact cooler 141, a water flow (H20), which is guided by means of a pump 142 through an (optional) cooling device 143, is introduced. Water can be withdrawn from a lower portion of the direct contact cooler 141. From the head of the direct contact cooler 141, a correspondingly cooled stream s is withdrawn, which can then be transferred into an air cleaning device 15 (compare FIGS. 1A, 1B, 2, 3A and 3B).
  • FIG. 8 illustrates in detail an air-cleaning device 15 which is suitable in particular for use in an air-conditioning unit 10, as shown in FIGS. 1A, 1B and 2.
  • Adsorber essenceer 151 which have, for example, molecular sieve be performed.
  • the current s corresponds to the current a treated as explained above.
  • the adsorber tanks 151 are in particular water and carbon dioxide from the
  • a corresponding received current t which for example in the case of the embodiments illustrated in FIG. 2 can correspond to the current b, is the device respectively arranged downstream thereof, for example the next compressor device (see FIGS. 1A and 1B)
  • the adsorber tank 151 not used in each case for purifying the stream s can be regenerated by means of the already explained regeneration gas stream k.
  • the Regeneriergasstrom k can initially an optional Regeneriergasvorsammlungeinnchtung 152 are fed, which is illustrated in an example in the following Figure 9. In a downstream
  • Regeneriergaslik evaluated 153, for example, electrically and / or with
  • the Regeneriergasstrom k is further heated and passed through the adsorber tank 151 to be regenerated in each case. Downstream of the adsorber tank 151 to be regenerated, a corresponding current I is present. The same applies if at the time shown no regeneration gas is needed, because in this case a corresponding current I is performed directly from the air purification device 5 (see stream I in the upper part of Figure 8).
  • FIG. 9 illustrates the operation of a regeneration gas preheating device 152 according to an embodiment of the invention.
  • Regeneriergasvorsammlungeinnchtung 152 may for example replace or supplement a Nachkühl adopted 17 and thus be disposed downstream of an air compressor 16. A warmed up due to a corresponding compression
  • Air flow can be passed through or past a heat exchanger 152a of the regeneration gas preheater 152 and thereby heat to a
  • FIGS. 10A and 10B show air cleaning devices 15 which are particularly suitable for the embodiments of the present invention illustrated in FIGS. 3A and 3B or the air conditioning devices shown therein.
  • the energy storage period (FIG. 10A) and the energy recovery period (FIG. 10B) are illustrated in FIGS. 10A and 10B, wherein a purification of a corresponding current s takes place in the energy storage period.
  • a corresponding adsorber 151 in such times ( Figure 10B) for regeneration available is a corresponding adsorber 151 in such times ( Figure 10B) for regeneration available.
  • the embodiment illustrated in FIGS. 10A and 10B therefore has the particular advantage that only one corresponding adsorber tank 151 has to be provided, and not two, which are operated in alternating operation according to FIG.
  • Embodiments of the invention in each case in the energy storage period.
  • the plants correspond in this case with respect to the fixed bed cold storage unit 20, the
  • Refrigeration unit 40 the liquid storage unit 50 and the
  • Countercurrent heat exchange unit 30 are operated, for example, by means of a current u from the cold end to the warm end by one or more
  • Heat exchanger 31 of the countercurrent heat exchange unit 30 is guided.
  • Liquefaction process 32 implemented by means of its own, i. in addition to the air conditioning unit 10 provided, compressor is operated.
  • Countercurrent heat exchange unit 10 a medium-pressure air flow j supplied and fed to the heat exchanger 31 at the hot end.
  • the current j can be removed from the heat exchanger 31 at an intermediate temperature and in a
  • High pressure air flow b or its partial flow d can also at a
  • the current i is supplied to the heat exchanger 31 of the countercurrent heat exchange unit 30 on the cold side, taken at an intermediate temperature, with the medium-pressure air flow j, which is also up to one
  • FIGS. 11B and 11C are particularly suitable for use at different pressure levels

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Speichern und Rückgewinnen von Energie vorgeschlagen, bei dem in einem Energiespeicherzeitraum ein Luftverflüssigungsprodukt (LAIR) gebildet und in einem Energierückgewinnungszeitraum unter Verwendung zumindest eines Teils des Luftverflüssigungsprodukts (LAIR) ohne Wärmezufuhr aus einer externen Wärmequelle ein Druckstrom gebildet und arbeitsleistend entspannt wird. Das Verfahren umfasst unter anderem, zur Bildung des Luftverflüssigungsprodukts (LAIR) Luft (AIR) in einer Luftkonditioniereinheit (10) zumindest mittels einer adiabat betriebenen Verdichtereinrichtung (12) zu verdichten, stromab der adiabat betriebenen Verdichtereinrichtung (12) aus der in dieser verdichteten Luft (AIR) einen ersten und einen zweiten Teilstrom zu bilden und den ersten und den zweiten Teilstrom parallel durch eine erste Wärmespeichereinrichtung (131) und eine zweite Wärmespeichereinrichtung (132) zu führen, wo bei der Verdichtung der Luft (AIR) erzeugte Wärme zumindest zum Teil gespeichert wird. Zur Bildung des Druckstroms wird unter anderem aus zumindest einem Teil des Verflüssigungsprodukts (LAIR) ein Entflüssigungsprodukt (HPAIR) erzeugt. Der Druckstrom wird bei der arbeitsleistenden Entspannung durch eine erste Entspannungseinrichtung (61) und eine zweite Entspannungseinrichtung (62) geführt und dabei jeweils entspannt. Stromauf der ersten Entspannungseinrichtung (61) wird dabei in der ersten Wärmespeichereinrichtung (131) gespeicherte Wärme auf den Druckstrom übertragen und stromauf der zweiten Entspannungseinrichtung (62) wird in der zweiten Wärmespeichereinrichtung (132) gespeicherte Wärme auf den Druckstrom übertragen. Eine Anlage (100) ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anlage zum Speichern und Rückgewinnen von Energie
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Speichern und Rückgewinnen von Energie, insbesondere elektrischer Energie, gemäß den
Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Beispielsweise aus der DE 31 39 567 A1 und der EP 1 989 400 A1 ist bekannt, Flüssigluft oder Flüssigstickstoff, also tiefkalte Luftverflüssigungsprodukte, zur
Netzregelung und zur Bereitstellung von Regelleistung in Stromnetzen zu verwenden.
Zu Billigstromzeiten oder Stromüberschusszeiten wird dabei Luft in einer
Luftzerlegungsanlage mit einem integrierten Verflüssiger oder in einer dezidierten Verflüssigungsanlage, allgemein auch als Luftbehandlungseinheit bezeichnet, insgesamt oder teilweise zu einem derartigen Luftverflüssigungsprodukt verflüssigt. Das Luftverflüssigungsprodukt wird in einem Tanksystem mit Tieftemperaturtanks gespeichert. Dieser Betriebsmodus erfolgt in einem Zeitraum, der hier als
Energiespeicherzeitraum bezeichnet wird.
Zu Spitzenlastzeiten wird das Luftverflüssigungsprodukt aus dem Tanksystem entnommen, mittels einer Pumpe druckerhöht und bis auf etwa Umgebungstemperatur oder höher angewärmt und damit in einen gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt. Ein hierdurch erhaltener Druckstrom wird in einer Energiegewinnungseinheit in einer Entspannungsturbine oder mehreren Entspannungsturbinen mit
Zwischenerwärmung bis auf Umgebungsdruck entspannt. Die dabei freiwerdende mechanische Leistung wird in einem oder mehreren Generatoren der
Energiegewinnungseinheit in elektrische Energie umgewandelt und in ein elektrisches Netz eingespeist. Dieser Betriebsmodus erfolgt in einem Zeitraum, der hier als
Energierückgewinnungszeitraum bezeichnet wird.
Die beim Überführen des Luftverflüssigungsprodukts in den gasförmigen oder überkritischen Zustand während des Energierückgewinnungszeitraums freiwerdende Kälte kann gespeichert und während des Energiespeicherzeitraums zur Bereitstellung von Kälte zur Gewinnung des Luftverflüssigungsprodukts eingesetzt werden.
Es sind auch Druckluftspeicherkraftwerke bekannt, in denen die Luft jedoch nicht verflüssigt, sondern in einem Verdichter verdichtet und in einer unterirdischen Kaverne gespeichert wird. In Zeiten hoher Stromnachfrage wird die Druckluft aus der Kaverne in die Brennkammer einer Gasturbine geleitet. Gleichzeitig wird der Gasturbine über eine Gasleitung Brennstoff, beispielsweise Erdgas, zugeführt und in der durch die Druckluft gebildeten Atmosphäre verbrannt. Das gebildete Abgas wird in der Gasturbine entspannt, wodurch Energie erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung ist von Verfahren und Vorrichtungen zu unterscheiden, bei denen ein sauerstoffreiches Fluid zur Unterstützung von Oxidationsreaktionen in eine Gasturbine eingeleitet wird. Entsprechende Verfahren und Vorrichtungen arbeiten grundsätzlich mit Luftverflüssigungsprodukten, welche (deutlich) mehr als 40
Molprozent Sauerstoff enthalten.
Die Wirtschaftlichkeit entsprechender Verfahren und Vorrichtungen wird stark vom Gesamtwirkungsgrad beeinflusst. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, entsprechende Verfahren und Vorrichtungen in dieser Hinsicht zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt vor diesem Hintergrund ein Verfahren und eine Anlage zum Speichern und Rückgewinnen von Energie, insbesondere elektrischer Energie, mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vor.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung. Vor der Erläuterung der im Rahmen der vorliegenden Erfindung erzielbaren Vorteile werden deren technische Grundlagen und einige in dieser Anmeldung verwendete Begriffe näher erläutert.
Unter einer "Energiegewinnungseinheit" wird hier eine Anlage oder ein Anlagenteil verstanden, die bzw. der zur Erzeugung von elektrischer Energie eingerichtet ist. Eine Energiegewinnungseinheit umfasst dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung zumindest zwei Entspannungsturbinen, die vorteilhafterweise mit zumindest einem elektrischen Generator gekoppelt sind. Eine mit zumindest einem elektrischen
Generator gekoppelte Entspannungsmaschine wird auch als "Generatorturbine" bezeichnet. Die bei der Entspannung eines Fluids in einer Entspannungsturbine bzw. Generatorturbine frei werdende mechanische Leistung kann in der
Energiegewinnungseinheit in elektrische Energie umgesetzt werden.
Eine "Entspannungsturbine", die über eine gemeinsame Welle mit weiteren
Entspannungsturbinen oder Energiewandlern wie Ölbremsen, Generatoren oder Verdichterstufen gekoppelt sein kann, ist zur Entspannung eines überkritischen, gasförmigen oder zumindest teilweise flüssigen Stroms eingerichtet. Insbesondere können Entspannungsturbinen zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung als
Turboexpander ausgebildet sein. Sind eine oder mehrere als Turboexpander ausgebildete Entspannungsturbinen nur mit einer oder mehreren Verdichterstufen, beispielsweise in Form von Radialverdichterstufen, gekoppelt und ggf. mechanisch gebremst, werden diese jedoch ohne extern, beispielsweise mittels eines
Elektromotors, zugeführte Energie betrieben, wird hierfür allgemein auch der Begriff "Boosterturbine" verwendet. Eine derartige Boosterturbine verdichtet dabei zumindest einen Strom durch die Entspannung zumindest eines anderen Stroms, jedoch ohne extern, beispielsweise mittels eines Elektromotors, zugeführte Energie.
