WO2017081186A1 - Strom-wärme-strom-speichervorrichtung und verfahren zur lastregelung derselben - Google Patents

Strom-wärme-strom-speichervorrichtung und verfahren zur lastregelung derselben Download PDF

Info

Publication number
WO2017081186A1
WO2017081186A1 PCT/EP2016/077319 EP2016077319W WO2017081186A1 WO 2017081186 A1 WO2017081186 A1 WO 2017081186A1 EP 2016077319 W EP2016077319 W EP 2016077319W WO 2017081186 A1 WO2017081186 A1 WO 2017081186A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
working gas
charging circuit
circuit
pressure
turboexpander
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/077319
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Ortmann
Werner Graf
Original Assignee
Peter Ortmann
Werner Graf
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peter Ortmann, Werner Graf filed Critical Peter Ortmann
Priority to EP16805013.6A priority Critical patent/EP3374603B1/de
Publication of WO2017081186A1 publication Critical patent/WO2017081186A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/006—Accumulators and steam compressors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/06—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein the engine being of extraction or non-condensing type

Definitions

  • the invention relates to a current-heat storage device for storing and recovering electrical energy.
  • the invention further relates to a method for
  • SWS storage device It is known to store electrical energy in so-called current-heat-current storage devices, also referred to as SWS storage device. Such devices are also referred to in English as “Pumped Heat Electricity Storage Systems” or abbreviated to “PHES Systems”.
  • PHES Systems Current-heat-current storage devices
  • the electric power is converted into heat using a working gas and heat pump, and the heat is stored in a storage tank.
  • Such storage tanks are also referred to as thermal potential storage or, in English, "pumped thermal electricity storage.” When needed, heat is taken from the storage tank and converted back into electricity by a heat engine, allowing the SWS storage device to store and retard electric power
  • the document WO2013 / 164562 discloses a SWS memory device, this SWS memory device having a limited control capability.
  • the document EP2147193B1 also discloses an apparatus and a method for storing and recovering electrical energy.
  • a disadvantage of this device or this method is the fact that the recorded and delivered electrical power is difficult to control.
  • the document EP2574739A1 also discloses an apparatus and a method for storing and recovering electrical energy. This device or method has the disadvantage that three memories are required
  • Heat storage a cold storage and a low-temperature heat storage, which is very expensive.
  • the recorded and delivered electrical power can not be controlled, in particular, no partial load operation is possible.
  • the object of the invention is to form a current heat storage device for storing and recovering electrical energy, which allows a more advantageous absorption and release of electrical energy, and which in particular a beneficial
  • the object is further achieved by a method comprising the features of claim 10.
  • the dependent claims 11 to 20 relate to further advantageous method steps.
  • the object is in particular achieved with a power-heat-current storage device comprising a charging circuit and a discharge circuit for conveying a working gas, wherein the charging circuit and the discharge circuit comprise a common regenerator, which is switchable with either the charging circuit or the discharge circuit fluid conductively connected, to form a closed circuit and to supply the working gas to the regenerator, wherein the charging circuit, a first turbocompressor and a The first turbo-compressor is driven by the first turboexpander and an electric motor, wherein the Entladeniklauf a second
  • Turbo expander and a second turbocompressor wherein the second turboexpander drives the second turbocompressor and a generator, and comprising a
  • Control device and a density change device which allow the pressure of the working gas in the charging circuit and / or in the discharge circuit controlled to change to regulate the recordable from the first turbocompressor power or the deliverable from the second turboexpander power.
  • the object is further achieved in particular with a method for load regulation of a power-heat-current storage device comprising a charging circuit with a first
  • Turbo compressor wherein the first turbocompressor for heating a working gas mechanical power is supplied, comprising a discharge circuit Ent with a second turboexpander, wherein the second turboexpander for cooling the working gas
  • Entladenikank includes a common regenerator, which optionally with the
  • Charging circuit or the discharge circuit is connected to a closed circuit, so either the working gas heated in the charging circuit is supplied to the regenerator or the regenerator hot working gas removed and supplied to the discharge circuit, wherein the recorded from the first turbocompressor mechanical power and / or emitted by the second turboexpander mechanical performance is regulated by changing the pressure of the working gas.
  • the inventive stream of heat and power storage device comprises two cycles, a charging circuit and a discharge circuit, and includes a common regenerator, wherein the regenerator is reversibly connected to either the charging circuit or the discharge circuit, forming a closed circuit.
  • a single, common regenerator is preferably arranged, that is to say the charging circuit or the discharge circuit has no series-connected regenerators.
  • the single, common regenerator is preferably designed as a porous solid regenerator.
  • the single, common regenerator can advantageously also be formed from a plurality of parallel-connected partial regenerators.
  • the common regenerator comprises a plurality of regenerators connected in series, so that the regenerators are arranged along the charging circuit or the discharge circuit.
  • the device according to the invention also comprises Turbo compressor and turboexpander, that is rotating machines, for compressing and relaxing a working gas in the charging circuit or in the discharge circuit.
  • a turbocompressor of the charging circuit is preferably driven by an electric motor.
  • a turboexpander of the discharge circuit drives an electric generator.
  • electrical power absorbed or emitted according to the invention is regulated by the fact that the density or the total mass of the charge in the charging circuit or in the charging circuit
  • Density control can also be operated with partial load.
  • Embodiment at least one turbo compressor or a turboexpander of the charging circuit and / or the Endladeniklaufs adjustable Vorleitize to by a
  • Position change of the Vorleitrate have an additional control option to regulate the recorded or delivered power of the cycle.
  • the density control comprises a density changing device which controls the pressure of the
  • Working gas in the charging circuit and / or in the discharge circuit can be controlled both raise and lower to change the density of the working gas in the charging circuit and / or in the discharge circuit via the pressure change of the working gas, and thereby absorbed by the device according to the invention or delivered power regulate.
  • the device according to the invention or the method according to the invention have the advantages that a simple, reliable and cost-effective partial load operation is possible, both with regard to recording and output of electrical power, and that the partial load operation has a high efficiency. Another advantage is the fact that a rapid adaptation or modification of the recorded or delivered electrical power is possible. Another advantage is the fact that a rapid change from energy delivery to energy intake and vice versa is possible.
  • the Device according to the invention is therefore particularly well suited for operation in combination with renewable energy sources.
  • the inventive device or the inventive method is also particularly advantageous for stabilizing an electricity grid suitable.
  • Electricity networks with a high proportion of wind and solar energy have a high
  • Residual load that is, a load or power that is applied by quickly controllable power plants. It is known to use pumped storage power plants for a highly fluctuating feed of wind turbines and solar plants because they can store and release energy surpluses. However, pumped storage power plants are usually designed as speed-rigid systems and also have a significantly reduced efficiency in part-load operation. Such pumped storage power plants are therefore poorly suited for operation with variable electrical power.
  • the device according to the invention or the method according to the invention uses turbo-compressors or turboexpanders, that is to say rotating machines, for compressing and relaxing the working gas, and in combination with an electricity network has the advantages that a rapid change of the residual load can be easily followed by a partial load operation high efficiency is possible that in a possible embodiment, a variable speed operation is possible, and that the inventive device is therefore excellent for stabilizing the electricity grid is suitable.
  • the device according to the invention or the method according to the invention is therefore able to provide the two system services required for stable operation of an electricity network, provision of control power and use of control energy, and is superior to conventional pumped storage power plants with regard to these system services.
  • the device according to the invention is capable of constantly balancing the difference between generated and consumed electrical power in an electricity grid, and thus can ensure the stability of an electricity grid.
  • the inventive device is on the one hand in combination with particular renewable energy operable to electrical
  • the device according to the invention is also suitable for network stabilization, in combination with renewable energies or in conventional electricity networks.
  • a particular advantage of the inventive device is the fact that the provision of control power in the
  • Grid stabilization causes the greatest cost, and that the inventive device can generate such a control power.
  • the device according to the invention has the advantages that it is less expensive to build, that it can be built in the lowlands, that less space is required, and that they cause a much lower impairment in terms of landscape image and therefore encounter less resistance in the population ,
  • the device according to the invention has an instantaneous reserve due to the rotating flywheel masses of the engine, generator and turbomachinery and is therefore able to stabilize the frequency of an electricity network at extremely short notice.
  • the erfmdungsgemässe device is also capable of a change in density of the working gas and / or a
  • the current-heat-power storage device according to the invention which could also be referred to as a thermal battery, can be charged and discharged similarly to an electric battery, in addition to a full charge at any time a partial load or a partial discharge is possible.
  • the memory concept underlying the current-heat-power storage device according to the invention makes it possible to store electrical powers in the range from 1 to 50 MW and preferably electrical energy quantities in the range from 1 to 250 MWh and release them again with a delay by appropriate design of the subcomponents. Due to the relatively large storable electrical energy or amount of energy, the storage device according to the invention is particularly well suited for network stabilization of a power supply comprising renewable energy sources.
  • the storage device comprises a regenerator.
  • a regenerator is a heat exchanger in which the heat is temporarily stored in a storage material during the replacement process.
  • the regenerator When the regenerator is charged, the heat energy supplied by the hot working gas is released to the storage material and stored in the storage material.
  • the storage material becomes cool working gas supplied, wherein the cool working gas extracts heat energy from the storage material, so that the storage material is cooled and the working gas is heated, wherein the heat energy extracted from the working gas is supplied to a subsequent process.
  • the regenerator has tubes, through which the working fluid flows, wherein the tubes are thermally coupled to the storage material, so that a heat exchange occurs.
  • Fig. 2 shows a charging circuit in detail
  • Fig. 3 shows a discharge circuit in detail
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a power-heat-current storage device
  • Fig. 8 is a T, s diagram showing the influence of the density change
  • Fig. 10 - 12 each have a diagram relating to recording and delivery of electrical power in
  • Fig. 13 shows a detail of the control method when changing the output power.
  • the performance of a turbomachine depends on the thermodynamic state of the engine, characterized by the enthalpy difference ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) and the mass flow rate m of the engine.
  • ⁇ ⁇ , ⁇
  • m mass flow rate
  • the mass flow can be calculated
  • V volumetric flow [m 3 / s]
  • the power P of the turboexpander is proportional to the density of the delivered working gas. According to equation (4b), the power P of the turboexpander
  • Turboexpanders is proportional to the pressure p of the delivered working gas. Will the density of the For example, if the working gas or the pressure p of the working gas doubles, the resulting power P is doubled. If the density of the working gas or the pressure p of the working gas is halved, for example, the resulting power P is halved.
  • the power consumption of a turbocompressor or the power output of a turboexpander can thus be regulated by a change in the density or the pressure of the working gas.
  • the prerequisite is that when the density or pressure changes, both the inlet pressure and the outlet pressure of the turbomachine are raised
  • the inventive current heat and power storage device has two closed
  • Circuits on the charging circuit and the discharge circuit uses the density change or the pressure change of the working gas to control the recorded or the output power.
  • Turbo compressor or the power output of the turboexpander can also be achieved by a volume flow change.
  • a control based on a change in the volume flow has the disadvantage that the efficiency of the power-heat storage device drops sharply in the partial load or in partial load operation, so that a control of the density of the working gas is much more advantageous.
  • FIG. 8 shows the T, s diagram of the closed discharge circuit 200 shown in FIG.
  • FIG. 3 shows the closed discharge circuit 200 shown in FIG. 1, which is configured as a gas turbine process, in detail.
  • the closed unloading circuit 200 for the working gas A comprises a second turbocompressor 210, a second turboexpander 250, a second recuperator 230 having a first and a second heat exchange channel 230a, 230b, a high temperature regenerator 120 and a first cooler 270, the second turbocompressor 210 via the Wave 214 is coupled to the second turboexpander 250 and a generator 290.
  • a density-changing device 300 is arranged, which allows the density or the system pressure of the working gas A or to change the upper and lower pressure levels of the working gas A.
  • the discharge circuit 200 has a single regenerator, the Hochtemperaturregenerator 120.
  • Figure 8 shows Yi the cycle or the T, s diagram, or
  • Temperature entropy diagram of the closed discharge circuit 200 for a working gas A with a first density, a low density or a low pressure Starting from the operating point YIA, having the lower pressure level, the working gas A is compressed by the second turbo compressor 210 to the operating point Y ] B , having the upper pressure level, in the present example from 2 bar to 8 bar.
  • a pressure equalization takes place between the lower pressure level and the upper pressure level, so that a standstill pressure, also referred to as "settie out pressure", is established, which lies between the lower and the upper pressure level
  • the working gas A is heated to the operating point Yic after the operating point YJB, in particular by the high-temperature regenerator 120, then expanded in the second turboexpander 250 to the operating point YID, and then to the operating point YIA
  • the density or the system pressure of the working gas A is now raised to a second density, a higher density, or a second system pressure, with the result that the cyclic process is shifted to the left
  • Figure 8 shows Y2 displaced to the left Circular process, or the T, s diagram of the closed
  • Working point Y2A the working gas A from the second turbocompressor 210 is compressed to the operating point Y2B, in the present example from 5 bar to 20 bar.
  • the working gas A is then heated to the operating point Y 2 c, then relaxed in the second turboexpander 250 to the operating point Y2D, and then cooled to the operating point Y 2A .
  • the solid lines in FIG. 8 represent isobars. The cooling process of the working gas A thus takes place in both circular processes Yi, Y 2 almost along one isobar.
  • Entladenikanksburg 200 output power, or in an analogous manner from the
  • Charging circuit 100 recorded power can be controlled by a density control, and that the efficiency of the discharge circuit or the charging circuit at full load operation as well as during partial load operation remains constant or nearly constant.
  • the influence of the Reynolds number has a limited effect on the efficiency of turbomachinery.
  • the Reynolds number has an influence on the heat transfer of the caloric apparatus in the cycle.
  • Fig. 1 shows a current-heat-electricity storage device 1 for storage
  • the energy storage device 1 comprises a charging circuit 100 with lines 101, a discharge circuit 200 with lines 201, a Hochtemperaturregenerator 120, hereinafter also referred to as a regenerator, two density change devices 300 and switching means 400, 401, wherein the switching means 400, 401 in such a way with the lines 101, 201 connected to the high-temperature regenerator 120 fluid conductively and switchable either with the charging circuit 100 or with the discharge circuit 200 can be connected to a closed circuit, so that the charging circuit 100 and the discharge circuit 200, the high-temperature regenerator 120 successively flow in countercurrent.
  • Control device 500 is signal-conducting connected to the switching means 400, 401 and other sensors and actuators, not shown in detail, to the energy storage device 1 to control and measure variables such as pressure, speed, temperature, power consumed, output power, etc. to measure.
  • Figures 2 and 3 show the charging circuit 100 and discharge circuit 200 shown in Figure 1 comprising the density-changing device 300 in detail.
  • the high-temperature regenerator is flowed through by a circulating in a closed circuit working gas, the charging circuit to the high-temperature regenerator supplies heat, and wherein the Entladeniklauf the high-temperature regenerator withdraws heat.
  • the temperature of the working gas flowing into the high-temperature regenerator is preferably in the range between 600 to 1000 ° C., and the temperature of the working gas flowing out of the high-temperature regenerator is generally lower, and preferably in the range between 400 ° C. and 700 ° C.
  • the working gas should preferably flow through the high-temperature regenerator as unhindered as possible, thereby releasing or absorbing the heat.
  • the high temperature regenerator should preferably meet the following, sometimes contradictory requirements:
  • the heat capacity should be as large as possible, ie a regenerator made of a densely packed material with high heat capacity.
  • the Hochtemperaturregenerator 120 includes a solid storage material and a working gas A as a heat transfer medium to exchange heat between the storage material and the working gas A flowing through.
  • a solid storage material for the Hochtemperaturregenerator 120 for example, porous refractory materials, sand, gravel, rock, concrete, graphite or a ceramic such as silicon carbide are suitable.