Unter einer "Gasturbineneinheit" wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung eine Anordnung aus wenigstens einer Brennkammer und wenigstens einer dieser nachgeschalteten Entspannungsturbine (der Gasturbine im engeren Sinn) verstanden. In letzterer werden heiße Gase aus der Brennkammer arbeitsleistend entspannt. Eine Gasturbineneinheit weist ferner wenigstens eine von der Entspannungsturbine über eine gemeinsame Welle angetriebene Verdichterstufe, typischerweise wenigstens eine Axialverdichterstufe, auf. Ein Teil der in der Entspannungsturbine erzeugten mechanischen Energie wird üblicherweise zum Antrieb der wenigstens einen
Verdichterstufe eingesetzt. Ein weiterer Teil wird regelmäßig zur Erzeugung
elektrischer Energie in einem Generator umgesetzt. Bei der Entspannungsturbine der Gasturbine handelt es sich damit um eine Generatorturbine im oben erläuterten Sinn. Als Abwandlung einer Gasturbineneinheit weist eine "Verbrennungsturbineneinheit" lediglich die erwähnte Brennkammer und eine nachgeschaltete Entspannungsturbine auf. Ein Verdichter ist üblicherweise nicht vorgesehen. Eine "Heißgasturbineneinheit" weist im Gegensatz zu einer Gasturbineneinheit statt einer Brennkammer einen Erhitzer auf. Eine Heißgasturbineneinheit kann einstufig mit einem Erhitzer und einer Entspannungsturbine ausgebildet sein. Alternativ können auch mehrere
Entspannungsturbinen, vorzugsweise mit Zwischenerhitzung, vorgesehen sein. In jedem Fall kann insbesondere stromab der "letzten" Entspannungsturbine ein weiterer Erhitzer vorgesehen sein. Auch die Heißgasturbine ist vorzugsweise mit einem oder mehreren Generatoren zur Erzeugung von elektrischer Energie gekoppelt.
Da im Rahmen der vorliegenden Erfindung bei der Bildung eines Druckstroms in einem Energierückgewinnungszeitraum keine aus externen Quellen stammende Wärme verwendet wird, kommen hier keine Gas- oder Verbrennungsturbineneinheiten zum Einsatz sondern allenfalls Heißgasturbineneinheiten, die über geeignete
Wärmespeicher beheizt werden.
Unter einer "Verdichtereinrichtung" wird hier eine Vorrichtung verstanden, die zum Verdichten wenigstens eines gasförmigen Stroms von wenigstens einem
Eingangsdruck, bei dem dieser der Verdichtereinrichtung zugeführt wird, auf wenigstens einen Enddruck, bei dem dieser der Verdichtereinrichtung entnommen wird, eingerichtet ist. Die Verdichtereinrichtung bildet dabei eine bauliche Einheit, die jedoch mehrere einzelne "Verdichter" oder "Verdichterstufen" in Form bekannter Kolben-, Schrauben- und/oder Schaufelrad- bzw. Turbinenanordnungen (also Radial- oder Axialverdichterstufen) aufweisen kann. Insbesondere werden diese
Verdichterstufen mittels eines gemeinsamen Antriebs, beispielsweise über eine gemeinsame Welle bzw. einen gemeinsamen Elektromotor, angetrieben. Mehrere Verdichter, z.B. Verdichter in einer erfindungsgemäß eingesetzten
Luftkonditionierungseinheit, können zusammen eine oder mehrere
Verdichtereinrichtungen bilden.
Eine "Luftkonditionierungseinheit" umfasst im hier verwendeten Sprachgebrauch zumindest eine adiabat betriebene Verdichtereinrichtung und zumindest eine adsorptive Luftreinigungseinrichtung. Adsorptive Luftreinigungseinrichtungen sind auf dem Gebiet der Luftzerlegung allgemein bekannt. In adsorptiven Luftreinigungseinrichtungen werden ein oder mehrere Luftströme durch einen oder mehrere Adsorberbehälter geführt, die mit einem geeigneten Adsorptionsmaterial, beispielsweise Molekularsieb, befüllt sind. Die vorliegende Erfindung umfasst zumindest die Verflüssigung von Luft zu einem Luftverflüssigungsprodukt. Die hierzu verwendeten Vorrichtungen können dabei auch unter dem Begriff "Luftbehandlungseinheit" zusammengefasst werden. Hierunter wird im Sprachgebrauch der vorliegenden Anmeldung eine Anlage verstanden, die zur Gewinnung wenigstens eines Luftverflüssigungsprodukts aus Luft eingerichtet ist. Ausreichend für eine Luftbehandlungseinheit zum Einsatz in der vorliegenden
Erfindung ist es, dass durch diese ein entsprechendes tiefkaltes
Luftverflüssigungsprodukt erhalten werden kann, das als Speicherflüssigkeit verwendbar und in ein Tanksystem überführbar ist. Eine "Luftzerlegungsanlage" wird mit atmosphärischer Luft beschickt und weist ein Destillationssäulensystem zur Zerlegung der atmosphärischen Luft in ihre physikalischen Komponenten auf, insbesondere in Stickstoff und Sauerstoff. Hierzu wird die Luft zunächst in die Nähe ihres Taupunkts abgekühlt und dann in das Destillationssäulensystem eingeleitet. Im Gegensatz hierzu umfasst eine "Luftverflüssigungsanlage" kein
Destillationssäulensystem. Im Übrigen entspricht ihr Aufbau dem einer
Luftzerlegungsanlage mit der Abgabe eines Luftverflüssigungsprodukts.
Selbstverständlich kann auch in einer Luftzerlegungsanlage Flüssigluft als
Nebenprodukt erzeugt werden.
Ein "Luftverflüssigungsprodukt" ist jedes Produkt, das zumindest durch Verdichten, Abkühlen und anschließendes Entspannen von Luft in Form einer tiefkalten Flüssigkeit hergestellt werden kann. Insbesondere kann es sich bei einem
Luftverflüssigungsprodukt um Flüssigluft, flüssigen Sauerstoff, flüssigen Stickstoff und/oder ein flüssiges Edelgas wie flüssiges Argon handeln. Die Begriffe "flüssiger Sauerstoff' bzw. "flüssiger Stickstoff' bezeichnen dabei jeweils auch eine tiefkalte Flüssigkeit, die Sauerstoff bzw. Stickstoff in einer Menge aufweist, die oberhalb derer atmosphärischer Luft liegt. Es muss sich dabei also nicht notwendigerweise um reine Flüssigkeiten mit hohen Gehalten von Sauerstoff bzw. Stickstoff handeln. Unter flüssigem Stickstoff wird also sowohl reiner oder im Wesentlichen reiner Stickstoff verstanden, als auch ein Gemisch aus verflüssigten Luftgasen, dessen Stickstoffgehalt höher als derjenige der atmosphärischen Luft ist. Beispielsweise weist dieses einen Stickstoffgehalt von mindestens 90, vorzugsweise mindestens 99 Molprozent auf.
Ist hier von einem "Entflüssigungsprodukt" die Rede, sei darunter ein durch Überführen einer Flüssigkeit in gasförmigen oder überkritischen Zustand gebildetes Fluid verstanden. Wird eine Flüssigkeit bei überkritischem Druck "verdampft", geht sie nicht in die Gasphase sondern in den überkritischen Zustand über, wobei kein
Phasenübergang im eigentlichen Sinn erfolgt. Dies wird auch als "Pseudoverdampfen" bezeichnet. Bei unterkritischem Druck erfolgt ein Phasenübergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand, also ein herkömmliches "Verdampfen". Eine Entflüssigung umfasst damit im Rahmen der vorliegenden Anmeldung sowohl eine Verdampfung als auch eine Pseudoverdampfung. Nach einer Verflüssigung, sei es aus dem gasförmigen oder überkritischen Zustand, liegt immer eine Flüssigkeit vor. Beide Fälle sind daher von dem Begriff "Verflüssigung" umfasst.
Unter einer "tiefkalten" Flüssigkeit, bzw. einem entsprechenden Fluid,
Luftverflüssigungsprodukt, Strom usw. wird ein flüssiges Medium verstanden, dessen Siedepunkt deutlich unterhalb der jeweiligen Umgebungstemperatur liegt und beispielsweise 200 K oder weniger, insbesondere 220 K oder weniger, beträgt.
Beispiele sind flüssige Luft, flüssiger Sauerstoff, flüssiger Stickstoff usw.
Unter einer "Festbettkältespeichereinheit" wird im Rahmen dieser Anmeldung eine Vorrichtung verstanden, die ein festes, zur Kältespeicherung geeignetes Material enthält und Fluidführungsmittel durch dieses Material aufweist. Bekannte
Festbettkältespeichereinheiten, die in herkömmlichen Luftzerlegungsanlagen auch als Regeneratoren bezeichnet werden und dort auch zur Abtrennung unerwünschter Komponenten wie Wasser und/oder Kohlendioxid verwendet werden, umfassen beispielsweise mit Kanälen durchzogene Betonblöcke (bei Luftzerlegungsanlagen ungewöhnlich), (Stein-)Schüttungen und/oder geriffelte Aluminiumbleche und werden von den jeweils abzukühlenden bzw. zu erwärmenden Strömen in einander
entgegengesetzter Richtung und nacheinander durchströmt. Im Rahmen dieser Anmeldung wird der Begriff "Kältespeicher" bzw. "(Festbett-)Kältespeichereinheit" in Abgrenzung zu "Wärmespeicher" bzw. "Wärmespeichereinheit" verwendet, um den Unterschied in der Betriebstemperatur auszudrücken. Die Festbettkältespeichereinheit wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Verflüssigung verdichteter und adsorptiv gereinigter Luft zu einem Luftverflüssigungsprodukt und zu dessen
Entflüssigung eingesetzt, wird also zumindest in einem Bereich bei tiefkalten
Temperaturen betrieben. Im Gegensatz dazu werden die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Wärmespeichereinrichtungen immer bei deutlich höheren Temperaturen betrieben und dienen zum Speichern bei der adiabaten Verdichtung der Luft erzeugter (Verdichtungs-)Wärme.
Eine Kälte- bzw. Wärmespeichereinheit umfasst einen oder mehrere Kälte- bzw.
Wärmespeicher mit entsprechenden Kälte- bzw. Wärmespeichermedien. Die in einem oder mehreren Kälte- bzw. Wärmespeichern verwendbaren Kälte- bzw.
Wärmespeichermedien richten sich nach der Konfiguration des Verfahrens.
Wärmespeicher und (Festbett-)kältespeicher sind umfangreich in der einschlägigen Fachliteratur beschrieben (siehe beispielsweise i. Dinger und M.A. Rosen, "Thermal Energy Storage - Systems and Applications", Chichester, John Wiley & Sons 2002). Als Speichermedien eignen sich beispielsweise Gestein, Beton, Ziegel, künstlich hergestellte Keramiken oder Gusseisen. Für niedrigere Speichertemperaturen eignen sich ferner Erde, Kies, Sand oder Schotter. Weitere Speichermedien wie Thermalöle oder Salzschmelzen sind beispielsweise aus dem Gebiet der Solartechnik bekannt. In entsprechenden Kältespeichern kann es sich als besonders vorteilhaft erweisen, das Speichermedium in einem Isolierbehälter bereitzustellen, was eine verlustfreie oder nahezu verlustfreie Wärme- bzw. Kältespeicherung ermöglicht.
Eine "Gegenstromwärmetauscheinheit" ist unter Verwendung eines oder mehrerer Gegenstromwärmetauscher, beispielsweise eines oder mehrerer
Plattenwärmetauscher, ausgebildet. Im Gegensatz zu einer
Festbettkältespeichereinheit erfolgt die Abkühlung in einer
Gegenstromwärmetauscheinheit nicht durch Abgabe an bzw. Aufnahme von Wärme aus einem Festbett, sondern indirekt an einen bzw. aus einem im Gegenstrom geführten Wärme- bzw. Kälteträger. Als Wärmetauscher in einer
Gegenstromwärmetauscheinheit zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung eignen sich sämtliche bekannten Wärmetauscher, beispielsweise Plattenwärmetauscher, Rohrbündelwärmetauscher und dergleichen. Eine Gegenstromwärmetauscheinheit dient zur indirekten Übertragung von Wärme zwischen zumindest zwei im Gegenstrom zueinander geführten Strömen, beispielsweise einem warmen Druckluftstrom und einem oder mehreren kalten Strömen oder einem tiefkalten Luftverflüssigungsprodukt und einem oder mehreren warmen Strömen. Eine Gegenstromwärmetauscheinheit kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, z.B. aus einem oder mehreren
Plattenwärmetauscherblöcken. Ist hier nachfolgend von einem "Wärmetauscher" die Rede, kann hierunter ein Gegenstromwärmetauscher oder ein anderer Wärmetauscher verstanden werden.
Auch eine im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzte Wärmespeichereinheit kann einen Gegenstromwärmetauscher umfassen, der beispielsweise mit einem geeigneten Wärmespeicherfluid wie dem erwähnten Thermalöl im Gegenstrom zu einem zu erwärmenden bzw. abzukühlenden Strom durchströmt wird. Das
Wärmespeicherfluid, das hier das Wärmespeichermedium bildet, kann beispielsweise in einer Doppel- oder Mehrfachtankanordnung bereitgestellt werden, wie auch unten noch näher erläutert.
Unter einem "Erhitzer" wird im Rahmen dieser Anmeldung ein System zum indirekten Wärmetausch zwischen einem Heizfluid und einem zu erhitzenden gasförmigen Fluid verstanden. Mittels eines derartigen Erhitzers kann Restwärme, Abwärme,
Prozesswärme, Solarwärme etc. auf das zu erhitzende gasförmige Fluid übertragen und zur Energieerzeugung in einer Heißgasturbine genutzt werden.
Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft und die dort und auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Verfahren und
Vorrichtungen sind auch beispielsweise in Häring, H.-W. (Hrsg.), "Industrial Gases Processing", Weinheim, Wiley-VCH 2008 (insbesondere Kapitel 2.2.5, "Cryogenic Rectification") und Kerry, F. G., "Industrial Gas Handbook - Gas Separation and Purification", Boca Raton, CRC Press 2006 (insbesondere Kapitel 3, "Air Separation Technology") beschrieben.
Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und
Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau", wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass Drücke und Temperaturen in einer
entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1 %, 5%, 10%, 20% oder sogar 50% um einen Mittelwert liegen.
Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche Druckverluste oder zu erwartende
Druckverluste, beispielsweise aufgrund von Abkühlungseffekten oder
Leitungsverlusten, ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei den hier in bara angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke in bar. Vorteile der Erfindung
Die Erfindung schlägt ein Verfahren zum Speichern und Rückgewinnen von Energie vor, bei dem in einem Energiespeicherzeitraum ein Luftverflüssigungsprodukt gebildet und in einem Energierückgewinnungszeitraum unter Verwendung zumindest eines Teils des Luftverflüssigungsprodukts ohne Wärmezufuhr aus einer externen
Wärmequelle ein Druckstrom gebildet und arbeitsleistend entspannt wird.
Erfindungsgemäß wird also zum Bilden des Druckstroms keine zusätzliche Wärme in das Verfahren bzw. eine entsprechende Anlage eingebracht, es erfolgt also
beispielsweise keine elektrische Erhitzung oder Befeuerung. Die Beheizung wird ausschließlich unter Verwendung in dem Verfahren selbst gebildeter Wärme
durchgeführt, wie unten ausführlich erläutert.
Wie bereits erwähnt, wird im Rahmen dieser Anmeldung unter einem
Luftverflüssigungsprodukt ein beliebiges, durch Verdichten und kryogenes Abkühlen von Luft herstellbares Produkt in flüssigem Zustand verstanden. Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend insbesondere unter Bezugnahme auf Flüssigluft als
Luftverflüssigungsprodukt beschrieben, sie eignet sich jedoch auch für andere
Luftverflüssigungsprodukte, insbesondere sauerstoffhaltige Luftverflüssigungsprodukte. Im Gegensatz zu den eingangs erwähnten Verfahren und Vorrichtungen, bei denen ein sauerstoffreiches Fluid zur Unterstützung von Oxidationsreaktionen in eine Gasturbine eingeleitet wird, wird vorliegend jedoch vorteilhafterweise ein sauerstoffhaltiges
Luftverflüssigungsprodukt mit (deutlich) unter 40, 35 oder 30 Molprozent Sauerstoff verwendet, beispielsweise mit dem Sauerstoffgehalt natürlicher Luft. Eine destillative Trennung eines Luftverflüssigungsprodukts ist damit nicht erforderlich. Die Begriffe "Energiespeicherzeitraum" und "Energierückgewinnungszeitraum" wurden bereits eingangs erwähnt. Hierunter werden insbesondere Zeiträume verstanden, die einander nicht überlappen. Dies bedeutet, dass die nachfolgend für den
Energiespeicherzeitraum beschriebenen Maßnahmen typischerweise nicht während des Energierückgewinnungszeitraums durchgeführt werden und umgekehrt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, beispielsweise in einem weiteren Zeitraum zumindest einen Teil der für den Energiespeicherzeitraum beschriebenen Maßnahmen zeitgleich mit den für den Energierückgewinnungszeitraum beschriebenen Maßnahmen durchzuführen, beispielsweise um eine größere Kontinuität im Betrieb einer
entsprechenden Anlage sicherzustellen. Beispielsweise kann auch in einem
Energiespeicherzeitraum einer Energiegewinnungseinheit ein Druckstrom zugeführt und in dieser arbeitsleistend entspannt werden, beispielsweise um die hier
verwendeten Entspannungseinrichtungen ohne Stillstand betreiben zu können. Der Energiespeicherzeitraum und der Energierückgewinnungszeitraum entsprechen jeweils einem Betriebs- bzw. Verfahrensmodus einer entsprechenden Anlage bzw. eines entsprechenden Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung umfasst, zur Bildung des Luftverflüssigungsprodukts Luft in einer Luftkonditioniereinheit zumindest mittels einer adiabat betriebenen
Verdichtereinrichtung zu verdichten und mittels wenigstens einer adsorptiven
Reinigungseinrichtung auf einem überatmosphärischen Druckniveau adsorptiv zu reinigen. Details zur adiabaten Verdichtung werden unten erläutert. Insbesondere kann durch die adiabate Verdichtung Wärme zur Beheizung des Druckstroms in dem
Energierückgewinnungszeitraum bereitgestellt werden.
Wie ebenfalls unten im Detail erläutert, werden in der Luftkonditioniereinheit stromab der adiabat betriebenen Verdichtereinrichtung aus der in dieser verdichteten Luft ein erster und ein zweiter Teilstrom gebildet. Die Teilströme werden parallel durch eine erste Wärmespeichereinrichtung und eine zweite Wärmespeichereinrichtung geführt. Auf diese Weise wird bei der Verdichtung der Luft erzeugte Wärme zumindest zum Teil in der ersten Wärmespeichereinrichtung und der zweiten Wärmespeichereinrichtung gespeichert und steht für die nachfolgende Erwärmung zur Verfügung. Die verdichtete und adsorptiv gereinigte Luft wird stromab der Luftkonditioniereinheit und ggf. nach einer weiteren (beispielsweise isothermen) Verdichtung in dieser, ausgehend von einem Temperaturniveau in einem Bereich von 0 bis 50 °C zu einem ersten Anteil in einer Festbettkältespeichereinheit und zu einem zweiten Anteil in einer Gegenstromwärmetauscheinheit auf einem Verflüssigungsdruckniveau in einem Bereich von 40 bis 100 bara verflüssigt. Die verflüssigte Luft wird anschließend in wenigstens einer Kältegewinnungseinheit entspannt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird zur Bildung des Druckstroms aus zumindest einem Teil des Verflüssigungsprodukts bei einem
Entflüssigungsdruckniveau, das um nicht mehr als 5 bar von dem
Verflüssigungsdruckniveau abweicht, in der Festbettkältespeichereinheit ein
Entflüssigungsprodukt erzeugt. Das Entflüssigungsprodukt kann direkt oder nach weiteren druck- und/oder temperaturbeeinflussenden Maßnahmen als der Druckstrom verwendet werden. Das Entflüssigungsprodukt kann zur Bildung des Druckstroms auch beispielsweise in zwei oder mehrere Ströme aufgeteilt werden, von denen einer als Druckstrom verwendet wird und/oder das Entflüssigungsprodukt kann hierzu mit einem oder mehreren weiteren Strömen vereinigt werden. Ferner ist vorgesehen, den Druckstrom bei der arbeitsleistenden Entspannung durch eine erste Entspannungseinrichtung und eine zweite Entspannungseinrichtung zu führen und den Druckstrom dabei jeweils zu entspannen, und stromauf der ersten Entspannungseinrichtung in der ersten Wärmespeichereinrichtung gespeicherte Wärme auf den Druckstrom zu übertragen und stromauf der zweiten
Entspannungseinrichtung in der zweiten Wärmespeichereinrichtung gespeicherte Wärme auf den Druckstrom zu übertragen.