  • the high-temperature regenerator 120 comprises an outer shell 120a and an inner space, wherein the solid storage material is arranged and / or configured in the interior such that the storage material for heat exchange can be flowed through or flowed around by the working gas A.
  • the storage material is preferably flowed around both directly in the charging circuit and in the discharge circuit from the working gas and thus comes into direct contact with the working gas.
  • about 40% to 70% of the interior is filled with storage material, or 30% to 60% of the
  • the high-temperature regenerator 120 additionally comprises at least one inlet opening 120b and at least one Outlet opening 120c to the working in the lines 101 and 201 flowing working gas A to the interior of the Hochtemperaturregenerators or dissipate, so that in the charging circuit 100 or in the discharge circuit 200 circulating working gas A comes into contact, preferably in direct contact with the solid storage material.
  • FIGS. 1 to 3 show a high-temperature regenerator 120 running in the vertical direction, wherein the working gas A flows from top to bottom during charging and flows from below upwards during unloading.
  • FIG. 2 shows the closed charging circuit 100 shown in FIG. 1 in detail.
  • the closed charging circuit 100 for the working gas A comprises a first turbo compressor 10, a first turboexpander 140, a first recuperator 130 with a first and a second heat exchange channel 130a, 130b, the high temperature regenerator 120 and a preheater 151, wherein the first turbocompressor 110 via a common Wave 114 is coupled to the first turboexpander 140 and an electric motor 170.
  • the first turbocompressor 110 and the first turboexpander 140 form the basic elements of a heat pump 2.
  • the switching means 400 designed as valves are switched to flow and the switching means 401 (not shown in FIG. 2) are blocked so that a closed charging circuit 100 is formed, in which the working gas A in the flow direction AI or in
  • Charge flow direction AI flows.
  • the working gas A argon or nitrogen is preferably used. Starting from the Hochtemperaturregenerator 120, the working gas A
  • the charging circuit 100 comprises a high pressure section 100a and a low pressure section 100b, wherein the high pressure section 100a runs in the flow direction AI between the first turbocompressor 110 and the first turboexpander 140, and wherein the low pressure section 100b in the flow direction AI between the first
  • Density changing device 300 includes a pressure vessel 301 connected to low pressure section 100b via line 305 and valve 302 and connected to high pressure section 100a via line 306, compressor 304, and valve 303.
  • working gas A can be removed controllably from the charging circuit 100 or working gas A can be supplied, so that the density of the working gas A and thus the power consumption of the first turbocompressor 110 can be influenced, so that the charging circuit 100 can be operated by a density change controllable with full load or an adjustable part load.
  • the working gas A is advantageously kept under elevated pressure in order to increase the power density of the compressor 110 and the turbine 140 and to improve the heat transfer in the caloric apparatus such as the recuperator 130 or the preheater 151.
  • the pressure of the working gas A is preferably maintained or regulated in a range of 1 to 20 bar.
  • the density changing device 300 could also be configured such that the working gas A of the charge cycle 100 is released to the environment for density reduction, and the working gas A is reintroduced into the charge cycle 100 to increase the density, for example, from a pressurized reservoir , Such an approach would be possible, for example, with a non-critical working gas A such as nitrogen.
  • a non-critical working gas A such as nitrogen.
  • the current heat-power storage device according to the invention is preferably operated for several thousand hours per year, it is more advantageous if the working gas A is temporarily stored in a storage tank 301, especially if as working gas A a relatively expensive gas such as Argon is used.
  • the storage tank 301 In order not to let the storage tank 301 become disproportionately large, it is advantageous to pump the working gas A by means of a compressor 304 into the storage tank 301.
  • the compressor 304 is advantageously connected to the high pressure section 100a.
  • the working gas A is advantageously fed back to the charging circuit 100 via the low pressure section 11 Ob.
  • the first turbocompressor 110, the first turboexpander 140, the first recuperator 130 and the preheater 151 form a heat pump 2.
  • the working gas A preheated by the preheater 151 and the recuperator 130 is supplied as input gas to the first turbocompressor 110, compressed therein, and thereby experiences a Temperature and pressure increase.
  • the compressed working gas A is fed to the high-temperature regenerator 120, cooled therein, subsequently cooled further in the recuperator 130, and subsequently expanded in the first turbo-expander 140, in order subsequently to be preheated in the preheater 11 and in the recuperator 130.
  • the first turbo-expander 140 and the turbocompressor 110 are disposed on the same shaft 114 so that the first turbo-expander 140 assists in driving the first turbocompressor 110.
  • the shaft 114 is driven by the electric motor 170, wherein instead of the electric motor 170 also another drive device is suitable, for example a turbine, or in general an engine.
  • a discharge circuit 200 is required.
  • FIG. 3 shows the closed discharge circuit 200 shown in FIG. 1, which is configured as a gas turbine process, in detail.
  • the working gas A the same gas as in the charging circuit 100 is used, preferably argon or nitrogen.
  • the closed discharge circuit 200 for the working gas A comprises a second
  • Turbo compressor 210 a second turboexpander 250, a second recuperator 230 with a first and a second heat exchange channel 230a, 230b, the Hochtemperaturregenerator 120 and a first radiator 270, wherein the second turbocompressor 210 via the shaft 214 with the second turboexpander 250 and a generator 290th is coupled.
  • the switching means 401 designed as valves are switched to flow and the switching means 400 (not illustrated in FIG. 3) are blocked so that a closed discharge circuit 200 is formed, in which the working gas A flows in the flow direction A2 or in FIG.
  • Discharge flow direction A2 flows.
  • the discharge circuit 200 is configured in such a way that, starting from the high-temperature regenerator 120, at least the second turboexpander 250, the first heat exchange channel 230a of the second recuperator 230, the first cooler 270, the second turbocompressor 210, the second heat exchange channel 230b of the
  • the discharge circuit 200 includes a high pressure section 200a and a
  • Low-pressure section 200b wherein the high-pressure section 200a in the flow direction A2 between the second turbo-compression 210 and the second turboexpander 250 runs, and wherein the low-pressure section 200b in the flow direction A2 between the second
  • Turboexpander 250 and the second turbocompressor 210 runs.
  • Density changing device 300 includes a pressure vessel 301 connected to low pressure section 200b via line 305 and valve 302, and connected to high pressure section 200a via line 306, compressor 304, and valve 303. With the aid of the density-changing device 300, working gas A can be taken from the discharge circuit 200 or working gas A can be supplied, so that the density of the working gas A and thus the power output of the second turboexpander 250 can be influenced so that the unloading circuit 200 can be controllably operated at full load or at partial load.
  • the first cooler 270 is preferably cooled to ambient temperature U. As can be seen in FIGS. 2 and 3, in the high-temperature regenerator 120, flows
  • Discharge flow direction A2 in the opposite direction to the charging flow direction AI.
  • the effluent from the Hochtemperaturregenerator 120 working gas A is expanded via the second turboexpander 250 and thereby cooled, and is then further cooled in the second recuperator 230 and in the first cooler 270, before the working gas A in the second
  • Turbo compressor 210 is compressed and then preheated in the second recuperator 230 to then flow back into the Hochtemperaturregenerator 120.
  • the second turbocompressor 210 and the second turboexpander 250 are disposed on the same shaft 214 so that the second turboexpander 250 drives the second turbocompressor 210.
  • the shaft 214 is taken by the generator 290 energy.
  • a work machine could also be connected to the shaft 214.
  • first turbocompressor 110 and the second turbocompressor 210 and preferably also the first turboexpander 140 and the second turboexpander 250 may each comprise an adjustable leading wheel 110a, 210a, 140a, 250a. An adjustment of these Vorleitizer allows the power consumption or the
  • FIG. 4 shows a particularly advantageous embodiment of an energy storage device 1.
  • the energy storage device 1 shown in FIG. 4 has a single, common recuperator 130.
  • the working gas A is so switchably routed by means of switching means 400, 401 as valves, that a charging circuit 100 and a discharge circuit 200 is formed, similar to the charging circuit 100 and discharge circuit 200 shown in Figure 2 or 3, with the exception that only a single , common recuperator 130 is present.
  • the energy storage device 1 in addition to the charging circuit 100 and the discharge circuit 200 also includes a preheating system 1 0 for a circulating preheating fluid V.
  • the preheating system 1 0 includes in particular a first fluid reservoir 152, in which a heated preheating fluid VI is stored , a second fluid reservoir 222, in which a cooled preheating fluid V2 is stored, as well as fluid lines 155, 224 and optionally conveying means 153, 223 around the
  • Vor ⁇ rmfluid V in the preheating system 150 to circulate and in particular the preheater 151st and the radiator 221 supply.
  • the heated Voricarmfluid V starting from the first fluid reservoir 152 is supplied to the preheater 151, and the then cooled Vor Reginarmfluid V supplied to the second fluid reservoir 222.
  • the cooled preheating fluid V of the second fluid reservoir 222 is supplied to a radiator 221, and the preheating fluid V heated thereafter is supplied to the first fluid reservoir 152.
  • Preheating V preferably water is used.
  • the second fluid reservoir 222 could be configured as a container such that the preheating system 150 forms a closed circuit.
  • the second fluid reservoir 222 could also be designed to be open, wherein, instead of a container, a body of water, for example a lake, would be suitable for receiving the cooled preheating fluid V or for providing cooling fluid V.
  • the energy storage device 1 is used for the storage of electrical energy and for the staggered delivery of electrical energy.
  • 4 shows such a storage device for electrical energy comprising the energy storage device 1 and comprising an electric motor 170 and a generator 290.
  • the electric motor 170 and the generator 290 are combined to form a single machine to form a
  • the energy storage device 1 shown in Figure 4 is therefore particularly low to produce, because only a single motor generator 170/290, a single Hochtemperaturregenerator 120 and a single recuperator 130 are required.
  • the first turbocompressor 110, the first turboexpander 140, the first recuperator 130 and the preheater 1 1 form a heat pump in the charging circuit 100.
  • the preheated working gas A is supplied to the first turbocompressor 110, compressed therein and heated, and flows through as a working gas A the charging circuit 100.
  • the working gas A is then through the
  • High temperature regenerator 120 passed, thereby cooled and then cooled again in the recuperator 130.
  • the working gas A is then expanded in the first turboexpander 140 to the lowest pressure in the charging circuit 100, for example to a pressure of about 1 to 5 bar, wherein the energy released thereby in the first turboexpander 140 is used to partially drive the first turbocompressor 110.
  • the working gas A then flows through the preheater 151 and is preheated.
  • the preheater 151 is connected to the preheating system 150 and draws the heat energy from the first fluid storage 152 for the warm preheating fluid, in the illustrated embodiment as warm water.
  • the discharge cycle 200 includes a second turbocompressor 210 configured as an intercooled gas turbine compressor with a radiator 221, and includes the recuperator 130, the high temperature regenerator 120, the second turboexpander 250, and the first radiator 270, which cools to the environment U.
  • the radiator 221 is connected via lines 224 with the
  • Preheating system 150 connected, wherein cool fluid is removed from the memory 222, is supplied via the conveyor 223 to the radiator 221, and wherein the heated fluid is supplied to the memory 1 2.
  • Figure 5 shows another embodiment of a charging circuit 100 with a
  • Density changing device 300 In contrast to the charging circuit 100 shown in Figure 2, the charging circuit 100 shown in Figure 5 comprises a single
  • Hochtemperaturregenerator 120 consisting of four parallel Operageneratoren 120a, 120b, 120c, 120d.
  • the single regenerator 120 may be designed as a single container or, as shown in the exemplary embodiments according to FIGS. 5 and 6, may comprise a plurality of partial regenerators connected in parallel.
  • the charging circuit 100 comprises a high-pressure section 100a and a low-pressure section 110b, wherein the partial regenerators 120a, 120b, 120c, 120d are arranged in the high-pressure section 100a, and wherein valves 307 to 310 and 321 to 324 are arranged to supply the partial regenerators 120a, 120b, 120c, 120d individually or more in parallel fluid conductively connected to the high-pressure section 100a.
  • the valves 307 to 310 and 321 to 324 preferably only have to be switched on and off and are designed, for example, as flap valves.
  • Partial regenerators 120a, 120b, 120c, 120d can be of any size, with a number between 2 and 10 proving to be particularly advantageous. Usually only one of the partial regenerators 120a, 120b, 120c, 120d, in FIG. 5, for example, the partial regenerator 120a, is actively integrated in the high-pressure section 120a and flows through the circulating working gas A, while the other, temporarily inactive partial regenerators 120b, 120c, 120d due to the closed valves have no fluid-conducting connection to the high-pressure section 120a and are thus decoupled from the loading and unloading process.
  • the individual partial regenerators 120b, 120c, 120d are either heated or fully charged and ready for emptying or for the discharge process, or they are cold and are ready for heating or charging with the upper end is generally hot and the lower end generally a lower temperature having.
  • the individual partial heat storages 120a, 120b, 120c, 120d can also be partially charged
  • the internal volume of a partial regenerator is filled with a heat-storing material and a gas volume, wherein the gas volume or the porosity of the storage material is preferably between 30-60% of the internal volume of the partial regenerator.
  • the charging circuit 100 comprises a density-changing device 300 for power control.
  • the high temperature regenerator 120 comprising a plurality of parallel connected
  • Partial regenerators 120a, 120b, 120c, 120d can be fluidly connected to the charging circuit 100 or the discharge circuit 200 by a corresponding switching of the valves 400, 401 to form a closed circuit.
  • At least one, and preferably more, of the inactive partial regenerators 120b, 120c, 120d or their gas volume is used for intermediate storage of working gas A, thereby increasing the density or the pressure in the charging circuit 100
  • FIG. 6 shows such an exemplary embodiment with reference to an arrangement of the high-temperature regenerator 120 in the charging circuit 100, wherein the
  • High-temperature regenerator 120 in comparison to the embodiment shown in Figure 5, only two parallel partial regenerators 120a, 120b includes, the arrangement includes in addition to the already disclosed in Figure 5 switching valves 307, 308, 309, 310 additional components, namely valves 312, 313rd , 314 and lines 317, 318 and 319. These additional components, in combination with the partial regenerators 120a, 120b, allow one
  • Density change device 300 form, and therefore replace the density change device 300 shown in Figure 5.
  • the charging circuit 100 includes a high pressure section 100a, in which the working gas A is a higher pressure of, for example 8 bar.
  • the charging circuit 100 also includes a low-pressure section 100b, in which the working gas A has a low pressure of, for example, 2 bar.
  • the first partial regenerator 120a is activated, forms part of the charging circuit 100, and is flowed through by the working gas A.
  • the second partial regenerator 120b is used as a pressure accumulator 301, wherein the second partial regenerator 120b is not actively connected in the charging circuit 100, but serves as a buffer for the working gas A.
  • the mass of the working gas A in the charging circuit 100 is changed by shifting working gas A between the second dividing regenerator 120b and the charging circuit 100.
  • the valves 309 and 310 are opened, and the valves 307 and 308 and the valves 312, 313 and 314 are closed, so that the first Operaregenerator 120a forms part of the charging circuit 100 and the working gas A flows through, whereas the second Partregenerator 120b is separated from the charging circuit 100.
  • the pressure in the partial regenerator 120b is low, ie at 2 bar.
  • the working gas A in the high-pressure section 100a has a high pressure of 8 bar.
  • valve 312 In this state, an opening of the valve 312 results in working gas A flowing via the line 319 into the second partial regenerator 120b, so that 100 mass is taken from the charging circuit and the density and the pressure of the working gas in the charging circuit 100 thus decreases. Once the charging circuit 100 enough working gas A or a sufficiently large mass is removed, the valve 312 is closed again.
  • the pressure in the second partial regenerator 120b rises to a maximum of the pressure of the first
  • Partial regenerator 120a so that in a second operating state, the second Partregenerator 120b has an increased pressure.