Neben der explizit erwähnten ersten und zweiten Entspannungseinrichtung können dabei auch weitere Entspannungseinrichtungen vorgesehen sein, die Entspannung kann also zumindest zweistufig, jedoch auch beispielsweise drei- und mehrstufig erfolgen. Besondere Vorteile ergeben sich jedoch, wenn nur genau zwei
Entspannungseinrichtungen zur arbeitsleistenden Entspannung des Druckstroms und nur genau zwei Verdichtereinrichtungen in der Luftkonditioniereinrichtung verwendet werden. Hierdurch lässt sich eine entsprechende Anlage deutlich einfacher und kostengünstiger realisieren als bei der technisch ebenfalls möglichen Verwendung von drei oder mehr Entspannungseinrichtungen zur arbeitsleistenden Entspannung des Druckstroms und drei oder mehr Verdichtereinrichtungen in der
Luftkonditioniereinrichtung. Die zwei- oder mehrstufige Entspannung des Druckstroms in dem
Energierückgewinnungszeitraum ist vorteilhaft, weil der zu entspannende Druckstrom sich auf einem hohen Druckniveau von typischerweise mehr als 40 bara und insbesondere in überkritischem Zustand befindet. Es wäre daher technisch sehr aufwendig, die Entspannung von diesem hohen Druckniveau bis auf etwa
Umgebungsdruck in einer einzigen Maschine zu realisieren. Zudem kühlt sich der Druckstrom während der Entspannung proportional zu dem bei der Entspannung erzielten Druckunterschied ab. Negative Temperaturen am Austritt aus der oder den jeweils verwendeten Entspannungseinrichtungen sollen jedoch vermieden werden. Dieses Problem kann erfindungsgemäß durch eine Erwärmung stromauf der jeweiligen Entspannungseinrichtungen gelöst werden.
In der erfindungsgemäß eingesetzten Luftkonditioniereinheit werden typischerweise zwei oder mehr Verdichtereinrichtungen verwendet. Grundsätzlich wäre es dabei von Vorteil, nacheinander zwei adiabat betriebene Verdichtereinrichtungen, also
Verdichtereinrichtungen, bei denen die verdichtete Luft eine deutlich höhere
Temperatur aufweist als die zu verdichtende Luft, einzusetzen. Die jeweils erzeugte Wärmemenge könnte dann jeweils in einer Wärmespeichereinrichtung gespeichert und stromauf der ersten Entspannungseinrichtung einerseits und stromauf der zweiten Entspannungseinrichtung andererseits auf den Druckstrom übertragen werden.
Diese Erzeugung "zweier Wärmemengen" stößt jedoch auf technische
Schwierigkeiten, weil adiabat betreibbare Verdichtereinrichtungen typischerweise nicht für das in der erfindungsgemäß eingesetzten Luftkonditioniereinheit insgesamt zu erzeugende Druckniveau sondern nur zur Erzeugung von Druckniveaus von weniger als 20 bara, ausgehend von Atmosphärendruck, verfügbar sind. Hierbei handelt es sich typischerweise um Komponenten, wie sie auch in Verdichtungsstufen von Gasturbinen eingesetzt werden. Für höhere Druckniveaus, beispielsweise zur Verdichtung von 10 bis 20 bara auf 40 bis 60 bara, sind keine adiabat betreibbaren Verdichter verfügbar. Verdichter für entsprechend hohe Drücke sind für einen (quasi-)isothermen Betrieb eingerichtet, so dass sich hier keine ausreichende Wärmemenge gewinnen lässt. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst daher; in der Luftkonditioniereinheit stromab einer adiabat betriebenen Verdichtereinrichtung aus der in dieser Verdichtereinrichtung verdichteten Luft einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom zu bilden und den ersten und den zweiten Teilstrom parallel durch die erste Wärmespeichereinrichtung und die zweite Wärmespeichereinrichtung zu führen. Das "parallele" Führen der Teilströme muss dabei nicht zwangsläufig eine Aufteilung der verdichteten Luft in Teilströme mit gleichem Volumenstrom umfassen. Es ist vielmehr auch möglich, die Luft "asymmetrisch" aufzuteilen, beispielsweise um in einer der
Wärmespeichereinrichtungen eine größere Wärmemenge zu speichern und zur
Erwärmung des Druckstroms bereitzustellen. Die Aufteilung kann auch auf Grundlage einer geeigneten Regelung, beispielsweise auf Grundlage einer in den jeweiligen Wärmespeichereinrichtungen bereits gespeicherten Wärmemenge erfolgen. In jedem Fall werden durch die Verwendung der ersten und der zweiten
Wärmespeichereinrichtung zwei separate Wärmequellen geschaffen, die zur
Erwärmung des Druckstroms in dem Energierückgewinnungszeitraum stromauf der zwei Entspannungseinrichtungen zur Verfügung stehen.
Neben der Aufteilung der verdichteten Luft und dem parallelen Führen durch die Wärmespeichereinrichtungen ist es grundsätzlich auch möglich, in einem ersten Teilzeitraum des Energiespeicherzeitraums Wärme in der ersten
Wärmespeichereinrichtung und in einem zweiten Teilzeitraum Wärme in der zweiten Wärmespeichereinrichtung zu speichern. Bei der angesprochenen adiabat betriebenen Verdichtereinrichtung handelt es sich dabei vorteilhafterweise um eine von zumindest zwei Verdichtereinrichtungen in der Luftkonditioniereinheit, die auf einem entsprechend niedrigen Druckniveau von beispielsweise 20 bara oder weniger betrieben wird bzw. die Luft von
Atmosphärendruck auf ein entsprechend niedriges Druckniveau verdichtet.
Beispielsweise handelt es sich bei dieser Verdichtereinrichtung um die erste in einer Reihe seriell angeordneter Verdichtereinrichtungen.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist damit auch die Verwendung einer adiabat betriebenen, "wärmeleistenden" Verdichtereinrichtung. Eine oder mehrere weitere Verdichtereinrichtungen, insbesondere Verdichtereinrichtungen für höhere Druckniveaus, können hingegen isotherm betrieben werden. Insgesamt kann damit durch die vorliegende Erfindung die Anzahl von Hardwarekomponenten reduziert werden, was zu geringerem Kosten- und Wartungsaufwand sowie einem einfacheren Betrieb der Gesamtanlage führt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist, wie erwähnt, vorgesehen, den
Festbettkältespeicher in dem Energiespeichermodus und dem
Energierückgewinnungsmodus auf gleichen oder ähnlichen Druckniveaus (dem
Verflüssigungsdruckniveau und dem Entflüssigungsdruckniveau) in Bereich von 40 bis 100 bara zu betreiben. Hierdurch werden Druckschwankungen innerhalb des
Festbettspeichers vermieden und dessen mechanische Stabilität erhöht, bzw.
Anforderungen an dessen mechanische Festigkeit wesentlich reduziert. Dabei wird zur Bildung des Luftverflüssigungsprodukts die Luft in der zumindest einen
Luftkonditionierungseinheit auf ein entsprechendes Druckniveau verdichtet, das bei unter- oder überkritischem Druck liegen kann. In der Festbettkältespeichereinheit und der Gegenstromwärmetauscheinheit kann damit ein entsprechender
Hochdruckluftstrom aus dem überkritischen Zustand (ohne klassischen
Phasenübergang) oder dem unterkritischen Zustand in den flüssigen Zustand überführt werden. Beide Übergänge werden hier unter dem Begriff "Verflüssigen"
zusammengefasst. Entsprechendes gilt auch zur bereits erläuterten Bildung des Entflüssigungsprodukts durch "Entflüssigen".
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist, wie erwähnt, ferner vorgesehen, den ersten Anteil und den zweiten Anteil der verdichteten und adsorptiv gereinigten Luft der Festbettkältespeichereinheit und der Gegenstromwärmetauschereinheit auf einem Temperaturniveau von 0 bis 50 °C zuzuführen. Die Einspeisung erfolgt damit vorteilhafterweise bei Umgebungstemperatur, was einen besonders vorteilhaften Betrieb der Festbettkältespeichereinheit ermöglicht. Dies kann insbesondere dadurch ermöglicht werden, dass in der
Luftkonditionierungseinheit stromab der adiabat betriebenen Verdichtereinrichtung eine weitere, isotherm betriebene Verdichtereinrichtung eingesetzt wird. Eine isotherm betriebene Verdichtereinrichtung, die eine oder mehrere Verdichterstufen bzw.
Verdichter im oben erläuterten Sinne aufweisen kann, zeichnet sich dadurch aus, dass ein dieser zugeführter und ein dieser entnommener, verdichteter Strom im Wesentlichen ein gleiches Temperaturniveau aufweisen, im Gegensatz zu adiabat betriebenen Verdichtern, bei denen das Verdichtungsprodukt eine deutlich höhere Temperatur als der in die Verdichtereinrichtung eingespeiste Strom aufweist. Eine isotherm betriebene Verdichtereinrichtung weist beispielsweise Zwischen- und
Nachkühler auf.
Weil im Rahmen der vorliegenden Erfindung die in dem Energiespeicherzeitraum in der Festbettkältespeichereinheit und der Gegenstromwärmetauscheinheit verflüssigte Luft in einer Kältegewinnungseinheit entspannt wird, wird die Bereitstellung zusätzlicher Kälte ermöglicht, die beispielsweise Kälteverluste in einer entsprechenden Anlage, beispielsweise in einem Speichertank zur Aufnahme des Luftverflüssigungsprodukts, ausgleicht. Ein bei der Entspannung gebildetes Verdampfungsprodukt kann zudem als Regeneriergas genutzt werden, wie unten erläutert. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher vorteilhafterweise neben der wenigstens einen erwähnten, adiabat betriebenen Verdichtereinrichtung auch wenigstens eine isotherm betriebene Verdichtereinrichtung in der
Luftkonditionierungseinheit verwendet. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ferner, wie ebenfalls erwähnt, eine Luftkonditionierungseinheit mit wenigstens einer auf einem überatmosphärischen Druckniveau betriebenen adsorptiven Reinigungseinrichtung verwendet. Die im
Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Luftkonditionierungseinheit verdichtet, wie erwähnt, die zugeführte Luft über mehrere Druckstufen. Die adsorptive
Reinigungseinrichtung kann auf jeder dieser Druckstufen eingesetzt bzw. bereitgestellt werden. Beispielsweise kann eine Reinigungseinrichtung auf einem Enddruckniveau, das durch die Luftkonditionierungseinheit bereitgestellt wird, besonders klein bauend ausgeführt werden, weil aufgrund der Verdichtung geringe Luftmassen gereinigt werden müssen. Eine adsorptive Reinigungseinrichtung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung einen oder mehrere adsorptive Reinigungsbehälter umfassen, wie im Rahmen der Figurenbeschreibung näher erläutert.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in zumindest einer der Wärmespeichereinrichtungen ein Festbett- und/oder ein Flüssigwärmespeichermedium verwendet. Hierbei verwendbare Wärmespeichermedien wurden bereits zuvor erläutert. Die Verwendung eines
Festbettwärmespeichermediums hat den Vorteil einer besonders einfachen und kostengünstigen Realisierung; ggf. besitzen jedoch Flüssigwärmespeichermedien eine bessere Wärmekapazität. Die Erfindung kann auch eine Kombination eines Festbett- und eines Flüssigwärmespeichermediums in einer oder beiden der
Wärmespeichereinrichtungen umfassen. Beispielsweise kann, wenn ein
entsprechender Luftstrom, wie oben erläutert, "asymmetrisch" zwischen den
Wärmespeichereinrichtungen aufgeteilt wird, in einer der Wärmespeichereinrichtungen ein Festbett- und in der anderen ein Flüssigwärmespeichermedium eingesetzt werden. Beliebige Kombinationen sind möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in zumindest einer der Wärmespeichereinrichtungen ein Wärmespeicherfluid zwischen wenigstens zwei Speichertanks transferiert und die Wärme in wenigstens einem Gegenstromwärmetauscher von dem oder auf das wenigstens eine
Wärmespeicherfluid übertragen werden. Auf diese Weise kann die verfügbare Wärme nicht nur auf ein statisch bereitstehendes Wärmespeichermedium übertragen werden, dessen Aufnahmekapazität naturgemäß begrenzt ist, sondern auf eine größere Menge eines entsprechenden Wärmemediums. Die Aufnahmekapazität für die bereitstehende Wärme kann damit deutlich erhöht werden.
Wie bereits erwähnt, werden die Wärmespeichereinrichtungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung bei deutlich höheren Temperaturen betrieben als die
Festbettkältespeichereinrichtung. Insbesondere wird dabei das jeweilige
Wärmespeichermedium in zumindest einer der Wärmespeichereinrichtungen während des Energiespeicherzeitraums auf ein Temperaturniveau von 50 bis 400 °C erwärmt.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorteilhafterweise als die erste
Entspannungseinrichtung und als die zweite Entspannungseinrichtung jeweils eine Generatorturbine verwendet. Unter einer Generatorturbine wird hier, wie erwähnt, jede mit einem Generator gekoppelte Entspannungsmaschine verstanden. Die Verwendung einer Generatorturbine erlaubt eine flexible Rückgewinnung von Energie in Form von elektrischem Strom. Grundsätzlich kann die Erfindung zur Rückgewinnung der Energie jedoch auch die Verwendung anderer Maßnahmen umfassen, beispielsweise den Betrieb eines mittels einer Entspannungsmaschine bzw. einer hiermit verbundenen Pumpe befüllten hydraulischen Speichers.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch umfassen, den Fluidstrom vor dem arbeitsleistenden Entspannen in der ersten und der zweiten Entspannungseinrichtung zumindest ein (weiteres) mal zu erwärmen, zu entspannen und/oder zu verdichten. Beispielsweise kann zumindest ein Teil des Entflüssigungsprodukts auch zunächst durch einen Wärmetauscher geführt und bereits hierin erwärmt werden. Vorteilhafterweise wird der wenigstens einen adsorptiven Reinigungseinrichtung in einer Regenerationsphase ein Regeneriergas zugeführt, das aus einem Teil der zuvor in der Luftkonditionierungseinheit verdichteten und adsorptiv gereinigten Luft gebildet wird. Ein entsprechendes Regeneriergas wird vorteilhafterweise vor seiner
Verwendung erwärmt, wie auch nachfolgend noch erläutert. Eine Regenerationsphase einer adsorptiven Reinigungseinrichtung kann, wenn nur ein Reinigungsbehälter vorhanden ist, dann durchgeführt werden, wenn keine Reinigungsleistung durch die Reinigungseinrichtung erbracht werden muss, beispielsweise in einem
Energierückgewinnungszeitraum. Sind mehrere im Wechsel betreibbare
Reinigungsbehälter vorhanden, können diese unabhängig von dem jeweils
vorliegenden Zeitraum regeneriert werden.
Das Regeneriergas kann entweder während des Energiespeicherzeitraums aus zumindest einem Teil eines bei der Entspannung der verflüssigten Luft gebildeten Verdampfungsprodukts oder während des Energierückgewinnungszeitraums aus zumindest einem Teil des Entflüssigungsprodukts gebildet werden.
Vorteilhafterweise wird ein bei der Entspannung der verflüssigten Luft gebildetes Verdampfungsprodukt durch die Gegenstromwärmetauscheinheit geführt und dabei erwärmt. Das Verdampfungsprodukt dient dabei zur Kühlung des durch die
Gegenstromwärmetauscheinheit geführten zweiten Anteils der in der
Luftkonditionierungseinheit verdichteten und adsorptiv gereinigten Luft. Entsprechende Kälte kann damit vorteilhafterweise genutzt werden.
Vorteilhafterweise wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wenigstens ein Kälteträger durch die Gegenstromwärmetauscheinheit geführt, der mittels eines externen Kältekreislaufs bereitgestellt und/oder durch Entspannen aus einem Teil der zuvor in der Luftkonditionierungseinheit verdichteten und adsorptiv gereinigten Luft gebildet wird. In letzterem Fall kann beispielsweise mittels der
Luftkonditionierungseinheit eine größere Luftmenge verdichtet und adsorptiv gereinigt werden, als sie zur Bildung des Luftverflüssigungsprodukts und dessen Speicherung benötigt wird. Die entsprechende "überschüssige" Luft kann gegebenenfalls in der Gegenstromwärmetauscheinheit auf eine Zwischentemperatur abgekühlt und anschließend kälteleistend entspannt und vom kalten Ende zum warmen Ende durch die Gegenstromwärmetauscheinheit geführt werden. Auf diese Weise kann der erforderliche Kältebedarf ohne zusätzliche Einrichtungen gedeckt werden. Die Verwendung eines externen Kältekreislaufs ermöglicht hingegen eine völlig unabhängige Bereitstellung von Kälte.
Eine Anlage, die zum Speichern und Rückgewinnen von Energie durch Bilden eines Luftverflüssigungsprodukts in einem Energiespeicherzeitraum und Erzeugen und arbeitsleistendes Entspannen eines unter Verwendung zumindest eines Teils des Luftverflüssigungsprodukts ohne Wärmezufuhr aus einer externen Wärmequelle gebildeten Druckstroms in einem Energierückgewinnungszeitraum eingerichtet ist, ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Die Anlage weist Mittel auf, die dazu eingerichtet sind, zur Bildung des
Luftverflüssigungsprodukts Luft in einer Luftkonditioniereinheit zumindest mittels einer adiabat betriebenen Verdichtereinrichtung zu verdichten und mittels wenigstens einer adsorptiven Reinigungseinrichtung auf einem überatmosphärischen Druckniveau adsorptiv zu reinigen, in der Luftkonditioniereinheit stromab der adiabat betriebenen Verdichtereinrichtung aus der in dieser verdichteten Luft einen ersten und einen zweiten Teilstrom zu bilden und den ersten und den zweiten Teilstrom parallel durch eine erste Wärmespeichereinrichtung und eine zweite Wärmespeichereinrichtung zu führen, bei der Verdichtung der Luft erzeugte Wärme zumindest zum Teil in der ersten Wärmespeichereinrichtung und der zweiten Wärmespeichereinrichtung zu speichern, die verdichtete und adsorptiv gereinigte Luft ausgehend von einem Temperaturniveau in einem Bereich von 0 bis 50 °C zu einem ersten Anteil in einer
Festbettkältespeichereinheit und zu einem zweiten Anteil in einer
Gegenstromwärmetauscheinheit auf einem Verflüssigungsdruckniveau in einem Bereich von 40 bis 100 bara zu verflüssigen, und die verflüssigte Luft anschließend in wenigstens einer Kältegewinnungseinheit zu entspannen.
Die Mittel sind ferner dafür eingerichtet, zur Bildung des Druckstroms aus zumindest einem Teil des Verflüssigungsprodukts bei einem Entflüssigungsdruckniveau, das um nicht mehr als 5 bar von dem Verflüssigungsdruckniveau abweicht, in der
Festbettkältespeichereinheit ein Entflüssigungsprodukt zu erzeugen, sowie den Druckstrom bei der arbeitsleistenden Entspannung durch eine erste
Entspannungseinrichtung und eine zweite Entspannungseinrichtung zu führen und den Druckstrom dabei jeweils zu entspannen, und stromauf der ersten
Entspannungseinrichtung in der ersten Wärmespeichereinrichtung gespeicherte Wärme auf den Druckstrom zu übertragen und stromauf der zweiten
Entspannungseinrichtung in der zweiten Wärmespeichereinrichtung gespeicherte Wärme auf den Druckstrom zu übertragen.
Eine derartige Anlage weist vorteilhafterweise sämtliche Mittel auf, die sie zur
Durchführung des zuvor ausführlich erläuterten Verfahrens befähigen. Eine derartige Anlage profitiert daher von den Vorteilen eines entsprechenden Verfahrens, auf die daher ausdrücklich verwiesen wird.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, welche bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figuren 1A und 1 B zeigen eine Anlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem Energiespeicherzeitraum und einem Energierückgewinnungszeitraum.
Figur 2 zeigt eine Anlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem
Energiespeicherzeitraum.
Figuren 3A und 3B zeigen eine Anlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem Energiespeicherzeitraum und dem Energierückgewinnungszeitraum. Figur 4 zeigt eine Wärmespeichereinrichtung für eine Anlage gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung.
Figur 5 zeigt eine Wärmespeichereinrichtung für eine Anlage gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung.
Figuren 6A und 6B zeigen eine Wärmespeichereinrichtung für eine Anlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem Energiespeicherzeitraum und dem Energierückgewinnungszeitraum.
Figuren 7A und 7B zeigen Kühleinrichtungen für Luftkonditionierungseinheiten gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
Figur 8 zeigt eine Luftreinigungseinrichtung für eine Luftkonditionierungseinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Figur 9 zeigt eine Verdichtereinrichtung mit einer Regeneriergasvorheizeinrichtung für eine Luftkonditionierungseinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Figuren 10A und 10B zeigen eine Luftreinigungseinrichtung in dem
Energiespeicherzeitraum und dem Energierückgewinnungszeitraum für eine
Luftkonditionierungseinheit gemäß spezifischer Ausführungsformen der Erfindung.
Figuren 11A bis 11 C zeigen Anlagen gemäß Ausführungsformen der Erfindung und veranschaulichen Details einer zugehörigen Gegenstromwärmetauscheinheit .
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind einander grundsätzlich entsprechende Elemente, Apparate, Vorrichtungen und Fluidströme mit identischen Bezugszeichen veranschaulicht und werden der Übersichtlichkeit halber nicht in sämtlichen Fällen erneut erläutert.
In den Figuren ist eine Vielzahl von Ventilen dargestellt, die teilweise durchlässig und teilweise sperrend geschaltet sind. Sperrend geschaltete Ventile sind in den Figuren durchkreuzt dargestellt. Durch sperrend geschaltete Ventile unterbrochene Fluidströme und entsprechend deaktivierte Einrichtungen sind überwiegend gestrichelt
veranschaulicht. Gasförmige bzw. in überkritischem Zustand vorliegende Ströme sind mit weißen (nicht ausgefüllten) Pfeildreiecken, flüssige Ströme mit schwarzen
(ausgefüllten) Pfeildreiecken veranschaulicht.
In den Figuren 1A und 1 B ist eine Anlage gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung in einem Energiespeicherzeitraum (Figur 1A) und einem Energierückgewinnungszeitraum (Figur 1 B) dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet.
Die Anlage 100 umfasst als zentrale Komponenten eine Luftkonditionierungseinheit 10, eine Festbettkältespeichereinheit 20, eine Gegenstromwärmetauscheinheit 30, eine Kältegewinnungseinheit 40, eine Flüssigspeichereinheit 50 und eine
Energiegewinnungseinheit 60.