  • the maximum achievable pressure is dependent on the ratio of the volume of the active charging circuit 100 and the partial regenerator 120b.
  • opening the valve 313 results in working gas A flowing from the second partial regenerator 120b into the low pressure section 100b via the line 317, so that mass is supplied to the charging circuit 100 and the density and pressure of the working gas A in the charging circuit 100 are thus increased increases.
  • the valve 313 is closed again.
  • partial regenerators 120b, 120c, 120d as shown for example in Figure 5.
  • the first partial regenerator 120a is part of
  • FIG. 7 shows a discharge circuit 200 with a first and a second partial regenerator 120a, 120b.
  • the discharge circuit 200 comprises a high-pressure section 200a, in which the working gas A has a higher pressure of, for example, 8 bar.
  • the discharge circuit 200 also includes a low pressure section 200b, in which the working gas A has a low pressure of, for example, 2 bar.
  • the first Operaregenerator 120 a is switched active, forms part of the Entladeniklaufes 200, and is traversed by the working gas A.
  • the second partial regenerator 120b is used as an accumulator 301a, wherein the second partial regenerator 120b is not actively connected in the charging circuit 100, but serves as a buffer for the working gas A.
  • the mass of the working gas A in the discharge circuit 200 is changed by exchanging working gas A between the second dividing regenerator 120 b and the unloading circuit 200.
  • the valves 309 and 310 are opened, and the valves 307 and 308 and the valves 312, 313 and 314 are closed, so that the first Operaregenerator 120a forms part of the Entladeniklaufs 200 and the working gas A flows through, whereas the second Partregenerator 120b is separated from the discharge circuit 200.
  • the pressure in the partial regenerator 120b is low, ie at 2 bar.
  • the working gas A in the high-pressure section 200a has a high pressure of 8 bar.
  • valve 312 In this state, an opening of the valve 312 has the consequence that working gas A flows via the line 319 in the second Partregenerator 120 b, so that the Entladeniklauf 200 mass is removed and thus the density and the pressure of the working gas in the discharge circuit 200 thus decreases. Once the discharge circuit 200 enough working gas A or a sufficiently large mass is removed, the valve 312 is closed again. The pressure in the second partial regenerator 120b rises to a maximum of the pressure of the first
  • Partial regenerator 120a so that in a second operating state, the second Operagenerator 120b has an increased pressure.
  • the maximum achievable pressure is dependent on the ratio of the volume of the active charging circuit 100 and the partial regenerator 120b.
  • opening the valve 313 causes working gas A to flow from the second part regenerator 120b into the low pressure section 200b via the line 317, so that the discharge circuit 200 is supplied with ground and thus the density and pressure of the working gas A in the discharge circuit 200 increases.
  • the valve 313 is closed again.
  • the second partial regenerator 120b as an accumulator 301a in order to change the mass of working gas A in the unloading circuit 200.
  • the first Operagenerator 120a forms part of the Entladeniklaufs 200 and is traversed by the working gas A, while the second, third and fourth Operagenerator 120b, 120c, 120d via valves from the Entladeniklauf 200 separately, but in this switchable.
  • the second, third and fourth Operagenerator 120b, 120c, 120d via valves from the Entladeniklauf 200 separately, but in this switchable.
  • Partial regenerators 120b, 120c, 120d can be connected via valves to the high-pressure section 200a or the low-pressure section 200b, so that a corresponding exchange of the working gas A between the respective partial regenerators 120b, 120c, 120d and the
  • Discharge cycle 200 takes place.
  • the charge cycle 100 and / or the discharge loop 200 may also include two or more pressure change devices 300.
  • FIG. 7 shows an embodiment of the invention Entladeniklaufs 200 comprising two pressure change devices 300. The first
  • Pressure change device 300 comprises, as previously described with Figure 7, the
  • the second pressure changing device 300 comprises a pressure vessel 301, lines 305, 306, valves 302, 303, and a compressor 304.
  • the charging circuit 100 and / or the discharge circuit 200 may include the first and / or the second pressure changing devices 300.
  • Figure 9 shows the performance of the inventive storage device 1 at full and part load.
  • the axis of abscissa shows for the charging process, the power Pz supplied to the storage device 1 via the electric motor 170 in percent, or shows for the
  • the maximum power Pzmax corresponds to the maximum possible power of the electric motor or of the generator.
  • the axis of ordinates shows the coefficient of performance of the charging process
  • the curve C includes a first curve section Cl and a second curve section C2 and shows the operating behavior of an inventive
  • Memory device 1 comprising two parallel partial regenerators 120a, 120b, as shown in Figures 6, 7 and 8.
  • the first curve section C 1 shows the course of the coefficient of performance during the charging process and the discharge efficiency with the in
  • Curve section C 1 runs between 70% and 100% of the supplied or discharged power Pz horizontally, which means that in the range between 70% and 100%, no change in the coefficient of performance or the discharge efficiency occurs.
  • the storage device 1 according to the invention thus has the advantage that it can also be operated during partial load operation during the charging and discharging process with a constant coefficient of performance during charging or constant efficiency during discharging.
  • the second curve section C2 shows that the memory device 1 according to the invention comprising two partial regenerators 120a, 120b can also be operated at a supplied or discharged power Pz of below 70% of the maximum power. This second curve section C2, which extends over a
  • Partial load range between about 45% and 70% is achieved by adjusting the
  • Vorleitizer 110a, 140a achieved or by adjusting the Vorleitizer 210a and 250a.
  • the second curve section C2 thus has on the one hand the disadvantage that the coefficient of performance during charging or the efficiency during discharge decrease.
  • Curve section C2 has the advantage that the power consumption or output of the According to the invention, the memory device 1 can be operated in a partial power range between 45% and 100% of the maximum supplied or discharged power Pztnax.
  • the curve B shows the course of the coefficient of performance of the heat pump process or the efficiency of the gas turbine process for the charging and discharging process for a
  • the storage device 1 without density change device 300, so that the curve B is achieved only by adjusting the Vorleitrate 110a, 140a or by adjusting the Vorleitrate 210a and 250a. It can be seen from a comparison of the course of the curves B and C that the storage device 1 according to the invention has the advantage that it has a constant or substantially constant course of the coefficient of performance or efficiency in the partial load range between 70% and 100%.
  • the curve D shows the curve of the coefficient of performance of the heat pump process or the efficiency of the gas turbine process for the charging or discharging for a
  • Memory device 1 with three Operageneratoren 120a, 120b, 120c, wherein, for example, in the first Partregenerator 120a, the heat is stored, and wherein the second and the third Partregenerator 120b, 120c are used as a fluid storage.
  • the heat could also be stored in the second or third partial regenerator 120b, 120c so that the remaining two partial regenerators form the fluid reservoir.
  • the first curve section D 1 shows the course of the coefficient of performance during the charging process and the discharge efficiency with the in
  • Curve section Dl extends between 50% and 100% of the supplied or discharged power Pz horizontally, which means that in the range between 50% and 100% no change in the coefficient of performance or the efficiency during discharge occurs.
  • the second curve section D2 which extends over a partial load range between about 25% and 50%, is achieved by adjusting the Vorleitizer 110a, 140a and the Vorleitizer 210a and 250a.
  • the curve E shows the course of the coefficient of performance of the heat pump process and the efficiency of the gas turbine process for the loading and unloading for a
  • Memory device 1 with four Operageneratoren 120a, 120b, 120c, 120d wherein, for example, in the first Partregenerator 120a, the heat is stored, and the second, third and fourth Partregenerator 120b, 120c, 120d used as a pressure accumulator.
  • Curve section E 1 shows the course of the coefficient of performance during the charging process or the
  • the first curve section El runs between 35% and 100% of the maximum applied power or dissipated power P z horizontal, which means that in the range between 35% and 100% no change in the coefficient of performance or the efficiency occurs during unloading.
  • This second curve section E2 which extends over a partial load range between approximately 10% and 35%, is achieved by adjusting the guide vanes 110a, 140a or the guide vanes 210a and 250a.
  • FIGS. 10, 11 and 12 show, by way of example, possible operating methods of FIG
  • FIG. 10 shows, by way of example, a possible course of operation of the memory device 1, for example in an island mode in which an electrical network is operated only with wind and / or solar energy.
  • the course of the curve F shows in function of the time of the
  • Memory recorded electrical power said electrical power is preferably the excess power present in the electrical network.
  • the storage device 1 is operated in heat pump mode and the energy stored via the charging circuit 100, so that energy is stored according to the course of the curve H.
  • the heat pump in accordance with the excess electrical power in the network,
  • the regenerator 120 is increasingly supplied heat energy.
  • the curve H shows the heat energy stored in the regenerator 120, the curve H starts with a storage charge of 0%, and the regenerator 120 is completely filled up to a storage charge of 100%.
  • the electrical network constantly requires additional energy, so that the regenerator 120 must be discharged via the discharge circuit 200.
  • the curve J shows a possible discharge operation of the storage device 1 as a function of time. The curve J thus shows the operation of the final circuit 200.
  • the second turboexpander 250 or the generator G is first operated at 100% of the rated power Pz max , then with a partial load of 20%, then again with partial load of 80% and then continue with
  • the regenerator 120 is increasingly withdrawn heat energy.
  • the curve I shows the heat energy stored in the regenerator 120, wherein the curve I starts with a storage charge of 100%, and wherein the regenerator 120 is completely deflated over time, up to a storage charge of 0%.
  • FIG. 11 shows the operating behavior of the storage device 1 when used for network stabilization of an interconnected electrical grid, it does not matter whether the electrical grid comprises renewable energy sources or not.
  • the storage device 1 is constantly driven in a partial load range
  • the curve L shows an example of a course during a phase during which too much electrical power is present in the interconnected network.
  • the course of the curve L shows, as a function of time, the excess electrical power taken from the electrical network.
  • the storage device 1 is operated in heat pump mode and the energy is taken from the motor M via the charging circuit 100 and stored in the regenerator 120, so that energy is stored according to the course of the curve L.
  • the storage device 1 is initially operated continuously with a low load load of 20%.
  • the storage device 1 is thus quasi in a Lauer ein to remove the power grid in a short time electric power. It is the
  • Charging circuit 100 or the heat pump 2 according to the excess electrical power in the network as shown in curve K, for example by first with 20%> the rated power Pz max is driven, then with full load of 100%, then with a partial load of 40%, and then again with different partial loads. In this case, the regenerator 120 is increasingly supplied heat energy.
  • the curve L shows the in
  • Regenerator 120 stored thermal energy, wherein the curve L starts with a storage charge of 0%, and wherein the regenerator 120 is completely filled, up to a storage charge of 100%.
  • the curve O shows an example of a course during a phase during which tends to be present in the electrical grid tends to low electrical power.
  • the course of the curve O shows the electric power supplied to the electrical network as a function of time.
  • the storage device 1 is operated with the discharge circuit 200 and the energy taken from the regenerator 120 and fed via the generator G in the electrical grid, so that electric power is fed according to the course of the curve O.
  • the storage device 1 is initially operated continuously with a low partial load of 20%.
  • the storage device 1 is thus quasi in a Lauergna to supply the composite network in a short time electrical power.
  • the discharge circuit 200 is operated according to the electrical power required in the network, as shown in curve O, for example, first with 20% of the nominal power Pz max , then with full load of 100%, then with a partial load of 20%, and then again with different partial loads.
  • the regenerator 120 is increasingly dissipated heat energy.
  • the curve N shows the heat energy stored in the regenerator 120, wherein the curve L starts with a storage charge of 100%, and the regenerator 120 is completely emptied, up to one
  • FIG. 12 shows, by way of example, an operation of the storage device 1 according to the invention, during which recording or delivery of electrical power takes place, depending on the network requirement. This mode is particularly suitable for network stabilization.
  • FIG. 12 shows, with the curve P, a heat pump operation of the storage device 1 as a function of time.
  • the regenerator 120 as can be seen from the curve Q,
  • the curve R shows a turbine operation of the storage device 1 as a function of time.
  • the curve R thus shows the operation of the Endladeniklaufes 200.
  • the transition of the operation between the curve P and R is such that starting from the charging circuit 100, the regenerator 120 in the discharge circuit 200 Ent is switched so that the regenerator 120 are withdrawn via the gas turbine operation heat can.
  • the decrease in the heat energy stored in the regenerator 120 can be seen from the course of the curve Q.
  • FIG. 12 shows, with the curve T, a heat pump operation of the storage device 1 in FIG
  • the curve W shows a gas turbine operation of the storage device 1 as a function of time.
  • the curve W thus again shows the operation of the Entladenikonnes 200. This is the
  • Regenerator 120 as seen from the curve Q, extracted heat energy and fed electrical power to the electrical network.
  • the storage device 1 according to the invention is operated continuously in an advantageous method using the method illustrated in FIG. FIG. 13 shows an example of a method such as that of the invention
  • the curve P shows the absorbed power in%, which is reduced from 100% of the current power to 70%.
  • the curve X shows the change in the density in the charge circuit 10 in% 0.
  • the curve X shows that the density in the charge circuit 100 is reduced, which, however, requires a certain amount of time.
  • the curve Z shows the relative position of the guide wheels 110a, 140a.
  • the Vorleitradver ein initially has the relative value 80. In order to reduce the power consumption of the charging circuit 100 or the storage device 1 quickly, the Vorverradver ein is changed to the relative value 30, with the result that the angle of the guide wheels is changed, the position of the Vorleitrate later restored to the original relative value 80th is returned again.
  • Vorleitradver ein has, as can be seen from the curve P with the result that the power absorbed by the motor M P drops rapidly.
  • the combination of Vorleitradver ein shown in Figure 12 of the guide wheels 110a, 140a and density change of the working gas A has the consequence that the power P can be changed in a short time.
  • FIG. 12 shows a
  • an increase in the power P received by the memory device 1 can also be effected by briefly increasing the absorbed power by changing the leading wheel position, then changing the density in the working gas A, and the
  • Impeller position returns to its original position as soon as the changed density has caused the recorded power corresponds to the specified power.
  • the method described can be used analogously in the discharge circuit 200, by the
  • Discharge circuit 200 output electric power can be changed faster that, as shown in Figure 13, the Vorleitrad ein the stator 210a, 250a is changed in the discharge circuit 200, wherein the density of the working gas A is changed, and wherein the Vorleitrad ein after a certain time , as shown in Figure 13, back to the starting position.
  • Another method of rapidly changing the power consumed by the invented memory device 1 is to change the original speed of the compressor and expander. Such a speed change may be in place of
  • Position change of the Vorleitrate or in combination with the change in position of the Vorleitrate be used.
  • the speed is preferably only temporarily changed, as shown in the curve Z, until the density control can ensure the desired target value alone, so that the speed is again operated at the original speed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Die Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtung (1) umfasst einen Ladekreislauf (100) sowie einen Endladekreislauf (200) zum Fördern eines Arbeitsgases (A), wobei der Ladekreislauf (100) sowie der Endladekreislauf (200) einen gemeinsamen Regenerator (120) umfassen, welcher umschaltbar entweder mit dem Ladekreislauf (100) oder dem Endladekreislauf (200) Fluid leitend verbunden ist, um einen geschlossenen Kreislauf auszubilden und um das Arbeitsgas (A) dem Regenerator (120) zuzuführen, wobei der Ladekreislauf (100) einen ersten Turboverdichter (110) sowie einen ersten Turboexpander (140) umfasst, wobei der erste Turboverdichter (110) vom ersten Turboexpander (140) sowie einem Elektromotor (170) angetrieben ist, wobei der Entladekreislauf (200) einen zweiten Turboexpander (250) und einen zweiten Turboverdichter (210) umfasst, wobei der zweite Turboexpander (250) den zweiten Turboverdichter (210) sowie einen Generator (290) antreibt, sowie umfassend eine Regelvorrichtung (500) sowie eine Dichteänderungsvorrichtung (300), welche den Druck des Arbeitsgases (A) im Ladekreislauf (100) und/oder im Entladekreislauf (200) ansteuerbar zu ändern erlauben, um die vom ersten Turboverdichter (110) aufnehmbare Leistung beziehungsweise die vom zweiten Turboexpander (250) abgebbare Leistung zu regeln.

Description

STROM-WÄRME-STROM-SPEICHERVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR LASTREGELUNG DERSELBEN
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Strom-Wärme- Strom- Speichervorrichtung zur Speicherung und Wiedergewinnung elektrischer Energie. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur
Lastregelung einer Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtung.
Stand der Technik Erneuerbare Energien wie Windenergie oder Solarenergie weisen die Nachteile auf, dass die verfügbare Leistung in Funktion der Zeit erheblichen Schwankungen unterliegt, und dass der Zeitpunkt der Energieerzeugung sowie die insgesamt erzeuge Energiemenge nicht oder nur ungenau vorherbestimmbar ist, weshalb eine Energieversorgung, welche ausschliesslich auf erneuerbaren Energien basiert, ein instabiles Verhalten aufweist, sodass Versorgungslücken und Überschüsse auftreten. Um eine stabile Versorgung mit elektrischer Energie zu gewährleisten ist es daher erforderlich die gewonnene elektrische Energie zu speichern und zeitversetzt, üblicherweise innerhalb von Stunden bis Tagen, wieder abzugeben. Zudem ist es zum stabilen Betrieb eines elektrischen Netzes erforderlich kurzfristige Energieschwankungen, wie diese zum Beispiel bei Solarzellen auftreten, wenn die Sonne während einer kurzen Zeitspanne von einer Wolke bedeckt wird, oder wenn ein grosser elektrischer Verbraucher ans Netz geschaltet wird, auszugleichen.
Es ist bekannt, elektrische Energie in sogenannten Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtungen, auch als SWS-Speichervorrichtung bezeichnet, zu speichern. Solche Vorrichtungen werden in Englisch auch als„Pumped Heat Electricity Storage Systems" oder abgekürzt als„PHES- Systems" bezeichnet. Bei einer SWS-Speichervorrichtung wird der elektrische Strom unter Verwendung eines Arbeitsgases und mit Hilfe einer Wärmepumpe in Wärme umgewandelt und die Wärme in einem Speicherbehälter gespeichert. Solche Speicherbehälter werden auch als Thermopotentialspeicher oder in Englisch als„Pumped Thermal Electricity Storage" bezeichnet. Bei Bedarf wird dem Speicherbehälter Wärme entnommen und mit einer Wärmekraftmaschine wieder in Strom umgewandelt. Die SWS-Speichervorrichtung erlaubt es somit, elektrischen Strom zu speichern und zeitversetzt wieder abzugeben. Das Dokument WO2013/164562 offenbart eine SWS-Speichervorrichtung, wobei diese SWS-Speichervorrichtung eine beschränkte Regelungsmöglichkeit aufweist. Zudem verursachen die tiefen Systemtemperaturen Probleme. Das Dokument EP2147193B1 offenbart ebenfalls eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Speicherung und Wiedergewinnung elektrischer Energie. Nachteilig an dieser Vorrichtung beziehungsweise an diesem Verfahren ist die Tatsache, dass die aufgenommene und abgegebene elektrische Leistung schwierig zu regeln ist. Das Dokument EP2574739A1 offenbart ebenfalls eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Speicherung und Wiedergewinnung elektrischer Energie. Diese Vorrichtung beziehungsweise dieses Verfahren weist den Nachteil auf, dass drei Speicher erforderlich sind, ein
Wärmespeicher, ein Kältespeicher sowie ein Niedertemperatur- Wärmespeicher, was sehr aufwändig ist. Zudem kann die aufgenommene und abgegebene elektrische Leistung nicht geregelt werden, wobei insbesondere kein Teillastbetrieb möglich ist.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es eine Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtung zur Speicherung und Wiedergewinnung elektrischer Energie zu bilden, welche eine vorteilhaftere Aufnahme und Abgabe von elektrischer Energie erlaubt, und welche insbesondere einen vorteilhaften
Teillastbetrieb erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung aufweisend die Merkmale von Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 9 betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen.
Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem Verfahren aufweisend die Merkmale von Anspruch 10. Die abhängigen Ansprüche 11 bis 20 betreffen weitere vorteilhafte Verfahrensschritte. Die Aufgabe wird insbesondere gelöst mit einer Strom-Wärme- Strom- Speichervorrichtung umfassend einen Ladekreislauf sowie einen Endladekreislauf zum Fördern eines Arbeitsgases, wobei der Ladekreislauf sowie der Endladekreislauf einen gemeinsamen Regenerator umfassen, welcher umschaltbar entweder mit dem Ladekreislauf oder dem Endladekreislauf Fluid leitend verbunden ist, um einen geschlossenen Kreislauf auszubilden und um das Arbeitsgas dem Regenerator zuzuführen, wobei der Ladekreislauf einen ersten Turboverdichter sowie einen ersten Turboexpander umfasst, wobei der erste Turboverdichter vom ersten Turboexpander sowie einem Elektromotor angetrieben ist, wobei der Entladekreislauf einen zweiten
Turboexpander und einen zweiten Turboverdichter umfasst, wobei der zweite Turboexpander den zweiten Turboverdichter sowie einen Generator antreibt, sowie umfassend eine
Regelvorrichtung sowie eine Dichteänderungsvorrichtung, welche den Druck des Arbeitsgases im Ladekreislauf und/oder im Entladekreislauf ansteuerbar zu ändern erlauben, um die vom ersten Turboverdichter aufnehmbare Leistung beziehungsweise die vom zweiten Turboexpander abgebbare Leistung zu regeln. Die Aufgabe wird weiter insbesondere gelöst mit einem Verfahren zur Lastregelung einer Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtung umfassend einen Ladekreislauf mit einem ersten
Turboverdichter, wobei dem ersten Turboverdichter zum Erhitzen eines Arbeitsgases mechanische Leistung zugeführt wird, umfassend einen Ent ladekreislauf mit einem zweiten Turboexpander, wobei dem zweiten Turboexpander zum Abkühlen des Arbeitsgases
mechanische Leistung entnommen wird, wobei der Ladekreislauf beziehungsweise der
Entladekreislauf einen gemeinsamen Regenerator umfasst, welcher wahlweise mit dem
Ladekreislauf oder dem Entladekreislauf zu einem geschlossenen Kreislauf verbunden wird, sodass entweder das im Ladekreislauf erhitzte Arbeitsgas dem Regenerator zugeführt wird oder dem Regenerator heisses Arbeitsgas entnommen und dem Entladekreislauf zugeführt wird, wobei die vom ersten Turboverdichter aufgenommene mechanische Leistung und/oder die vom zweiten Turboexpander abgegebene mechanische Leistung durch ein Ändern des Drucks des Arbeitsgases geregelt wird.
Die erfmdungsgemässe Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtung umfasst zwei Kreisprozesse, einen Ladekreislauf sowie einen Endladekreislauf, und umfasst einen gemeinsamen Regenerator, wobei der Regenerator umschaltbar entweder mit dem Ladekreislauf oder dem Entladekreislauf verbunden ist, unter Ausbildung eines geschlossenen Kreislaufs. Im gesamten Ladekreislauf beziehungsweise im gesamten Entladekreislauf ist vorzugsweise ein einziger, gemeinsamer Regenerator angeordnet, das heisst, der Ladekreislauf bzw. der Entladekreislauf weist keine in Serie geschalteten Regeneratoren auf. Der einzige, gemeinsame Regenerator ist vorzugsweise als poröser Feststoffregenerator ausgestaltet. Der einzige, gemeinsame Regenerator kann vorteilhafterweise auch aus einer Mehrzahl parallel geschalteter Teilregeneratoren ausgebildet sein. In einer möglichst Ausgestaltung umfasst der gemeinsame Regenerator eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Regeneratoren, sodass die Regeneratoren entlang des Ladekreislaufs bzw. des Entladekreislaufs angeordnet sind. Die erfmdungsgemässe Vorrichtung umfasst zudem Turboverdichter und Turboexpander, das heisst rotierende Maschinen, zum Verdichten und Entspannen eines Arbeitsgases im Ladekreislauf beziehungsweise im Endladekreislauf. Ein Turboverdichter des Ladekreislaufs ist vorzugsweise von einem Elektromotor angetrieben. Ein Turboexpander des Entladekreislaufs treibt einen Elektrogenerator an. Die von der
erfmdungsgemässen Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtung aufgenommene beziehungsweise abgegebene elektrische Leistung wird unter anderem dadurch geregelt, dass die Dichte beziehungsweise die totale Masse des sich im Ladekreislauf beziehungsweise im
Entladekreislauf befindlichen Arbeitsgases verändert wird, was die vom Kreislaufprozess aufgenommene beziehungsweise abgegebenen Leistung verändert. Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann somit einerseits mit Volllastbetrieb und andererseits mit Hilfe der
Dichteregelung auch mit Teillast betrieben werden. In einer weiteren, vorteilhaften
Ausgestaltung weist zumindest ein Turboverdichter oder ein Turboexpander des Ladekreislaufs und/oder des Endladekreislaufs verstellbare Vorleiträder auf, um durch eine
Stellungsveränderung der Vorleiträder über eine zusätzliche Regelmöglichkeit zu verfügen die aufgenommene beziehungsweise abgegebene Leistung des Kreisprozesses zu regeln. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Regelung der aufgenommenen beziehungsweise abgegebenen elektrischen Leistung durch eine Kombination von Dichteregelung des
Arbeitsgases und Stellungsveränderung der Vorleiträder. In einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung erfolgt die Regelung der aufgenommenen beziehungsweise abgegebenen elektrischen Leistung durch eine Kombination von Dichteregelung des Arbeitsgases und Drehzahlregelung des Turbo Verdichters bzw. des Turboexpanders.
Die Dichteregelung umfasst eine Dichteänderungsvorrichtung, welche den Druck des
Arbeitsgases im Ladekreislauf und/oder im Entladekreislauf ansteuerbar sowohl anheben als auch absenken kann, um über die Druckänderung des Arbeitsgases die Dichte des Arbeitsgases im Ladekreislauf und/oder im Entladekreislauf zu ändern, und um dadurch die von der erfmdungsgemässen Vorrichtung aufgenommene bzw. abgegebene Leistung zu regeln.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemässe Verfahren weisen die Vorteile auf, dass ein einfacher, zuverlässiger und kostengünstiger Teillastbetrieb möglich ist, sowohl betreffend Aufnahme als auch Abgabe von elektrischer Leistung, und dass der Teillastbetrieb einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass eine rasche Anpassung beziehungsweise Änderung der aufgenommenen oder abgegebenen elektrischen Leistung möglich ist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass ein rascher Wechsel von Energieabgabe zu Energieaufnahme und umgekehrt möglich ist. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist daher zum Betrieb in Kombination mit erneuerbaren Energiequellen besonders gut geeignet.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemässe Verfahren ist zudem besonders vorteilhaft zur Stabilisierung eines Elektrizitätsnetzes geeignet.
Elektrizitätsnetze mit einem hohen Anteil an Wind- und Solarenergie weisen eine hohe
Residuallast auf, das heisst eine Last bzw. Leistung, die von schnell regelbaren Kraftwerken aufzubringen ist. Es ist bekannt, für eine stark fluktuierende Einspeisung von Windkraft- und Solaranlagen Pumpspeicherkraftwerke zu verwenden, weil diese Energieüberschüsse speichern und wieder abgeben können. Pumpspeicherkraftwerke sind jedoch üblicherweise als drehzahlstarre Systeme ausgebildet und weisen zudem im Teillastbetrieb einen erheblich reduzierten Wirkungsgrad auf. Solche Pumpspeicherkraftwerke eignen sich daher schlecht zum Betrieb mit variabler elektrischer Leistung. Die erfindungsgemässe Vorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemässe Verfahren verwendet Turboverdichter beziehungsweise Turboexpander, das heisst rotierende Maschinen, zum Verdichten und Entspannen des Arbeitsgases, und weisen in Kombination mit einem Elektrizitätsnetz die Vorteile auf, dass einer raschen Änderung der Residuallast problemlos gefolgt werden kann, dass ein Teillastbetrieb mit hohem Wirkungsgrad möglich ist, dass in einer möglichen Ausgestaltung auch ein Betrieb mit variabler Drehzahl möglich ist, und dass die erfindungsgemässe Vorrichtung daher ausgezeichnet zur Stabilisierung des Elektrizitätsnetzes geeignet ist. Die erfindungsgemässe Vorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemässe Verfahren ist daher in der Lage die beiden für einen stabilen Betrieb eines Elektrizitätsnetzes erforderlichen Systemdienstleistungen Beschaffung von Regelleistung sowie Einsatz von Regelenergie bereitzustellen, und ist bezüglich dieser Systemdienstleistungen herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerken überlegen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist im Rahmen ihrer verfügbaren Speicherkapazität in der Lage in einem Elektrizitätsnetz die Differenz zwischen erzeugter und verbrauchter elektrischer Leistung ständig auszugleichen, und kann somit die Stabilität eines Elektrizitätsnetzes gewährleisten. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist einerseits in Kombination mit insbesondere erneuerbaren Energien betreibbar, um elektrische
Energie zu speichern und zeitversetzt wieder abzugeben. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist jedoch auch zur Netzstabilisierung geeignet, in Kombination mit erneuerbaren Energien oder auch in herkömmlichen Elektrizitätsnetzen. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung ist die Tatsache, dass das Zurverfügungstellen von Regelleistung bei der
Netzstabilisierung die grössten Kosten verursacht, und dass die erfindungsgemässe Vorrichtung eine solche Regelleistung erzeugen kann. Gegenüber Pumpspeicherkraftwerken weist die erfmdungsgemässe Vorrichtung die Vorteile auf, dass diese kostengünstiger erstellbar ist, dass diese auch im Flachland erstellbar ist, dass ein geringerer Platzbedarf erforderlich ist, und dass diese bezüglich Landschaftsbild eine wesentlich geringere Beeinträchtigung verursachen und daher bei der Bevölkerung auf weniger Widerstand stossen.
Die erfmdungsgemässe Vorrichtung verfügt auf Grund der rotierenden Schwungmassen von Motor, Generator und Turbomaschinen über eine Momentanreserve und ist daher in der Lage die Frequenz eines Elektrizitätsnetzes äusserst kurzfristig zu stabilisieren. Die erfmdungsgemässe Vorrichtung ist zudem in der Lage durch eine Dichteänderung des Arbeitsgases und/oder eine
Stellungsänderung der Vorleiträder von Turboverdichter und/oder Turboexpander und/oder einer Drehzahländerung von Turboverdichter und/oder Turboexpander kurzfristig Regelenergie beziehungsweise elektrische Energie aufzunehmen oder abzugeben, und kann daher eine positive oder negative Primärregelleistung, welche in Elektrizitätsnetzen üblicherweise innerhalb 30 Sekunden zur Verfügung zu stellen ist, oder auch eine Sekundärregelleistung, welche üblicherweise innerhalb von 5 Minuten zur Verfügung zu stellen ist, oder auch eine
Minutenreserve, welche üblicherweise innerhalb von 15 Minuten zur Verfügung zu stellen ist, abgeben oder aufnehmen. Die erfmdungsgemässe Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtung, die auch als eine thermische Batterie bezeichnet werden könnte, kann insofern ähnlich einer Elektrobatterie geladen und entladen werden, als nebst einer Vollladung jederzeit auch ein Teilladen oder ein Teilentladen möglich ist. Das der erfmdungsgemässen Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtung zu Grunde liegende Speicherkonzept erlaubt es durch eine entsprechende Auslegung der Teilkomponenten vorzugsweise elektrische Leistungen im Bereich zwischen 1 bis 50 MW und vorzugsweise elektrische Energiemengen im Bereich zwischen 1 bis 250 MWh zu speichern und zeitverzögert wieder abzugeben. Auf Grund der relativ grossen speicherbaren elektrischen Energie bzw. Energiemenge ist die erfmdungsgemässe Speichervorrichtung zur Netzstabilisierung einer Energieversorgung umfassend erneuerbare Energiequellen besonders gut geeignet.