Hier und im Folgenden können einige oder alle der gezeigten Komponenten in beliebiger Anzahl vorhanden sein und beispielsweise parallel mit entsprechenden Teilströmen beschickt werden. In dem in Figur 1A veranschaulichten Energiespeicherzeitraum wird der Anlage 100 ein Luftstrom a (AIR, Einsatzluft) zugeführt und in der Luftkonditionierungseinheit 10 verdichtet und aufgereinigt. Ein entsprechend verdichteter und aufgereinigter, insbesondere von Wasser und Kohlendioxid befreiter, Strom b liegt auf einem
Druckniveau von beispielsweise 40 bis 100 bara vor und wird nachfolgend auch als Hochdruckluftstrom b bezeichnet.
Der Strom a wird dabei in der Luftkonditionierungseinheit 10 über ein Filter 11 mittels einer Verdichtereinrichtung 12, beispielsweise mittels eines mehrstufigen, adiabat betriebenen Axialverdichters, angesaugt und verdichtet. Die verdichtete Luft wird stromab der Verdichtereinrichtung 12 im dargestellten Beispiel in zwei Teilströme aufgeteilt, von denen jeder einer Wärmespeichereinrichtung 131 , 132 einer
Wärmespeichereinheit 13 zugeführt wird. Die mehrfach beschriebenen
Wärmespeichereinrichtungen 131 , 132 können beispielsweise unter Verwendung eines Festbett- und/oder eines Flüssigwärmespeichermediums betrieben werden, wie auch beispielsweise in den nachfolgenden Figuren 4, 5, 6A und 6B veranschaulicht. In der Wärmespeichereinheit 13 bzw. deren Wärmespeichereinrichtungen 131 , 132 kann die in der Verdichtereinrichtung 12 erzeugte Verdichtungswärme bzw. Verdichterabwärme zumindest zum Teil gespeichert werden. Stromab der Wärmespeichereinheit 3 wird der verdichtete und durch die
Wärmespeichereinheit 13 geführte Strom a einer Kühleinrichtung 14 und anschließend einer Luftreinigungseinrichtung 15 zugeführt. Beispiele für entsprechende
Kühleinrichtungen 14 und Luftreinigungseinrichtungen 15 sind unter anderem in den nachfolgenden Figuren 7A, 7B und 8 näher veranschaulicht. Zum Betrieb bzw. der Regeneration der Luftreinigungseinrichtung 15 kann dieser ein unten erläuterter Regeneriergasstrom k zugeführt und aus dieser ein Strom I ausgeführt werden.
Stromab der Luftreinigungseinrichtung 15 wird ein Teilstrom der Luft des Stroms a als Strom j entnommen, der auf einem (Zwischen-)Druckniveau von beispielsweise 5 bis 20 bara vorliegt. Dieser Strom j wird nachfolgend auch als Mitteldruckluftstrom
(MPAIR) bezeichnet. Nicht als Mitteldruckluftstrom j ausgeführte Luft des Stroms a wird in einer weiteren Verdichtereinrichtung 16, beispielsweise einer isotherm betriebenen Verdichtereinrichtung 16, weiter verdichtet. Auch die Verdichtereinrichtung 16 kann als mehrstufiger Axialverdichter ausgebildet sein. Stromab der Verdichtereinrichtung 16 kann eine Nachkühleinrichtung 17 angeordnet sein. In der Verdichtereinrichtung 16 verdichtete und in der Nachkühleinrichtung 17 abgekühlte Luft wird als der erwähnte Hochdruckluftstrom b bereitgestellt.
Wie bereits erwähnt, werden der Hochdruckluftstrom b und der Mitteldruckluftstrom j durch die Luftkonditionierungseinheit 10 typischerweise nur in dem
Energiespeicherzeitraum bereitgestellt. In diesem Energiespeicherzeitraum ist die Energiegewinnungseinheit 60 typischerweise nicht in Betrieb. Umgekehrt ist in dem Energierückgewinnungszeitraum typischerweise nur die Energiegewinnungseinheit 60, nicht hingegen die Luftkonditionierungseinheit 10 in Betrieb.
Der Hochdruckluftstrom b wird in dem in Figur 1A veranschaulichten
Energiespeicherzeitraum der Anlage 100 in einen ersten Teilstrom c und einen zweiten Teilstrom d aufgeteilt. Es versteht sich, dass in entsprechenden Anlagen auch die Aufteilung eines entsprechenden Hochdruckluftstroms b in mehr als zwei Teilströme vorgesehen sein kann. Die Luft der Teilströme c und d (HPAIR) wird der Festbettkältespeichereinheit 20 einerseits und der Gegenstromwärmetauscheinheit 30 andererseits auf dem bereits erwähnten Druckniveau des Hochdruckluftstroms b zugeführt und jeweils in der Festbettkältespeichereinheit 20 bzw. der Gegenstromwärmetauscheinheit 30 verflüssigt. Die Luft der entsprechend verflüssigten Ströme e und f (HPLAIR) wird zu einem Sammelstrom g vereinigt. Das Druckniveau der Ströme e, f und g entspricht im Wesentlichen, d.h. bis auf Leitungs- und Abkühlungsverluste, dem Druckniveau des Hochdruckluftstroms b.
Die verflüssigte Luft des Stroms g, also ein Luftverflüssigungsprodukt, wird in der Kältegewinnungseinheit 40, die beispielsweise eine Generatorturbine 41 umfassen kann, entspannt. Die entspannte Luft kann beispielsweise in einen Abscheiderbehälter 42 überführt werden, in dessen unterem Teil sich eine Flüssigphase abscheidet und in dessen oberem Teil eine Gasphase vorliegt.
Die Flüssigphase aus dem Abscheiderbehälter 42 kann als Strom h (LAIR) abgezogen und in die Flüssigspeichereinheit 50, die beispielsweise einen oder mehrere isolierte Speichertanks umfassen kann, überführt werden. Das Druckniveau des Stroms h liegt beispielsweise bei 1 bis 16 bara. Die aus dem oberen Teil des Abscheiderbehälters 42 als Strom i abgezogene Gasphase (Flash) kann im Gegenstrom zu dem Strom f durch die Gegenstromwärmetauscheinheit 30 geführt und anschließend in Form des bereits angesprochenen Stroms k (LPAIR, reggas) in der Luftkonditionierungseinheit 10 als Regeneriergas genutzt werden. Das Druckniveau des Stroms k liegt beispielsweise bei Atmosphärendruck bis ca. 2 bara. Stromab liegt ein entsprechender Strom I
typischerweise bei Atmosphärendruck (amb) vor und kann beispielsweise in die Umgebung abgegeben werden.
Während des in der Figur 1A veranschaulichten Energiespeicherzeitraums wird die in der Festbettkältespeichereinheit 20 gespeicherte Kälte zur Verflüssigung der Luft des Teilstroms c verwendet. Zusätzlich ist die Gegenstromwärmetauscheinheit 30 bereitgestellt, in der zusätzliche Luft, nämlich Luft des Teilstroms d, im Gegenstrom zu beispielsweise einem kalten Strom i, der aus entspannter und dabei verdampfter Luft des Stroms g gewonnen werden kann, verflüssigt werden kann. Die Verwendung der Gegenstromwärmetauscheinheit 30 ermöglicht einen flexibleren Betrieb der Anlage 100 als dies bei Verwendung nur der Festbettkältespeichereinheit 20 der Fall wäre. Durch die Gegenstromwärmetauscheinheit 30 wird ferner der bereits erwähnte
Mitteldruckluftstrom j (MPAIR) bereitgestellt. In dem in Figur 1 B veranschaulichten Energierückgewinnungszeitraum wird der Flüssigspeichereinheit 50 zuvor in dem Energiespeicherzeitraum gespeicherte, verflüssigte Luft (LAIR), also das Luftverflüssigungsprodukt, entnommen und mittels einer Pumpe 51 druckerhöht. Ein auf diese Weise gewonnener Strom m (HPLAIR) wird durch die Festbettkältespeichereinheit 20 geführt und dabei verdampft oder vom flüssigen in den überkritischen Zustand überführt ("entflüssigt"). Es wird also ein
Entflüssigungsprodukt gebildet, aus dem, wie hier dargestellt vollständig, oder auch nur teilweise, ein Fluidstrom gebildet wird. Der Strom m liegt dabei auf einem
vergleichbaren Druckniveau vor wie der bereits zuvor erläuterte Hochdruckluftstrom b. Auch bei dem durch die Verdampfung oder die Überführung von dem flüssigen in den überkritischen Zustand in der Festbettkältespeichereinheit 20 erhaltenen Druckstrom n handelt es sich damit um einen Hochdruckluftstrom.
Der Druckstrom n wird in dem in Figur 1 B veranschaulichten
Energierückgewinnungszeitraum in der Energiegewinnungseinheit 60 zunächst mittels in der ersten Wärmespeichereinrichtung 131 der Wärmespeichereinheit 13 in dem Energiespeicherzeitraum (vgl. Figur 1A) gespeicherter Wärme erwärmt und
anschließend in einer ersten Entspannungseinrichtung 61 , die hier als
Generatorturbine ausgebildet ist, entspannt. Anschließend wird der Druckstrom n in der Energiegewinnungseinheit 60 mittels in der zweiten Wärmespeichereinrichtung 132 der Wärmespeichereinheit 13 in dem Energiespeicherzeitraum (vgl. Figur 1A)
gespeicherter Wärme erwärmt und anschließend in einer zweiten
Entspannungseinrichtung 62, die hier ebenfalls als Generatorturbine ausgebildet ist, weiter entspannt. Ein entsprechend entspannter Strom o liegt beispielsweise bei Atmosphärendruck (amb) vor und kann in die Umgebung abgegeben werden.
In der in den Figuren 1A und 1 B gezeigten Anlage 100 sind die Kühleinrichtung 14 und die Luftreinigungseinrichtung 15 stromauf der Verdichtereinrichtung 16 bzw. stromab der Wärmespeichereinrichtung 13 angeordnet. Es ist jedoch ebenso möglich, die Kühleinrichtung 14 und die Luftreinigungseinrichtung 15 stromab der
Verdichtereinrichtung 16 und der Nachkühleinrichtung 17 anzuordnen, wie dies in Figur 2 gezeigt ist. Figur 2 veranschaulicht eine entsprechende Anlage in dem Energiespeicherzeitraum, die jedoch nicht gesondert bezeichnet ist. Die
Kühleinrichtung 14 und die Luftreinigungseinrichtung 15 sind hier also in einer Region höheren Drucks bereitgestellt und können damit kleiner ausgeführt werden. In der in Figur 2 gezeigten Anlage wird ferner kein Mitteldruckluftstrom j gebildet.
In den in den Figuren 1A, 1 B und 2 gezeigten Anlagen wird ein Regeneriergasstrom k in dem Energiespeicherzeitraum bereitgestellt, in dem die Luftreinigungseinrichtung 15 gleichzeitig eine Reinigungsleistung erbringen muss. Daher müssen in entsprechenden Anlagen die Luftreinigungseinrichtungen 15 zwangsläufig mit im Wechselbetrieb betreibbaren Adsorberbehältern ausgebildet werden, wie auch in der Figur 8 veranschaulicht. Eine Bereitstellung eines Regeneriergasstroms k während des Energierückgewinnungszeitraums, in dem die Luftreinigungseinrichtung 15 ohnehin nicht benötigt wird, ermöglicht es hingegen, nur einen Adsorberbehälter zu verwenden (vgl. Figuren 10A und 10B) und eine entsprechende Anlage damit einfacher und kostengünstiger auszubilden und zu betreiben.