Die erfmdungsgemässe Speichervorrichtung umfasst einen Regenerator. Ein Regenerator ist ein Wärmetauscher, bei dem die Wärme während des Austauschvorgangs in einem Speichermaterial zwischengespeichert wird. Beim Laden des Regenerators wird die vom heissen Arbeitsgas zugeführte Wärmeenergie an das Speichermaterial abgegeben und im Speichermaterial gespeichert. Beim Entladen des Regenerators wird dem Speichermaterial kühles Arbeitsgas zugeführt, wobei das kühle Arbeitsgas dem Speichermaterial Wärmeenergie entzieht, sodass das Speichermaterial abgekühlt und das Arbeitsgas erwärmt wird, wobei die dem Arbeitsgas entzogene Wärmeenergie einem nachfolgenden Prozess zugeführt wird. In einer möglichen Ausgestaltung weist der Regenerator Rohre auf, durch welche das Arbeitsfluid strömt, wobei die Rohre thermisch leitend mit dem Speichermaterial gekoppelt sind, damit ein Wärmeaustausch auftritt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist der Regenerator einen mit
Speichermaterial gefüllten, gasdurchlässigen Innenraum auf, wobei das Arbeitsgas direkt mit dem Speichermaterial in Kontakt kommt und dieses umströmt. Ein derartiger , gasdurchlässiger Regenerator weist den Vorteil auf, dass die Wärmeübertragungsfläche besonders gross ist, da das Speichermaterial direkt vom Arbeitsgas umströmt wird, sodass die Wärme besonders schnell an das Speichermaterial Übertrag werden kann oder diesem entzogen werden kann, da das
Arbeitsgas sowohl beim Laden als auch beim Entladen in direkten Kontakt mit dem
Speichermaterial tritt.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von mehreren Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele verwendeten Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtung;
Fig. 2 einen Ladekreislauf im Detail;
Fig. 3 einen Entladekreislauf im Detail;
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtung;
Fig. 5 einen Ladekreislauf mit vier Teilregeneratoren;
Fig. 6 einen Ladekreislauf mit zwei Teilregeneratoren;
Fig. 7 ein Entladekreislauf mit zwei Teilregeneratoren;
Fig. 8 ein T,s-Diagramm, welches den Einfluss der Dichteänderung dargestellt;
Fig. 9 ein Leistungs- Wirkungsgrad-Diagramm in Abhängigkeit der Anzahl Teilregeneratoren;
Fig. 10 - 12 je ein Diagramm betreffend Aufnahme und Abgabe elektrischer Leistung in
Funktion der Zeit bei unterschiedlichen Betriebsverfahren;
Fig. 13 ein Detail des Regelverfahrens bei einer Änderung der abgegebenen Leistung.
Grundsätzlich sind in den Zeichnungen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wege zur Ausführung der Erfindung
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele offenbart, welche sich unter anderem die
Dichteregelung zu Nutze machen.
Die Leistung einer Turbomaschine ist abhängig vom thermodynamischen Zustand der Maschine, charakterisiert durch die Enthalpiedifferenz ΔΙι(Τ,ρ) und vom Massendurchsatz m der Maschine. So beträgt beispielsweise die Leistung P eines Turboexpanders bzw. einer Turbine
P = m Ah(T,p) (1)
wobei:
m: Massenstrom [kg/s]
Ah: Enthalpiedifferenz [J/kg]
T: Temperatur [K]
p: Druck [Pa]
Der Massenstrom lässt sich berechnen zu
m = p V (2) wobei:
p: Dichte [kg/m3]
V: Volumenstrom [m3/s]
Für die Dichte gilt:
P = p/(RT) (3) wobei:
R: Gaskonstante [J/kgK]
Fasst man die drei genannten Gleichungen (1) bis (3) zusammen, so ergeben sich die nachfolgenden Gleichungen (4a, 4b):
P = p V Ah(T,p) (4a)
P = p/(RT) V Ah(T,p) (4b)
Gemäss Gleichung (4a) gilt, dass die Leistung P des Turboexpanders proportional zur Dichte des geförderten Arbeitsgases ist. Gemäss Gleichung (4b) gilt, dass die Leistung P des
Turboexpanders proportional zum Druck p des geförderten Arbeitsgases ist. Wird die Dichte des Arbeitsgases beziehungsweise der Druck p des Arbeitsgases beispielsweise verdoppelt, so verdoppelt sich die resultierende Leistung P. Wird die Dichte des Arbeitsgases beziehungsweise der Druck p des Arbeitsgases beispielsweise halbiert, so halbiert sich die resultierende Leistung P.
Die Leistungsaufnahme eines Turboverdichters beziehungsweise die Leistungsabgabe eines Turboexpanders kann somit durch eine Änderung der Dichte beziehungsweise des Drucks des Arbeitsgases geregelt werden. Voraussetzung ist, dass bei einer Dichte- bzw. Druckänderung sowohl der Eintrittsdruck als auch der Austrittsdruck der Turbomaschine angehoben
beziehungsweise abgesenkt wird. Dies ist bei einem geschlossenen Kreislauf der Fall. Die erfmdungsgemässe Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtung weist zwei geschlossene
Kreisläufe auf, den Ladekreislauf sowie den Entladekreislauf, und nutzt die Dichteänderung bzw. die Druckänderung des Arbeitsgases zur Regelung der aufgenommenen beziehungsweise der abgegebenen Leistung.
Wie aus den Gleichungen 4a und 4b ersichtlich könnte die Leistungsaufnahme des
Turboverdichters beziehungsweise die Leistungsabgabe des Turboexpanders auch durch eine Volumenstromänderung erzielt werden. Eine Regelung basierend auf einer Veränderung des Volumenstroms weist jedoch den Nachteil auf, dass der Wirkungsgrad der Strom- Wärme-Strom- Speichervorrichtung in der Teillast beziehungsweise im Teillastbetrieb stark abfällt, sodass eine Regelung der Dichte des Arbeitsgases wesentlich vorteilhafter ist.
Das Betriebsverhalten des Turboverdichters beziehungsweise des Turboexpanders in der erfmdungsgemässen Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtung wird an Hand eines T,s- Diagrammes näher erläutert. Figur 8 zeigt das T,s-Diagramm des in Figur 3 dargestellten geschlossenen Entladekreislaufs 200.
Figur 3 zeigt den in Figur 1 dargestellten geschlossenen Entladekreislauf 200, welcher als Gasturbinenprozess ausgestaltet ist, im Detail. Der geschlossene Entladekreislauf 200 für das Arbeitsgas A umfasst einen zweiten Turboverdichter 210, einen zweiten Turboexpander 250, einen zweiten Rekuperator 230 mit einem ersten und einem zweiten Wärmetauschkanal 230a, 230b, einen Hochtemperaturregenerator 120 sowie einen ersten Kühler 270, wobei der zweite Turboverdichter 210 über die Welle 214 mit dem zweiten Turboexpander 250 und einem Generator 290 gekoppelt ist. Im Endladekreislauf 200 ist eine Dichteänderungsvorrichtung 300 angeordnet, welche es erlaubt die Dichte beziehungsweise den Systemdruck des Arbeitsgases A beziehungsweise das obere und das untere Druckniveau des Arbeitsgases A zu verändern. Der Entladekreislauf 200 weist einen einzigen Regenerator auf, den Hochtemperaturregenerator 120. Figur 8 zeigt mit Yi den Kreisprozess beziehungsweise das T,s-Diagramm, bzw. das
Temperatur-Entropie-Diagramm des geschlossenen Endladekreislaufs 200 bei einem Arbeitsgas A mit einer ersten Dichte, einer tiefen Dichte beziehungsweise einem tiefen Druck. Ausgehend vom Arbeitspunkt YIA, aufweisend das untere Druckniveau, wird das Arbeitsgas A durch den zweiten Turbo Verdichter 210 bis zum Arbeitspunkt Y]B, aufweisend das obere Druckniveau, verdichtet, im vorliegenden Beispiel von 2 bar auf 8 bar. Bei Stillstand der Speichervorrichtung 1 erfolgt ein Druckausgleich zwischen dem unteren Druckniveau und dem oberen Druckniveau, sodass sich ein Stillstanddruck, auch als„Settie out Druck" bezeichnet, einstellt, der zwischen dem unteren und dem oberen Druckniveau liegt. Beim Betrieb der Speichervorrichtung 1 stellt sich auf Grund der Verdichter und Expander das untere und obere Druckniveau ein. Das Arbeitsgas A wird nach dem Arbeitspunkt YJB bis zum Arbeitspunkt Yic erwärmt, insbesondere durch den Hochtemperaturregenerator 120, daraufhin im zweiten Turboexpander 250 bis zum Arbeitspunkt YID entspannt, und danach bis zum Arbeitspunkt YIA abgekühlt. Die Dichte beziehungsweise der Systemdruck des Arbeitsgases A wird nun angehoben, auf eine zweite Dichte, einer höheren Dichte, beziehungsweise einen zweiten Systemdruck, was zur Folge hat, dass der Kreisprozess nach links verschoben wird. Figur 8 zeigt mit Y2 diesen nach links verschobenen Kreisprozess, beziehungsweise das T,s-Diagramm des geschlossenen
Entladekreislaufs 200 bei einem Arbeitsgas A aufweisend die zweite Dichte. Ausgehend vom
Arbeitspunkt Y2A wird das Arbeitsgas A vom zweiten Turboverdichter 210 bis zum Arbeitspunkt Y2B verdichtet, im vorliegenden Beispiel von 5 bar auf 20 bar. Das Arbeitsgas A wird danach bis zum Arbeitspunkt Y2c erwärmt, daraufhin im zweiten Turboexpander 250 bis zum Arbeitspunkt Y2D entspannt, und danach bis zum Arbeitspunkt Y2A abgekühlt. Die in Figur 8 durchgezogenen Linien stellen Isobaren dar. Der Abkühlungsvorgang des Arbeitsgases A erfolgt somit in beiden Kreisprozessen Yi, Y2 nahezu entlang einer Isobaren.
Das Betriebsverhalten des Turboexpanders bzw. des Turboverdichters ist abhängig vom
Eintrittsvolumenstrom, von dessen Drehzahl und der Stellung des Vorleitrades oder Vorleiträder. Wird der Turboexpander im Entladekreislauf 200 mit konstanter Drehzahl betrieben, dann verändert sich der Volumenstrom nicht. Die Dichteänderung hat jedoch gemäss Gleichung (1) zur Folge, dass die vom Turboexpander abgegebene Leistung erhöht beziehungsweise reduziert wird. Eine derartige Dichteregelung weist zudem den Vorteil auf, dass der Wirkungsgrad der Maschine vorzugsweise unverändert ist, und dass die Ecktemperaturen der Kreisprozesse Yi, Y2 und damit der Prozesswirkungsgrad unverändert oder im Wesentlichen unverändert bleibt, wie dies in Figur 8 aus dem dargestellten T,s-Diagramm ersichtlich ist. Die erfindungsgemässe Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtung weist somit den Vorteil auf, dass die vom
Entladekreislauf 200 abgegebene Leistung, beziehungsweise auf analoge Weise die vom
Ladekreislauf 100 aufgenommene Leistung über eine Dichteregelung gesteuert werden kann, und dass der Wirkungsgrad des Entladekreislaufs beziehungsweise des Ladekreislaufs bei Volllastbetrieb wie auch bei Teillastbetrieb konstant beziehungsweise nahezu konstant bleibt. Somit kann die abgegebene und aufgenommene mechanische Leistung der erfindungsgemässen Speichervorrichtung 1, und falls ein Generator und ein Motor mit der Speichervorrichtung 1 gekoppelt ist, die abgegebene und aufgenommene elektrische Leistung von Motor und Generator durch die Druckregelung bzw. die Dichteregelung des Arbeitsgases A gesteuert werden.
Insbesondere der Einfluss der Reynolds-Zahl wirkt sich in eingeschränktem Masse auf den Wirkungsgrad der Turbomaschinen aus. Auch hat die Reynolds-Zahl einen Einfluss auf den Wärmeübergang der kalorischen Apparate im Kreisprozess. Mit steigender Dichte bzw.
steigendem Druck wird der Wärmeübergang verbessert, mit sinkender Dichte und Druck wird der Wärmeübergang reduziert. Die vorhin beschriebene Dichteregelung hat zur Folge, dass der geschlossene Ladekreislauf der erfindungsgemässen Speichervorrichtung, insbesondere der Wärmepumpenprozess des geschlossenen Ladekreislaufs, sowohl bei Volllast als auch bei Teillast einen nahezu konstanten Wirkungsgrad aufweist. Ebenso weist der geschlossene Endladekreislauf der erfindungsgemässen Speichervorrichtung, insbesondere der
Gasturbinenprozess des geschlossenen Endladekreislaufs, einen nahezu konstanten
Wirkungsgrad auf. Der Wirkungsgrad der Speichervorrichtung bleibt somit auch bei einem Teillastbetrieb konstant beziehungsweise nahezu konstant.
Fig. 1 zeigt eine Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtung 1 zur Speicherung und
Wiedergewinnung elektrischer Energie, nachfolgend auch als Energiespeichervorrichtung 1 bezeichnet. Die Energiespeichervorrichtung 1 umfasst einen Ladekreislauf 100 mit Leitungen 101, einen Entladekreislauf 200 mit Leitungen 201, einen Hochtemperaturregenerator 120, nachfolgend auch als Regenerator bezeichnet, zwei Dichteänderungsvorrichtungen 300 sowie Schaltmittel 400, 401, wobei die Schaltmittel 400, 401 derart mit den Leitungen 101, 201 verbunden sind, dass der Hochtemperaturregenerator 120 Fluid leitend und umschaltbar entweder mit dem Ladekreislauf 100 oder mit dem Entladekreislauf 200 zu einem geschlossenen Kreislauf verbunden werden kann, sodass der Ladekreislauf 100 und der Entladekreislauf 200 den Hochtemperaturregenerator 120 nacheinander im Gegenstrom durchströmen. Eine
Regelungsvorrichtung 500 ist signalleitend mit den Schaltmitteln 400, 401 und weiteren, nicht im Detail dargestellten Sensoren und Aktuatoren verbunden, um die Energiespeichervorrichtung 1 anzusteuern und Zustandsgrössen wie Druck, Drehzahl, Temperatur, aufgenommene Leistung, abgegebene Leistung usw. zu messen. Die Figuren 2 und 3 zeigen den in Figur 1 dargestellten Ladekreis 100 bzw. Entladekreis 200 umfassend die Dichteänderungsvorrichtung 300 im Detail. Der Hochtemperaturregenerator wird von einem im geschlossenen Kreislauf zirkulierenden Arbeitsgas durchströmt, wobei der Ladekreislauf dem Hochtemperaturregenerator Wärme zuführt, und wobei der Entladekreislauf dem Hochtemperaturregenerator Wärme entzieht. Im Ladekreislauf liegt die Temperatur des in den Hochtemperaturregenerator einströmenden Arbeitsgases vorzugsweise im Bereich zwischen 600 bis 1000 °C, und die Temperatur des aus dem Hochtemperaturregenerator ausströmenden Arbeitsgases grundsätzlich tiefer, und vorzugsweise im Bereich zwischen 400 °C bis 700 °C. Das Arbeitsgas soll dabei vorzugsweise möglichst ungehindert durch den Hochtemperaturregenerator strömen und dabei die Wärme abgegeben beziehungsweise aufnehmen. Der Hochtemperaturregenerator sollte vorzugsweise die nachfolgenden, teilweise widersprüchlichen Anforderungen erfüllen:
· Die Wärmekapazität sollte möglichst gross sein, das heisst ein Regenerator aus einem dicht gepacktem Material hoher Wärmekapazität.
• Der Druckverlust sollte möglichst klein sein. Dies könnte mit einem Regenerator mit geringer Durchströmgeschwindigkeit.
• Die mit dem durchströmenden Arbeitsgas in Berührung kommende Fläche sollte
möglichst groß sein bzw. die Durchströmgeschwindigkeit hoch, damit ein guter
Wärmeübergang erreicht wird.
• Der Regenerator sollte langlebig sein.
Der Hochtemperaturregenerator 120 enthält ein festes Speichermaterial sowie ein Arbeitsgas A als Wärmeträger, um zwischen dem Speichermaterial und dem durchströmenden Arbeitsgas A Wärme auszutauschen. Als festes Speichermaterial für den Hochtemperaturregenerator 120 sind beispielsweise poröse feuerfeste Materialien, Sand, Kies, Gestein, Beton, Graphit oder auch eine Keramik wie Siliziumkarbid geeignet. Der Hochtemperaturregenerator 120 umfasst eine Aussenhülle 120a sowie einen Innenraum, wobei im Innenraum das feste Speichermaterial derart angeordnet und/oder ausgestaltet ist, dass das Speichermaterial zum Wärmeaustausch vom Arbeitsgas A durchströmt oder umströmt werden kann. Das Speichermaterial wird sowohl im Ladekreislauf als auch im Ent ladekreislauf vorzugsweise direkt vom Arbeitsgas umströmt und gelangt somit in direkten Kontakt mit dem Arbeitsgas. Vorteilhafterweise ist etwa 40% bis 70% des Innenraums mit Speichermaterial gefüllt, beziehungsweise sind 30% bis 60% des
Speichervolumens mit Arbeitsgas A gefüllt. Der Hochtemperaturregenerator 120 umfasst, wie aus Figur 2 ersichtlich, zudem zumindest eine Eintrittsöffnung 120b sowie zumindest eine Austrittsöffnung 120c um das in den Leitungen 101 bzw. 201 strömende Arbeitsgas A dem Innenraum des Hochtemperaturregenerators zu- bzw. abzuführen, sodass das im Ladekreislauf 100 oder im Entladekreislauf 200 zirkulierende Arbeitsgas A in Kontakt, vorzugsweise in direkten Kontakt mit dem festen Speichermaterial gelangt. Die Figuren 1 bis 3 zeigt einen in vertikaler Richtung verlaufenden bzw. angeordneten Hochtemperaturregenerator 120, wobei das Arbeitsgas A beim Laden von oben nach unten strömt und beim Entladen von unten nach oben strömt.
Figur 2 zeigt den in Figur 1 dargestellten geschlossenen Ladekreislauf 100 im Detail. Der geschlossene Ladekreislauf 100 für das Arbeitsgas A umfasst einen ersten Turboverdichterl 10, einen ersten Turboexpander 140, einen ersten Rekuperator 130 mit einem ersten und einem zweiten Wärmetauschkanal 130a, 130b, den Hochtemperaturregenerator 120 sowie einen Vorwärmer 151, wobei der erste Turboverdichter 110 über eine gemeinsame Welle 114 mit dem ersten Turboexpander 140 und einem Elektromotor 170 gekoppelt ist. Der erste Turboverdichter 110 sowie der ersten Turboexpander 140 bilden die Grundelemente einer Wärmepumpe 2. Die als Ventile ausgestalteten Schaltmittel 400 sind auf Durchfiuss geschaltet und die in Figur 2 nicht dargestellten Schaltmittel 401 sind gesperrt, sodass sich ein geschlossener Ladekreislauf 100 ausbildet, in welchem das Arbeitsgas A in Strömungsrichtung AI bzw. in
Ladeströmungsrichtung AI strömt. Als Arbeitsgas A wird vorzugsweise Argon oder Stickstoff verwendet. Ausgehend vom Hochtemperaturregenerator 120 wird das Arbeitsgas A
nacheinander folgend zumindest dem ersten Wärmetauschkanal 130a des Rekuperators 130, dem ersten Turboexpander 140, dem Vorwärmer 151, dem zweiten Wärmetauschkanal 130b des Rekuperators 130, dem ersten Turboverdichter 110 und danach wiederum dem Hochtemperatur- Regenerator 120 zugeführt, unter Ausbildung eines geschlossenen, Fluid leitenden
Ladekreislaufs 100. Der Ladekreislauf 100 umfasst einen Hochdruckabschnitt 100a sowie einen Niederdruckabschnitt 100b, wobei der Hochdruckabschnitt 100a in Strömungsrichtung AI zwischen dem ersten Turboverdichter 110 und dem ersten Turboexpander 140 verläuft, und wobei der Niederdruckabschnitt 100b in Strömungsrichtung AI zwischen dem ersten
Turboexpander 140 und dem ersten Turboverdichter 110 verläuft. Eine
Dichteänderungsvorrichtung 300 umfasst einen Druckbehälter 301, der über eine Leitung 305 und ein Ventil 302 mit dem Niederdruckabschnitt 100b verbunden ist, und der über eine Leitung 306, einen Verdichter 304 und ein Ventil 303 mit dem Hochdruckabschnitt 100a verbunden ist. Mit Hilfe der Dichteänderungsvorrichtung 300 kann dem Ladekreislauf 100 ansteuerbar Arbeitsgas A entnommen werden oder kann Arbeitsgas A zugeführt werden, sodass die Dichte des Arbeitsgases A und somit die Leistungsaufnahme des ersten Turboverdichters 110 beeinflusst werden kann, sodass der Ladekreislauf 100 durch eine Dichteänderung ansteuerbar mit Volllast oder einer einstellbaren Teillast betrieben werden kann. Das Arbeitsgas A wird vorteilhafterweise unter erhöhtem Druck gehalten, um die Leistungsdichte des Verdichters 110 und der Turbine 140 zu erhöhen und den Wärmeübergang in den kalorischen Apparaten wie dem Rekuperator 130 oder dem Vorwärmer 151 zu verbessern. Der Druck des Arbeitsgases A wird vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 20 bar gehalten beziehungsweise geregelt.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform könnte die Dichteänderungsvorrichtung 300 auch derart ausgestaltet sein, dass das Arbeitsgas A des Ladekreislaufs 100 zur Dichtereduktion an die Umgebung entlassen wird, und dass das Arbeitsgas A zur Dichteerhöhung zum Beispiel aus einem Druck beaufschlagten Speicher wieder in den Ladekreislauf 100 eingeführt wird. Ein solches Vorgehen wäre zum Beispiel mit einem unkritischen Arbeitsgas A wie Stickstoff möglich. Da die erfindungsgemässe Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtung vorzugsweise während mehreren tausend Stunden pro Jahr betrieben werden soll ist es jedoch vorteilhafter, wenn das Arbeitsgas A in einem Speicherbehälter 301 zwischengespeichert wird, insbesondere auch dann, wenn als Arbeitsgas A ein relativ teures Gas wie beispielsweise Argon verwendet wird. Um den Speicherbehälter 301 nicht unverhältnismässig gross werden zu lassen ist es vorteilhaft, das Arbeitsgas A mittels eines Verdichters 304 in den Speicherbehälter 301 zu pumpen. Der Verdichter 304 ist vorteilhafterweise mit dem Hochdruckteilabschnitt 100a verbunden. Das Arbeitsgas A wird vorteilhafterweise über den Niederdruckabschnitt 11 Ob wieder dem Ladekreislauf 100 zugeführt.
Der erste Turboverdichter 110, der erste Turboexpander 140, der erste Rekuperator 130 sowie der Vorwärmer 151 bilden eine Wärmepumpe 2. Das vom Vorwärmer 151 und dem Rekuperator 130 vorgewärmte Arbeitsgas A wird als Eingangsgas dem ersten Turboverdichter 110 zugeführt, darin verdichtet, und erfährt dadurch eine Temperatur- und Druckerhöhung. Das verdichtete Arbeitsgas A wird dem Hochtemperaturregenerator 120 zugeführt, darin abgekühlt, nachfolgend im Rekuperator 130 weiter abgekühlt, und anschliessend im ersten Turboexpander 140 entspannt, um anschliessend im Vorwärmer 1 1 und im Rekuperator 130 wieder vorgewärmt zu werden. Der erste Turboexpander 140 und der Turboverdichter 110 sind auf derselben Welle 114 angeordnet, sodass der erste Turboexpander 140 das Antreiben des ersten Turboverdichters 110 unterstützt. Die Welle 114 wird vom Elektromotor 170 angetrieben, wobei an Stelle des Elektromotors 170 auch eine andere Antriebsvorrichtung geeignet ist, beispielsweise eine Turbine, oder allgemein eine Kraftmaschine. Um die im Hochtemperaturregenerator 120 gespeicherte Wärmeenergie wieder zu entladen ist ein Entladekreislauf 200 erforderlich. Figur 3 zeigt den in Figur 1 dargestellten geschlossenen Entladekreislauf 200, welcher als Gasturbinenprozess ausgestaltet ist, im Detail. Als Arbeitsgas A wird dasselbe Gas wie im Ladekreislauf 100 verwendet, vorzugsweise Argon oder Stickstoff. Der geschlossene Entladekreislauf 200 für das Arbeitsgas A umfasst einen zweiten
Turboverdichter 210, einen zweiten Turboexpander 250, einen zweiten Rekuperator 230 mit einem ersten und einem zweiten Wärmetauschkanal 230a, 230b, den Hochtemperaturregenerator 120 sowie einen ersten Kühler 270, wobei der zweite Turboverdichter 210 über die Welle 214 mit dem zweiten Turboexpander 250 und einem Generator 290 gekoppelt ist. Die als Ventile ausgestalteten Schaltmittel 401 sind auf Durchfluss geschaltet und die in Figur 3 nicht dargestellten Schaltmittel 400 sind gesperrt, sodass sich ein geschlossener Entladekreislauf 200 ausbildet, in welchem das Arbeitsgas A in Strömungsrichtung A2 bzw. in
Entladeströmungsrichtung A2 strömt. Der Entladekreislauf 200 ist derart ausgebildet, dass ausgehend vom Hochtemperaturregenerator 120 nacheinander folgend zumindest der zweite Turboexpander 250, der erster Wärmetauschkanal 230a des zweiten Rekuperators 230, der erste Kühler 270, der zweite Turboverdichter 210, der zweite Wärmetauschkanal 230b des
Rekuperators 230, und danach der Hochtemperatur-Regenerator 120 unter Ausbildung des geschlossenen Kreislaufs Fluid leitend miteinander verbunden sind, wobei das Arbeitsgas A im Entladekreislauf 200 in Strömungsrichtung A2 bzw. in Entladeströmungsrichtung A2 strömt. Der Entladekreislauf 200 umfasst einen Hochdruckabschnitt 200a sowie einen
Niederdruckabschnitt 200b, wobei der Hochdruckabschnitt 200a in Strömungsrichtung A2 zwischen dem zweiten Turboverdichte 210 und dem zweiten Turboexpander 250 verläuft, und wobei der Niederdruckabschnitt 200b in Strömungsrichtung A2 zwischen dem zweiten
Turboexpander 250 und dem zweiten Turboverdichter 210 verläuft. Eine
Dichteänderungsvorrichtung 300 umfasst einen Druckbehälter 301, der über die Leitung 305 und das Ventil 302 mit dem Niederdruckabschnitt 200b verbunden ist, und der über die Leitung 306, den Verdichter 304 und das Ventil 303 mit dem Hochdruckabschnitt 200a verbunden ist. Mit Hilfe der Dichteänderungsvorrichtung 300 kann dem Entladekreislauf 200 Arbeitsgas A entnommen werden oder Arbeitsgas A zugeführt werden, sodass die Dichte des Arbeitsgases A und somit die Leistungsabgabe des zweiten Turboexpanders 250 beeinflusst werden kann, sodass der Entladekreislauf 200 regelbar mit Volllast oder Teillast betrieben werden kann.
Wie in Figur 3 dargestellt wird im ersten Kühler 270 vorzugsweise auf Umgebungstemperatur U gekühlt. Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich fliesst im Hochtemperaturregenerator 120 die
Entladeströmungsrichtung A2 in entgegengesetzter Richtung zur Ladeströmungsrichtung AI . Das aus dem Hochtemperaturregenerator 120 ausströmende Arbeitsgas A wird über den zweiten Turboexpander 250 entspannt und dadurch gekühlt, und wird danach im zweiten Rekuperator 230 und im ersten Kühler 270 weiter gekühlt, bevor das Arbeitsgas A im zweiten
Turboverdichter 210 komprimiert wird und anschliessend im zweiten Rekuperator 230 vorgewärmt wird, um danach wieder in den Hochtemperaturregenerator 120 einzuströmen. Der zweite Turboverdichter 210 und der zweite Turboexpander 250 sind auf derselben Welle 214 angeordnet, sodass der zweite Turboexpander 250 den zweiten Turboverdichter 210 antreibt. Der Welle 214 wird durch den Generator 290 Energie entnommen. An Stelle eines Generators könnte beispielsweise auch eine Arbeitsmaschine mit der Welle 214 verbunden sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung könne der erste Turboverdichter 110 und der zweite Turboverdichter 210 und vorzugsweise auch der erste Turboexpander 140 und der zweite Turboexpander 250 je ein verstellbares Vorleitrad 110a, 210a, 140a, 250a umfassen. Ein Verstellen dieser Vorleiträder erlaubt es die Leistungsaufnahme beziehungsweise die
Leistungsabgabe der Turboverdichter 110, 210 und der Turboexpander 140, 250 schnell zu ändern. Figur 4 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer Energiespeichervorrichtung 1. Im Unterschied zu der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Energiespeichervorrichtung 1 mit zwei separaten Rekuperatoren 130 weist die in Figur 4 dargestellte Energiespeichervorrichtung 1 einen einzigen, gemeinsamen Rekuperator 130 auf. Das Arbeitsgas A wird mit Hilfe von Schaltmitteln 400, 401 wie Ventilen derart schaltbar geleitet, dass ein Ladekreislauf 100 beziehungsweise ein Entladekreislauf 200 entsteht, ähnlich dem in Figur 2 bzw. 3 dargestellten Ladekreislauf 100 bzw. Entladekreislauf 200, mit Ausnahme, dass nur ein einziger, gemeinsamer Rekuperator 130 vorhanden ist.