Wie sich aus der Zusammenschau der Figuren 3A und 3B ergibt, kann in einer entsprechenden Anlage der Regeneriergasstrom k daher auch in dem
Energierückgewinnungszeitraum (Figur 3B) gebildet werden. Er wird hierzu
vorzugsweise als Hochdruckstrom k bereitgestellt, indem er von dem Hochdruckstrom n abgezweigt wird. Der Regeneriergasstrom k kann nach seiner Verwendung in der Luftreinigungseinrichtung 15 als Strom I wieder mit dem Hochdruckluftstrom n vereinigt werden. In dem Strom I stromab der Luftreinigungseinrichtung 15 enthaltene
Komponenten wie Wasser und Kohlendioxid erweisen sich aufgrund der in der Energiegewinnungseinheit 60 vorliegenden Temperaturen in der Regel als
unproblematisch. Die in den Figuren 3A und 3B veranschaulichte Variante hat den Vorteil, dass weniger verdichtete Luft verloren geht. In Figur 4 ist eine Wärmespeichereinrichtung für eine Anlage gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Wie in den bisherigen Figuren ist die Wärmespeichereinrichtung hier mit 131 bzw. 132 bezeichnet. Die in der Figur 4 gezeigte Wärmespeichereinrichtung 131 , 132 ist als Festbettwärmespeichereinrichtung 131 , 132 ausgebildet und weist ein Wärmespeichermedium in Form eines Festbetts 1 auf. Das Festbett 1 ist in einem Druckbehälter 2 mit Einlass- und Auslassstutzen 3 angeordnet und kann auf diese Weise von mittels der Verdichtereinrichtung 12 verdichteter Luft durchströmt werden. Der Druckbehälter 2 ist von einer thermischen Isolierschicht 4 umgeben. Auch in Figur 5 ist eine Wärmespeichereinrichtung für eine Anlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht und insgesamt mit 131 bzw. 132 bezeichnet. Ein Festbettwärmespeichermedium kann hier in einem nur schematisch veranschaulichten Behälter 5 angeordnet sein, der von einem Wärmeüberträgerfiuid 6, das mittels einer Pumpe 7 gefördert werden kann, durchströmt wird. Die
Wärmeübertragung von der mittels der Verdichtereinrichtung 12 verdichteten Luft des Stroms a auf das Wärmüberträgerfluid 6 kann mittels eines geeigneten
Wärmetauschers 8 erfolgen.
Im Gegensatz zu der in Figur 4 gezeigten Wärmespeichereinrichtung 131 , 132 umfasst die in der Figur 5 gezeigte Wärmespeichereinrichtung 131 , 132 also eine indirekte Wärmeübertragung auf das (nicht gezeigte) Wärmespeichermedium.
In den Figuren 6a und 6b ist eine Wärmespeichereinrichtung 131 , 132, die als
Flüssigwärmespeichereinrichtung ausgebildet ist, in einem Energiespeicherzeitraum (Figur 6A) und einem Energierückgewinnungszeitraum (Figur 6B) dargestellt.
In dem in Figur 6A veranschaulichten Energiespeicherzeitraum wird der mehrfach erläuterte Strom a (nach einer ersten Verdichtung in der Verdichtereinrichtung 12) dabei durch einen Wärmetauscher 71 im Gegenstrom zu einem kalten
Wärmespeicherfluid aus einem Speichertank 72 geführt. Das Wärmespeicherfluid aus dem Speichertank 72 wird dabei mittels einer Pumpe 73 durch den Wärmetauscher 71 gefördert und, entsprechend erwärmt, in einem weiteren Speichertank 74 überführt.
In dem in Figur 6B veranschaulichten Energierückgewinnungszeitraum wird hingegen ein zu erwärmender Strom, hier der Hochdruckluftstrom n, in Gegenrichtung zu dem Strom a durch den Wärmetauscher 71 geführt und mittels eines nun ebenfalls in Gegenrichtung geförderten, warmen Wärmespeichermediums erwärmt.
In Figur 7A ist eine Kühleinrichtung 14 für den Einsatz in einer
Luftkonditionierungseinheit 10, wie sie beispielsweise in den zuvor gezeigten Figuren 1A, 1 B, 2, 3A und 3B veranschaulicht ist, im Detail dargestellt. Die Kühleinrichtung 14 kann mit einem stromab der Wärmespeichereinheit 13 (vgl. Figuren 1A, 1 B und 2) bzw. stromab der Nachkühleinrichtung 17 (vgl. Figuren 3A und 3B) angeordnet sein. Ein entsprechender Strom, hier mit r bezeichnet, wird in einen unteren Bereich eines Direktkontaktkühlers 141 eingespeist. Der Strom r entspricht dem zuvor in der
Verdichtereinrichtung 12 verdichteten und der Wärmespeichereinheit 13 abgekühlten Strom a. In einem oberen Bereich des Direktkontaktkühlers 141 wird ein Wasserstrom (H20), der mittels einer Pumpe 142 durch eine (optionale) Kühleinrichtung 143 geführt wird, eingebracht. Wasser kann aus einem unteren Bereich des Direktkontaktkühlers 141 abgezogen werden. Vom Kopf des Direktkontaktkühlers 141 wird ein entsprechend gekühlter Strom s abgezogen, der anschließend in eine Luftreinigungseinrichtung 15 (vgl. Figuren 1A, 1 B, 2, 3A und 3B) überführt werden kann.
Abweichend ist gemäß der in Figur 7B veranschaulichten Variante der Kühleinrichtung 14 kein Direktkontaktkühler 141 sondern ein Wärmetauscher 144 vorgesehen. Auch dieser Wärmetauscher 144 kann mit einem Wasserstrom, der mittels einer Pumpe 142 durch eine (optionale) Kühleinrichtung 143 geführt wird, betrieben werden.
In Figur 8 ist eine Luftreinigungseinrichtung 15, die sich insbesondere zum Einsatz in einer Luftkonditionierungseinheit 10, wie sie in den Figuren 1A, 1 B und 2 gezeigt ist, eignet, im Detail veranschaulicht. Ein dort beispielsweise aus einer Kühleinrichtung 14 stammender, gekühlter Strom s kann hierbei im Wechselbetrieb durch zwei
Adsorberbehälter 151 , die beispielsweise Molekularsieb aufweisen, geführt werden. Der Strom s entspricht dabei dem wie zuvor erläutert behandelten Strom a. In den Adsorberbehältern 151 werden insbesondere Wasser und Kohlendioxid aus dem
Strom s entfernt. Ein entsprechender erhaltener Strom t, der beispielsweise im Fall der in der Figur 2 veranschaulichten Ausführungsformen dem Strom b entsprechen kann, wird der jeweils stromab hiervon angeordneten Einrichtung, beispielsweise der nächsten Verdichtereinrichtung (vgl. Figuren 1A und 1 B) bzw. der
Festbettkältespeichereinheit 20 oder der Gegenstromwärmetauscheinheit 30 (vgl. Figur 3) zugeführt.
Der jeweils nicht zur Aufreinigung des Stroms s verwendete Adsorberbehälter 151 kann mittels des bereits erläuterten Regeneriergasstroms k regeneriert werden. Der Regeneriergasstrom k kann dabei zunächst einer optionalen Regeneriergasvorheizeinnchtung 152 zugeführt werden, die in einem Beispiel in der nachfolgenden Figur 9 veranschaulicht ist. In einer nachgeschalteten
Regeneriergasheizeinrichtung 153, die beispielsweise elektrisch und/oder mit
Heißdampf betrieben werden kann, wird der Regeneriergasstrom k weiter erwärmt und durch den jeweils zu regenerierenden Adsorberbehälter 151 geführt. Stromab des zu regenerierenden Adsorberbehälters 151 liegt ein entsprechender Strom I vor. Gleiches gilt, wenn zu dem dargestellten Zeitpunkt kein Regeneriergas benötigt wird, weil in diesem Fall ein entsprechender Strom I direkt aus der Luftreinigungseinrichtung 5 ausgeführt wird (siehe Strom I im oberen Teil der Figur 8).
In Figur 9 ist insbesondere der Betrieb einer Regeneriergasvorheizeinnchtung 152 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Die
Regeneriergasvorheizeinnchtung 152 kann beispielsweise eine Nachkühleinrichtung 17 ersetzen oder ergänzen und damit stromab einer Luftverdichtereinrichtung 16 angeordnet sein. Ein aufgrund einer entsprechenden Verdichtung angewärmter
Luftstrom kann durch einen Wärmetauscher 152a der Regeneriergasvorheizeinnchtung 152 oder an dieser vorbei geleitet werden und dabei Wärme auf einen
Regeneriergasstrom k übertragen. In den Figuren 10A und 10B sind Luftreinigungseinrichtungen 15 gezeigt, die sich insbesondere für die in den Figuren 3A und 3B veranschaulichten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bzw. die in diesen gezeigten Luftkonditioniereinrichtungen eignen. In den Figuren 10A und 10B sind der Energiespeicherzeitraum (Figur 10A) und der Energierückgewinnungszeitraum (Figur 10B) veranschaulicht, wobei in dem Energiespeicherzeitraum eine Aufreinigung eines entsprechenden Stroms s erfolgt. Weil in dem Energierückgewinnungszeitraum einer entsprechenden Anlage 100 keine Luft in Form des Stroms a zugeführt wird und damit die Luftkonditioniereinrichtung 10 nicht in Betrieb ist, steht ein entsprechender Adsorberbehälter 151 in derartigen Zeiten (Figur 10B) zur Regenerierung zur Verfügung. Die in den Figuren 10A und 10B veranschaulichte Ausführungsform hat daher den besonderen Vorteil, dass nur ein entsprechender Adsorberbehälter 151 vorgesehen sein muss und nicht zwei, die gemäß Figur 8 im Wechselbetrieb gefahren werden.
Auch hier kann ein Regeneriergasstrom k in einer optionalen
Regeneriergasvorheizeinnchtung (nicht gezeigt), vorgeheizt und in einer Regeneriergasheizeinrichtung 153 erhitzt werden. Die Regeneriergasheizeinrichtung 153 kann insbesondere auch mittels in der Wärmespeichereinheit 13 gespeicherter Wärme betrieben werden (nicht gezeigt). In dem in der Figur 10B veranschaulichten Energierückgewinnungszeitraum wird damit entsprechend erwärmtes Regeneriergas durch den Adsorberbehälter 151 geführt, in dem Energiespeicherzeitraum (Figur 10A) steht dieser Regeneriergasbehälter 151 zur Aufreinigung des Stroms s zur Verfügung. Die Figuren 1 1A bis 1 1 C veranschaulichen Anlagen gemäß bevorzugter
Ausführungsformen der Erfindung jeweils in dem Energiespeicherzeitraum. Die Anlagen entsprechen dabei bezüglich der Festbettkältespeichereinheit 20, der
Kältegewinnungseinheit 40, der Flüssigspeichereinheit 50 und der
Energiegewinnungseinheit 60 im Wesentlichen den zuvor erläuterten
Ausführungsformen, unterscheiden sich jedoch insbesondere hinsichtlich der
Gegenstromwärmetauscheinheit 30, die daher im Folgenden erläutert wird.