In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Energiespeichervorrichtung 1 nebst dem Ladekreislauf 100 und dem Entladekreislauf 200 zudem noch ein Vorwärmesystem 1 0 für ein zirkulierendes Vorwärmfluid V. Das Vorwärmesystem 1 0 umfasst insbesondere einen ersten Fluidspeicher 152, in welchem ein erwärmtes Vorwärmfluid VI gespeichert wird, einen zweiten Fluidspeicher 222, in welchem ein abgekühltes Vorwärmfluid V2 gespeichert wird, sowie Fluidleitungen 155, 224 und gegebenenfalls Fördermittel 153, 223 um das
Vorwärmfluid V im Vorwärmesystem 150 zu zirkulieren und insbesondere dem Vorwärmer 151 und dem Kühler 221 zuzuführen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das erwärmte Vorwärmfluid V, ausgehend vom ersten Fluidspeicher 152 dem Vorwärmer 151 zugeführt, und das danach abgekühlte Vorwärmfluid V dem zweiten Fluidspeicher 222 zugeführt. Das abgekühlte Vorwärmfluid V des zweiten Fluidspeichers 222 wird einem Kühler 221 zugeführt, und das danach erwärmte Vorwärmfluid V dem ersten Fluidspeicher 152 zugeführt. Als
Vorwärmfluid V wird vorzugsweise Wasser verwendet. Der zweite Fluidspeicher 222 könnte als ein Behälter ausgestaltet sein, sodass das Vorwärmesystem 150 einen geschlossenen Kreislauf ausbildet. Der zweite Fluidspeicher 222 könnte auch offen ausgestaltet sein, wobei an Stelle eines Behälters auch ein Gewässer, beispielsweise ein See, geeignet wäre zur Aufnahme des abgekühlten Vorwärmfluides V beziehungsweise zur Bereitstellung von Kühlfluid V.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Energiespeichervorrichtung 1 zur Speicherung von elektrischer Energie und zur zeitlich versetzten Abgabe von elektrischer Energie verwendet. Figur 4 zeigt eine derartige Speichervorrichtung für elektrische Energie umfassend die Energiespeichervorrichtung 1 sowie umfassend einen Elektromotor 170 und einen Generator 290. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind der Elektromotor 170 und der Generator 290 zu einer einzigen Maschine zusammengefasst unter Ausbildung eines
sogenannten Motorgenerators. Die in Figur 4 dargestellte Energiespeichervorrichtung 1 ist daher besonders günstig herstellbar, weil nur ein einziger Motorgenerator 170/290, ein einziger Hochtemperaturregenerator 120 und ein einziger Rekuperator 130 erforderlich sind.
Zur Funktionsweise der in Figur 4 dargestellten, besonders vorteilhaften
Energiespeichervorrichtung 1 werden nachfolgend noch einige Details erläutert. Der erste Turboverdichter 110, der erste Turboexpander 140, der erste Rekuperator 130 sowie der Vorwärmer 1 1 bilden im Ladekreislauf 100 eine Wärmepumpe. Das vorgeheizte Arbeitsgas A wird dem ersten Turboverdichter 110 zugeführt, darin verdichtet und erwärmt, und durchströmt als Arbeitsgas A den Ladekreislauf 100. Das Arbeitsgas A wird danach durch den
Hochtemperaturregenerator 120 geleitet, dabei abgekühlt und nachfolgend im Rekuperator 130 nochmals abgekühlt. Das Arbeitsgas A wird danach im ersten Turboexpander 140 entspannt auf den tiefsten Druck im Ladekreislauf 100, beispielsweise auf einen Druck von etwa 1 bis 5 bar, wobei die dadurch im ersten Turboexpander 140 freigesetzte Energie zum teilweisen Antrieb des ersten Turboverdichters 110 genutzt wird. Das Arbeitsgas A fliest danach durch den Vorwärmer 151 und wird dabei vorgewärmt. Der Vorwärmer 151 ist mit dem Vorwärmesystem 150 verbunden und bezieht die Wärmeenergie aus dem ersten Fluidspeicher 152 für das warme Vorwärmfluid, in der dargestellten Ausführungsform als warmes Wasser. Der Entladekreislauf 200 umfasst einen zweiten Turboverdichter 210, ausgestaltet als ein zwischengekühlter Gasturbinenverdichter mit einem Kühler 221, und umfasst den Rekuperator 130, den Hochtemperaturregenerator 120, den zweiten Turboexpander 250 und den ersten Kühler 270, der zur Umgebung U kühlt. Der Kühler 221 ist über Leitungen 224 mit dem
Vorwärmesystem 150 verbunden, wobei kühles Fluid dem Speicher 222 entnommen wird, über das Fördermittel 223 dem Kühler 221 zugeführt wird, und wobei das erwärmte Fluid dem Speicher 1 2 zugeführt wird. Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ladekreises 100 mit einer
Dichteänderungsvorrichtung 300. Im Unterschied zu dem in Figur 2 dargestellten Ladekreislauf 100 umfasst der in Figur 5 dargestellte Ladekreislauf 100 einen einzigen
Hochtemperaturregenerator 120 bestehend aus vier parallel geschalteten Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d. Im gesamten Ladekreislauf 100 ist somit ein einziger Regenerator 120 angeordnet, das heisst, der Ladekreislauf 100 weist keine nacheinander in Serie geschalteten Regeneratoren auf. Der einzige Regenerator 120 kann als einziger Behälter ausgestaltet sein, oder kann wie in den Ausführungsbeispielen gemäss Figuren 5 und 6 dargestellt eine Mehrzahl von parallel geschalteten Teilregeneratoren aufweisen. Der Ladekreislauf 100 umfasst einen Hochdruckabschnitt 100a sowie einen Niederdruckabschnitt 110b, wobei die Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d im Hochdruckabschnitt 100a angeordnet sind, und wobei Ventile 307 bis 310 sowie 321 bis 324 angeordnet sind, um die Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d einzeln oder mehrere parallel Fluid leitend mit dem Hochdruckabschnitt 100a zu verbinden. Die Ventile 307 bis 310 sowie 321 bis 324 müssen vorzugsweise nur Ein- und Ausschalten und sind beispielsweise als Klappenventile ausgestaltet.
Es kann sich zum Beispiel aus Kostengründen als vorteilhaft erweisen anstelle eines einzigen, grossen Hochtemperaturregenerators 120 eine Mehrzahl kleinere, parallel geschaltete
Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d vorzusehen. Die Anzahl parallel geschalteter
Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d kann beliebig gross sein, wobei sich eine Anzahl zwischen 2 und 10 als besonders vorteilhaft erweist. Üblicherweise ist jeweils nur ein einziger der Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d, in Figur 5 beispielsweise der Teilregenerator 120a, aktiv im Hochdruckabschnitt 120a in den Kreislauf eingebunden und vom zirkulierenden Arbeitsgas A durchströmt, während die weiteren, vorübergehend inaktiven Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d auf Grund der geschlossenen Ventile keine Fluid leitende Verbindung zum Hochdruckabschnitt 120a aufweisen und somit vom Lade- bzw. Entladeprozess entkoppelt sind. Die einzelnen Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d sind entweder erhitzt beziehungsweise vollständig geladen und stehen zur Entleerung beziehungsweise zum Entladeprozess bereit, oder sie sind kalt und stehen zur Erwärmung beziehungsweise zum Laden bereit wobei das obere Ende generell heiss ist und das untere Ende generell eine tiefere Temperatur aufweist. Die einzelnen Teilwärmspeicher 120a, 120b, 120c, 120d können auch teilweise geladen
beziehungsweise teilweise entladen sein. Das Innenvolumen eines Teilregenerators ist mit einem wärmespeichernden Material und einem Gasvolumen gefüllt, wobei das Gasvolumen bzw. die Porosität des Speichermaterials vorzugsweise zwischen 30-60 % des Innenvolumens des Teilregenerators beträgt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Ladekreis 100 eine Dichteänderungsvorrichtung 300 zur Leistungsregelung.
Der Hochtemperaturregenerator 120, umfassend eine Mehrzahl parallel geschalteter
Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d, kann, wie aus den Figuren 1 bis 3 ersichtlich, durch ein entsprechendes Schalten der Ventile 400, 401 unter Ausbildung eines geschlossenen Kreislaufs Fluid leitend mit dem Ladekreislauf 100 oder dem Entladekreislauf 200 verbunden werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtung 1 wird zumindest einer und vorzugsweise mehrere der inaktiven Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d beziehungsweise deren Gasvolumen verwendet zur Zwischenspeicherung von Arbeitsgas A, um dadurch die Dichte beziehungsweise den Druck des im Ladekreislauf 100
beziehungsweise im Entladekreislauf 200 zirkulierenden Arbeitsgases A zu verändern, um dadurch die Leistung zu regeln. Figur 6 zeigt ein derartiges Ausführungsbeispiel an Hand einer Anordnung des Hochtemperaturregenerators 120 im Ladekreis 100, wobei der
Hochtemperaturregenerator 120, im Vergleich zu der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform, nur zwei parallel geschaltete Teilregeneratoren 120a, 120b umfasst, wobei die Anordnung nebst den bereits in Figur 5 offenbarten Schaltventilen 307, 308, 309, 310 zusätzliche Komponenten umfasst, nämlich Ventile 312, 313, 314 und Leitungen 317, 318 und 319. Diese zusätzlichen Komponenten, in Kombination mit den Teilregeneratoren 120a, 120b, erlauben es eine
Dichteänderungsvorrichtung 300 ausbilden, und ersetzen deshalb die in Figur 5 dargestellte Dichteänderungsvorrichtung 300.
Die Funktion der in Figur 6 verwendeten Dichteänderungsvorrichtung 300 wird nachfolgend an Hand unterschiedlicher Betriebszustände erläutert. Der Ladekreislauf 100 umfasst einen Hochdruckabschnitt 100a, in welchem das Arbeitsgas A einen höheren Druck von beispielsweise 8 bar aufweist. Der Ladekreislauf 100 umfasst zudem einen Niederdruckabschnitt 100b, in welchem das Arbeitsgas A einen niederen Druck von beispielsweise 2 bar aufweist. Der erste Teilregenerator 120a wird aktiv geschaltet, bildet Teil des Ladekreislaufes 100, und ist vom Arbeitsgas A durchströmt. Der zweite Teilregenerator 120b ist als Druckspeicher 301 verwendet, wobei der zweite Teilregenerator 120b nicht aktiv in den Ladekreislauf 100 geschaltet ist, sondern als Zwischenspeicher für das Arbeitsgas A dient. Die Masse des Arbeitsgases A im Ladekreislauf 100 wird geändert, indem Arbeitsgas A zwischen dem zweiten Teilregenerator 120b und dem Ladekreislauf 100 verschoben wird. Im ersten Betriebszustand sind die Ventile 309 und 310 geöffnet, und die Ventile 307 und 308 sowie die Ventile 312, 313 und 314 sind geschlossen, sodass der erste Teilregenerator 120a Teil des Ladekreislaufs 100 bildet und vom Arbeitsgas A durchströmt ist, wogegen der zweite Teilregenerator 120b vom Ladekreislauf 100 getrennt ist. Der Druck im Teilregenerator 120b sei tief, d.h. bei 2 bar. Das Arbeitsgas A im Hochdruckabschnitt 100a weist einen hohen Druck von 8 bar auf. In diesem Zustand hat ein Öffnen des Ventils 312 zur Folge, dass Arbeitsgas A über die Leitung 319 in den zweiten Teilregenerator 120b fliesst, sodass dem Ladekreislauf 100 Masse entnommen wird und die Dichte sowie der Druck des Arbeitsgases im Ladekreislauf 100 somit sinkt. Sobald dem Ladekreislauf 100 genügend Arbeitsgas A bzw. eine genügend grosse Masse entnommen ist, wird das Ventil 312 wieder geschlossen.
Der Druck im zweiten Teilregenerator 120b steigt maximal auf den Druck des ersten
Teilregenerators 120a, sodass in einem zweiten Betriebszustand der zweite Teilregenerator 120b einen erhöhten Druck aufweist. Der maximal erreichbare Druck ist abhängig vom Verhältnis des Volumens des aktiven Ladekreislaufs 100 und des Teilregenerators 120b. In diesem Zustand hat ein Öffnen des Ventils 313 zur Folge, dass Arbeitsgas A über die Leitung 317 aus dem zweiten Teilregenerator 120b in den Niederdruckabschnitt 100b fliesst, sodass dem Ladekreislauf 100 Masse zugeführt wird und die Dichte sowie der Druck des Arbeitsgases A im Ladekreislauf 100 somit steigt. Sobald dem Ladekreislauf 100 genügend Arbeitsgas A bzw. eine genügend grosse Masse zugeführt ist wird das Ventil 313 wieder geschlossen.
Durch diesen hiermit beschriebenen ersten und zweiten Betriebszustand ist es somit möglich den zweiten Teilregenerator 120b als Druckspeicher 301 zu nutzen, um die Masse Arbeitsgas A im Ladekreislauf 100 zu ändern. Um dem Ladekreislauf 100 eine noch grössere Masse an Arbeitsgases A zuzuführen
beziehungsweise abzuführen, ist es vorteilhaft, eine Mehrzahl von parallel geschalteten
Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d vorzusehen, wie dies beispielsweise in Figur 5 dargestellt ist. In einer möglichen Ausführungsform ist der erste Teilregenerator 120a Teil des
Ladekreislaufs 100 und ist vom Arbeitsgas A durchströmt, wogegen der zweite, dritte und vierte Teilregenerator 120b, 120c, 120d über Ventile vom Ladekreislauf 100 getrennt, aber in diesen zuschaltbar sind. Jeder dieser drei Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d kann über Ventile mit dem Hochdruckabschnitt 100a oder dem Tiefdruckabschnitt 100b verbunden werden, sodass ein entsprechender Austausch des Arbeitsgases A zwischen dem jeweiligen Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d und dem Ladekreislauf 100 stattfindet. Je mehr Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d zum Austausch des Arbeitsgases A zur Verfügung stehen, desto grösser ist die Gesamtmasse an Arbeitsgas A, die zwischen dem Ladekreislauf 100 und den Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d, welche als Massespeicher dienen, ausgetauscht werden kann. Das am Beispiel des Ladekreislaufs 100 beschriebene Zu- und Abführen von Arbeitsgas A in und aus dem Ladekreislauf 100 durch Schalten von Ventilen kann auf analoge Weise auch im Entladekreislauf 200 erfolgen. Figur 7 zeigt einen Entladekreislauf 200 mit einem ersten und einem zweiten Teilregenerator 120a, 120b.
Der Entladekreislauf 200 umfasst einen Hochdruckabschnitt 200a, in welchem das Arbeitsgas A einen höheren Druck von beispielsweise 8 bar aufweist. Der Entladekreislauf 200 umfasst zudem einen Niederdruckabschnitt 200b, in welchem das Arbeitsgas A einen niederen Druck von beispielsweise 2 bar aufweist. Der erste Teilregenerator 120a wird aktiv geschaltet, bildet Teil des Entladekreislaufes 200, und ist vom Arbeitsgas A durchströmt. Der zweite Teilregenerator 120b ist als Druckspeicher 301a verwendet, wobei der zweite Teilregenerator 120b nicht aktiv in den Ladekreislauf 100 geschaltet ist, sondern als Zwischenspeicher für das Arbeitsgas A dient. Der Masse des Arbeitsgases A im Endladekreislauf 200 wird geändert, indem Arbeitsgas A zwischen dem zweiten Teilregenerator 120b und dem Entladekreislauf 200 ausgetauscht wird.
Im ersten Betriebszustand sind die Ventile 309 und 310 geöffnet, und die Ventile 307 und 308 sowie die Ventile 312, 313 und 314 sind geschlossen, sodass der erste Teilregenerator 120a Teil des Entladekreislaufs 200 bildet und vom Arbeitsgas A durchströmt ist, wogegen der zweite Teilregenerator 120b vom Entladekreislauf 200 getrennt ist. Der Druck im Teilregenerator 120b sei tief, d.h. bei 2 bar. Das Arbeitsgas A im Hochdruckabschnitt 200a weist einen hohen Druck von 8 bar auf. In diesem Zustand hat ein Öffnen des Ventils 312 zur Folge, dass Arbeits gas A über die Leitung 319 in den zweiten Teilregenerator 120b fliesst, sodass dem Entladekreislauf 200 Masse entnommen wird und die Dichte sowie der Druck des Arbeitsgases im Entladekreislauf 200 somit sinkt. Sobald dem Entladekreislauf 200 genügend Arbeitsgas A bzw. eine genügend grosse Masse entnommen ist wird das Ventil 312 wieder geschlossen. Der Druck im zweiten Teilregenerator 120b steigt maximal auf den Druck des ersten
Teilregenerators 120a, sodass in einem zweiten Betriebszustand der zweite Teilregenerator 120b einen erhöhten Druck aufweist. Der maximal erreichbare Druck ist abhängig vom Verhältnis des Volumens des aktiven Ladekreislaufs 100 und des Teilregenerators 120b. In diesem Zustand hat ein Öffnen des Ventils 313 zur Folge, dass Arbeitsgas A über die Leitung 317 aus dem zweiten Teilregenerator 120b in den Niederdruckabschnitt 200b fliesst, sodass dem Entladekreislauf 200 Masse zugeführt wird und die Dichte sowie der Druck des Arbeitsgases A im Entladekreislauf 200 somit steigt. Sobald dem Entladekreislauf 200 genügend Arbeitsgas A bzw. eine genügend grosse Masse zugeführt ist wird das Ventil 313 wieder geschlossen. Durch diesen hiermit beschriebenen ersten und zweiten Betriebszustand ist es somit möglich den zweiten Teilregenerator 120b als Druckspeicher 301a zu nutzen, um die Masse Arbeitsgas A im Entladekreislauf 200 zu ändern.