Gemäß der in Figur 1 1 A veranschaulichten Ausführungsform kann die
Gegenstromwärmetauscheinheit 30 beispielsweise mittels eines Stroms u betrieben werden, der vom kalten Ende zum warmen Ende durch einen oder mehrere
Wärmetauscher 31 der Gegenstromwärmetauscheinheit 30 geführt wird.
Zur Bereitstellung des Stroms u kann beispielsweise ein separater
Verflüssigungsprozess 32 implementiert sein, der mittels eigener, d.h. zusätzlich zur Luftkonditionierungseinheit 10 bereitgestellter, Verdichter betrieben wird.
In der in Figur 1 1 B gezeigten Ausführungsform, die im Wesentlichen der in den Figuren 1A und 1 B gezeigten Ausführungsform entspricht, kann hingegen der
Gegenstromwärmetauscheinheit 10 ein Mitteldruckluftstrom j zugeführt und am warmen Ende in den Wärmetauscher 31 eingespeist werden. Der Strom j kann dem Wärmetauscher 31 bei einer Zwischentemperatur entnommen und in einer
Generatorturbine 33 entspannt werden. Ein weiterer Teilstrom des
Hochdruckluftstroms b bzw. seines Teilstroms d kann ebenfalls bei einer
Zwischentemperatur dem Wärmetauscher 131 entnommen und in einer weiteren Generatorturbine 34 entspannt werden. Die genannten Ströme können vereinigt und gemeinsam durch die Generatorturbine 33 geführt werden. Durch die Entspannung freiwerdende Kälte wird zur Verflüssigung des Stroms c (siehe Figuren 1A und TB) genutzt, indem entsprechende Ströme dem Wärmetauscher 31 zusammen mit dem bereits erläuterten Strom i kaltseitig zugeführt werden.
In einer in Figur 1 1 C gezeigten Variante wird der Strom i dem Wärmetauscher 31 der Gegenstromwärmetauscheinheit 30 kaltseitig zugeführt, bei einer Zwischentemperatur entnommen, mit dem Mitteldruckluftstrom j, der ebenfalls bis zu einer
Zwischentemperatur durch den Wärmetauscher 31 geführt wurde, vereinigt, und anschließend in der Generatorturbine 33 entspannt. Zuvor kann entsprechende Luft mit einem Teilstrom des Stroms c vereinigt werden, wie bereits in Figur 1 1 B dargestellt.
Die in den Figuren 11 B und 1 1 C veranschaulichten Ausführungsformen eignen sich insbesondere für die Verwendung von auf unterschiedlichen Druckniveaus
vorliegenden Strömen i.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Speichern und Rückgewinnen von Energie, bei dem in einem Energiespeicherzeitraum ein Luftverflüssigungsprodukt (LAIR) gebildet und in einem Energierückgewinnungszeitraum unter Verwendung zumindest eines Teils des Luftverflüssigungsprodukts (LAIR) ohne Wärmezufuhr aus einer externen Wärmequelle ein Druckstrom gebildet und arbeitsleistend entspannt wird, wobei das Verfahren umfasst, zur Bildung des Luftverflüssigungsprodukts (LAIR)
- Luft (AIR) in einer Luftkonditioniereinheit (10) zumindest mittels einer adiabat betriebenen Verdichtereinrichtung (12) zu verdichten und mittels wenigstens einer adsorptiven Reinigungseinrichtung (15) auf einem überatmosphärischen Druckniveau adsorptiv zu reinigen, in der Luftkonditioniereinheit (10) stromab der adiabat betriebenen
Verdichtereinrichtung (12) aus der in dieser verdichteten Luft (AIR) einen ersten und einen zweiten Teilstrom zu bilden und den ersten und den zweiten Teilstrom parallel durch eine erste Wärmespeichereinrichtung (131) und eine zweite Wärmespeichereinrichtung (132) zu führen,
- bei der Verdichtung der Luft (AIR) erzeugte Wärme zumindest zum Teil in der ersten Wärmespeichereinrichtung (131) und der zweiten
Wärmespeichereinrichtung (132) zu speichern,
- die verdichtete und adsorptiv gereinigte Luft (HPAIR) ausgehend von einem Temperaturniveau in einem Bereich von 0 bis 50 °C zu einem ersten Anteil in einer Festbettkältespeichereinheit (20) und zu einem zweiten Anteil in einer Gegenstromwärmetauscheinheit (30) auf einem Verflüssigungsdruckniveau in einem Bereich von 40 bis 100 bara zu verflüssigen, und
- die verflüssigte Luft (HPLAIR) anschließend in wenigstens einer
Kältegewinnungseinheit (40) zu entspannen, und zur Bildung des Druckstroms aus zumindest einem Teil des Verflüssigungsprodukts (LAIR) bei einem Entflüssigungsdruckniveau, das um nicht mehr als 5 bar von dem
Verflüssigungsdruckniveau abweicht, in der Festbettkältespeichereinheit (20) ein Entflüssigungsprodukt (HPAIR) zu erzeugen, sowie
- den Druckstrom bei der arbeitsleistenden Entspannung durch eine erste
Entspannungseinrichtung (61) und eine zweite Entspannungseinrichtung (62) zu führen und den Druckstrom dabei jeweils zu entspannen, und
- stromauf der ersten Entspannungseinrichtung (61) in der ersten
Wärmespeichereinrichtung (131) gespeicherte Wärme auf den Druckstrom zu übertragen und stromauf der zweiten Entspannungseinrichtung (62) in der zweiten Wärmespeichereinrichtung (132) gespeicherte Wärme auf den Druckstrom zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 1 , das umfasst, in zumindest einer der
Wärmespeichereinrichtungen (131 , 132) ein Festbett- (1 ) und/oder
Flüssigwärmespeichermedium zu verwenden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das umfasst, in zumindest einer der
Wärmespeichereinrichtungen (131 , 132) ein Wärmespeicherfluid zwischen wenigstens zwei Speichertanks (72, 74) zu transferieren und die Wärme in wenigstens einem Wärmetauscher (71) von dem oder auf das wenigstens eine Wärmespeicherfluid zu übertragen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das umfasst, in zumindest einer der Wärmespeichereinrichtungen (131 , 132) ein Wärmespeichermedium auf ein Temperaturniveau von 50 bis 400 °C zu erwärmen.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem als die erste Entspannungseinrichtung (61) und als die zweite Entspannungseinrichtung (62) jeweils eine Generatorturbine verwendet wird. 6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das umfasst, der wenigstens einen adsorptiven Reinigungseinrichtung (15) ein Regeneriergas zuzuführen, das aus einem Teil der zuvor in der Luftkonditioniereinheit (10) verdichteten und adsorptiv gereinigten Luft (HPAIR) gebildet wird. 7. Verfahren nach Anspruch 6, das umfasst, das Regeneriergas während des
Energiespeicherzeitraums aus zumindest einem Teil eines bei der Entspannung der verflüssigten Luft (HPLAIR) gebildeten Verdampfungsprodukts zu bilden.
8. Verfahren nach Anspruch 6, das umfasst, das Regeneriergas während des
Energierückgewinnungszeitraums aus zumindest einem Teil des
Entflüssigungsprodukts (HPAIR) zu bilden.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das umfasst, ein bei der Entspannung der verflüssigten Luft (HPLAIR) gebildetes Verdampfungsprodukt durch die Gegenstromwärmetauscheinheit (30) zu führen.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das umfasst, wenigstens einen Kälteträger durch die Gegenstromwärmetauscheinheit (30) zu führen, der mittels eines externen Kältekreislaufs bereitgestellt und/oder durch Entspannen aus einem Teil der zuvor in der Luftkonditioniereinheit (10) verdichteten und adsorptiv gereinigten Luft (AIR) gebildet wird.
1 1. Anlage (100), die zum Speichern und Rückgewinnen von Energie durch Bilden eines Luftverflüssigungsprodukts (LAIR) in einem Energiespeicherzeitraum und durch Erzeugen und arbeitsleistendes Entspannen eines unter Verwendung zumindest eines Teils des Luftverflüssigungsprodukts (LAIR) gebildeten
Druckstroms ohne Wärmezufuhr aus einer externen Wärmequelle in einem Energierückgewinnungszeitraum eingerichtet ist, wobei die Anlage (100) Mittel aufweist, die dazu eingerichtet sind zur Bildung des Luftverflüssigungsprodukts (LAIR)
- Luft (AIR) in einer Luftkonditioniereinheit (10) zumindest mittels einer adiabat betriebenen Verdichtereinrichtung (12) zu verdichten und mittels wenigstens einer adsorptiven Reinigungseinrichtung (15) auf einem überatmosphärischen Druckniveau adsorptiv zu reinigen,
- in der Luftkonditioniereinheit (10) stromab der adiabat betriebenen
Verdichtereinrichtung (12) aus der in dieser verdichteten Luft (AIR) einen ersten und einen zweiten Teilstrom zu bilden und den ersten und den zweiten Teilstrom parallel durch eine erste Wärmespeichereinrichtung (131) und eine zweite Wärmespeichereinrichtung (132) zu führen,
- bei der Verdichtung der Luft (AIR) erzeugte Wärme zumindest zum Teil in der ersten Wärmespeichereinrichtung (131 ) und der zweiten
Wärmespeichereinrichtung (132) zu speichern,
- die verdichtete und adsorptiv gereinigte Luft (HPAIR) ausgehend von einem Temperaturniveau in einem Bereich von 0 bis 50 °C zu einem ersten Anteil in einer Festbettkältespeichereinheit (20) und zu einem zweiten Anteil in einer Gegenstromwärmetauscheinheit (30) auf einem Verflüssigungsdruckniveau in einem Bereich von 40 bis 100 bara zu verflüssigen, und
- die verflüssigte Luft (HPLAIR) anschließend in wenigstens einer
Kältegewinnungseinheit (40) zu entspannen, und zur Bildung des Druckstroms
- aus zumindest einem Teil des Verflüssigungsprodukts (LAIR) bei einem
Entflüssigungsdruckniveau, das um nicht mehr als 5 bar von dem
Verflüssigungsdruckniveau abweicht, in der Festbettkältespeichereinheit (20) ein Entflüssigungsprodukt (HPAIR) zu erzeugen, sowie - den Druckstrom bei der arbeitsleistenden Entspannung durch eine erste Entspannungseinrichtung (61) und eine zweite Entspannungseinrichtung (62) zu führen und den Druckstrom dabei jeweils zu entspannen, und
- stromauf der ersten Entspannungseinrichtung (61) in der ersten
Wärmespeichereinrichtung (131) gespeicherte Wärme auf den Druckstrom zu übertragen und stromauf der zweiten Entspannungseinrichtung (62) in der zweiten Wärmespeichereinrichtung (132) gespeicherte Wärme auf den Druckstrom zu übertragen.
12. Anlage (100) nach Anspruch 11 , die Mittel aufweist, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 eingerichtet sind.
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