Um dem Entladekreislauf 100 eine noch grössere Masse an Arbeitsgases A zuzuführen beziehungsweise abzuführen ist es, wie mit Figur 6 bereits beschrieben, vorteilhaft eine
Mehrzahl von parallel geschalteten Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d vorzusehen, wie dies beispielsweise in Figur 5 dargestellt ist. In einer möglichen Ausführungsform bildet der erste Teilregenerator 120a Teil des Entladekreislaufs 200 und ist vom Arbeitsgas A durchströmt, wogegen der zweite, dritte und vierte Teilregenerator 120b, 120c, 120d über Ventile vom Entladekreislauf 200 getrennt, aber in diesen zuschaltbar sind. Jeder dieser drei
Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d kann über Ventile mit dem Hochdruckabschnitt 200a oder dem Tiefdruckabschnitt 200b verbunden werden, sodass ein entsprechender Austausch des Arbeitsgases A zwischen dem jeweiligen Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d und dem
Entladekreislauf 200 stattfindet. Je mehr Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d zum Austausch des Arbeitsgases A zur Verfügung stehen, desto grösser ist die Gesamtmasse an Arbeitsgas A, die zwischen dem Entladekreislauf 200 und den Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d, welche als Massespeicher dienen, ausgetauscht werden kann.
Der Ladekreislauf 100 und/oder der Entladekreislauf 200 können auch zwei oder mehrere Druckänderungsvorrichtungen 300 umfassen. Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Entladekreislaufs 200 umfassend zwei Druckänderungsvorrichtungen 300. Die erste
Druckänderungsvorrichtung 300 umfasst, wie vorhin mit Figur 7 beschrieben, den
Druckspeicher 301a, die Ventile 309, 310, 307, 308, 312, 313 und 314 sowie die entsprechenden Leitungen, wie in Figur 7 dargestellt. Die zweite Druckänderungsvorrichtung 300 umfasst einen Druckbehälter 301, Leitungen 305, 306, Ventile 302, 303 sowie einen Verdichter 304. Der Ladekreislauf 100 und/oder der Entladekreislauf 200 können die erste und/oder die zweite Druckänderungsvorrichtungen 300 umfassen.
Figur 9 zeigt das Betriebsverhalten der erfindungsgemässen Speichervorrichtung 1 bei Voll- und Teillast. Die Abszissenachse zeigt für den Ladevorgang die der Speichervorrichtung 1 über den Elektromotor 170 zugeführte Leistung Pz in Prozent, beziehungsweise zeigt für den
Entladevorgang die über den Generator 290 abgeführte Leistung Pz in Prozent. Die maximale Leistung Pzmax entspricht der maximal möglichen Leistung des Elektromotors beziehungsweise des Generators. Die Ordinatenachse zeigt für den Ladeprozess die Leistungszahl des
Wärmepumpenprozesses und zeigt für den Entladeprozess den Wirkungsgrad des
Gasturbinenprozesses. Die Kurve C umfasst einen ersten Kurvenabschnitt Cl sowie einen zweiten Kurvenabschnitt C2 und zeigt das Betriebsverhalten einer erfindungsgemässen
Speichervorrichtung 1 umfassend zwei parallel angeordnete Teilregeneratoren 120a, 120b, wie dies in den Figuren 6, 7 und 8 dargestellt ist. Der erste Kurvenabschnitt C 1 zeigt den Verlauf der Leistungszahl beim Ladevorgang bzw. den Wirkungsgrad beim Entladen mit der im
Zusammenhang mit den Figuren 6 und 7 beschriebenen Dichteregelung. Der erste
Kurvenabschnitt C 1 verläuft zwischen 70% und 100% der zugeführten bzw. abgeführten Leistung Pz horizontal, was bedeutet, dass im Bereich zwischen 70% und 100% keine Änderung der Leistungszahl bzw. des Wirkungsgrads beim Entladen auftritt. Die erfmdungsgemässe Speichervorrichtung 1 weist somit den Vorteil auf, dass diese auch im Teillastbetrieb während des Lade- und Entladevorgangs mit konstanter Leistungszahl beim Laden bzw. konstantem Wirkungsgrad beim Entladen betreibbar ist. Der zweite Kurvenabschnitt C2 zeigt, dass die erfmdungsgemässe Speichervorrichtung 1 umfassend zwei Teilregeneratoren 120a, 120b auch bei einer zugeführten bzw abgeführten Leistung Pz von unterhalb 70% der maximalen Leistung betrieben werden kann. Dieser zweite Kurvenabschnitt C2, welcher sich über einen
Teillastbereich zwischen etwa 45% und 70% erstreckt, wird durch ein Verstellen der
Vorleiträder 110a, 140a erreicht bzw. durch Verstellung der Vorleiträder 210a und 250a. Der zweite Kurvenabschnitt C2 weist somit einerseits den Nachteil auf, dass die Leistungszahl beim Laden bzw. der Wirkungsgrad beim Entladen sinken. Andererseits weist der zweite
Kurvenabschnitt C2 den Vorteil auf, dass sich die Leistungsaufnahme bzw. Leistungsabgabe der erfindungsgemässen Speichervorrichtung 1 in einem Teilleistungsbereich zwischen 45% und 100% der maximal zugeführten bzw. abgeführten Leistung Pztnax betreiben lässt.
Die Kurve B zeigt den Verlauf der Leistungszahl des Wärmepumpenprozesses beziehungsweise den Wirkungsgrad des Gasturbinenprozesses für den Lade- bzw. Entladeprozess für eine
Speichervorrichtung ohne Dichteänderungsvorrichtung 300, sodass die Kurve B nur den durch ein Verstellen der Vorleiträder 110a, 140a bzw. durch Verstellen der Vorleiträder 210a und 250a erreicht wird. Aus einem Vergleich des Verlaufs der Kurven B und C ist ersichtlich, dass die erfmdungsgemässe Speichervorrichtung 1 den Vorteil aufweist, dass diese im Teillastbereich zwischen 70% und 100% einen konstanten oder im Wesentlichen konstanten Verlauf von Leistungszahl bzw. Wirkungsgrad aufweist.
Die Kurve D zeigt den Verlauf der Leistungszahl des Wärmepumpenprozesses bzw. den Wirkungsgrad des Gasturbinenprozesses für den Lade- bzw. Entladevorgang für eine
Speichervorrichtung 1 mit drei Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, wobei beispielsweise im ersten Teilregenerator 120a die Wärme gespeichert wird, und wobei der zweite und der dritte Teilregenerator 120b, 120c als Fluidspeicher verwendet werden. Die Wärme könnte auch im zweiten oder dritten Teilregenerator 120b, 120c gespeichert werden, sodass die übrigen zwei Teilregeneratoren den Fluidspeicher ausbilden. Der erste Kurvenabschnitt D 1 zeigt den Verlauf der Leistungszahl beim Ladevorgang bzw. den Wirkungsgrad beim Entladen mit der im
Zusammenhang mit den Figuren 6 und 7 beschriebenen Dichteregelung. Der erste
Kurvenabschnitt Dl verläuft zwischen 50% und 100% der zugeführten bzw. abgeführten Leistung Pz horizontal, was bedeutet, dass im Bereich zwischen 50% und 100% keine Änderung der Leistungszahl bzw. des Wirkungsgrads beim Entladen auftritt. Der zweite Kurvenabschnitt D2, welcher sich über einen Teillastbereich zwischen etwa 25% und 50% erstreckt, wird durch ein Verstellen der Vorleiträder 110a, 140a bzw. der Vorleiträder 210a und 250a erreicht.
Die Kurve E zeigt den Verlauf der Leistungszahl des Wärmepumpenprozesses bzw. den Wirkungsgrad des Gasturbinenprozesses für den Lade- bzw. Entladevorgang für eine
Speichervorrichtung 1 mit vier Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d wobei beispielsweise im ersten Teilregenerator 120a die Wärme gespeichert wird, und der zweite, dritte und vierte Teilregenerator 120b, 120c, 120d als Druckspeicher verwendet werden. Der erste
Kurvenabschnitt E 1 zeigt den Verlauf der Leistungszahl beim Ladevorgang bzw. den
Wirkungsgrad beim Entladen mit der im Zusammenhang mit den Figuren 6 und 7 beschriebenen Dichteregelung. Der ersten Kurvenabschnitt El verläuft zwischen 35% und 100% der maximal zugeführten Leistung bzw. abgeführten Leistung Pz horizontal, was bedeutet, dass im Bereich zwischen 35% und 100% keine Änderung der Leistungszahl bzw. des Wirkungsgrads beim Entladen auftritt. Dies zweite Kurvenabschnitt E2, welcher sich über einen Teillastbereich zwischen etwa 10% und 35% erstreckt, wird durch ein Verstellen der Vorleiträder 110a, 140a bzw. der Vorleiträder 210a und 250a erreicht.
Die Figuren 10, 11 und 12 zeigen beispielhaft mögliche Betriebsverfahren der
erfmdungsgemässen Speichervorrichtung 1. Die Figur 10 zeigt beispielhaft einen möglichen Betriebsverlauf der Speichervorrichtung 1, beispielsweise bei einem Inselbetrieb, bei welchem ein elektrisches Netz nur mit Wind- und/oder Solarenergie betrieben wird. Der Verlauf der Kurve F zeigt in Funktion der Zeit die vom
Speicher aufgenommene elektrische Leistung, wobei diese elektrische Leistung vorzugsweise die überschüssige, im elektrischen Netz vorhandene Leistung darstellt. Die Speichervorrichtung 1 wird im Wärmepumpenbetrieb betrieben und die Energie über den Ladekreislauf 100 gespeichert, sodass Energie entsprechend dem Verlauf der Kurve H gespeichert wird. Dabei wird die Wärmepumpe, entsprechend der im Netz überschüssigen elektrischen Leistung,
beispielsweise zuerst mit 100% der Nennleistung Pzmax betrieben, anschliessend mit einer Teillast von 20%, anschliessend wieder mit Nennleistung von 100% und anschliessend wieder mit unterschiedlichen Teillasten. Dabei wird dem Regenerator 120 zunehmend Wärmeenergie zugeführt. Die Kurve H zeigt die im Regenerator 120 gespeicherte Wärmeenergie, wobei die Kurve H mit einer Speicherfüllung von 0% startet, und wobei der Regenerator 120 vollständig gefüllt wird, bis zu einer Speicherfüllung von 100 %. In einem weiteren Beispiel, beispielsweise nachts, benötigt das elektrische Netz ständig zusätzliche Energie, sodass der Regenerator 120 über den Entladekreislauf 200 entladen werden muss. Die Kurve J zeigt einen möglichen Entladebetrieb der Speichervorrichtung 1 in Funktion der Zeit. Die Kurve J zeigt somit den Betrieb des Endkreislaufes 200. Dabei wird der zweite Turboexpander 250 beziehungsweise der Generator G zuerst mit 100% der Nennleistung Pzmax betrieben, anschliessend mit einer Teillast von 20%, anschliessend wieder mit Teillast von 80% und anschliessend weiter mit
unterschiedlichen Lasten. Dabei wird dem Regenerator 120 zunehmend Wärmeenergie entzogen. Die Kurve I zeigt die im Regenerator 120 gespeicherte Wärmeenergie, wobei die Kurve I mit einer Speicherfüllung von 100% startet, und wobei der Regenerator 120 im Verlaufe der Zeit vollständig entleert wird, bis zu einer Speicherfüllung von 0 %. Die Figur 11 zeigt das Betriebsverhalten der Speichervorrichtung 1 bei einer Verwendung zur Netzstabilisierung eines elektrischen Verbundnetzes, wobei es keine Rolle spielt ob das elektrische Netz erneuerbare Energiequellen umfasst oder nicht. In einem vorteilhaften
Verfahren wird die Speichervorrichtung 1 ständig in einem Teillastbereich gefahren,
beispielsweise mit einer Teillast von 40% oder 60%, damit die Speichervorrichtung 1 sehr schnell elektrische Leistung vom Verbundnetz aufnehmen beziehungsweise an dieses abgeben kann. Die Kurve L zeigt beispielhaft einen Verlauf anlässlich einer Phase, während der im Verbundnetz eher zu viel elektrische Leistung vorhanden ist. Der Verlauf der Kurve L zeigt in Funktion der Zeit die überschüssige, dem elektrischen Netz entnommene elektrische Leistung. Die Speichervorrichtung 1 wird im Wärmepumpenbetrieb betrieben und die Energie dem Motor M über den Ladekreislauf 100 entnommen und im Regenerator 120 gespeichert, sodass Energie entsprechend dem Verlauf der Kurve L gespeichert wird. Wie dem Verlauf der Kurve K zu entnehmen ist wird die Speichervorrichtung 1 zu Beginn kontinuierlich mit einer tiefen Leillast von 20% betrieben. Die Speichervorrichtung 1 befindet sich damit quasi in einer Lauerstellung, um den Verbundnetz in kurzer Zeit elektrische Leistung zu entnehmen. Dabei wird der
Ladekreislauf 100 bzw. die Wärmepumpe2 , entsprechend der im Netz überschüssigen elektrischen Leistung wie in Kurve K dargestellt betrieben, indem beispielsweise zuerst mit 20%> der Nennleistung Pzmax gefahren wird, anschliessend mit Volllast von 100%, anschliessend mit einer Teillast von 40%, und anschliessend wieder mit unterschiedlichen Teillasten. Dabei wird dem Regenerator 120 zunehmend Wärmeenergie zugeführt. Die Kurve L zeigt die im
Regenerator 120 gespeicherte Wärmeenergie, wobei die Kurve L mit einer Speicherfüllung von 0% startet, und wobei der Regenerator 120 vollständig gefüllt wird, bis zu einer Speicherfüllung von 100 %. Die Kurve O zeigt beispielhaft einen Verlauf anlässlich einer Phase, während der im elektrischen Verbundnetz tendenziell eher zu wenig elektrische Leistung vorhanden ist. Der Verlauf der Kurve O zeigt in Funktion der Zeit die dem elektrischen Netz zugeführte elektrische Leistung. Die Speichervorrichtung 1 wird mit dem Entladekreislauf 200 betrieben und die Energie dem Regenerator 120 entnommen und über den Generator G in das elektrische Verbundnetz eingespeist, sodass elektrische Leistung entsprechend dem Verlauf der Kurve O eingespeist wird. Wie dem Verlauf der Kurve O zu entnehmen ist, wird die Speichervorrichtung 1 zu Beginn kontinuierlich mit einer tiefen Teillast von 20% betrieben. Die Speichervorrichtung 1 befindet sich damit quasi in einer Lauerstellung, um dem Verbundnetz in kurzer Zeit elektrische Leistung zuzuführen. Dabei wird der Entladekreislauf 200 entsprechend der im Netz erforderlichen elektrischen Leistung betrieben, wie in Kurve O dargestellt, indem beispielsweise zuerst mit 20% der Nennleistung Pzmax gefahren wird, anschliessend mit Volllast von 100%, anschliessend mit einer Teillast von 20%, und anschliessend wieder mit unterschiedlichen Teillasten. Dabei wird dem Regenerator 120 zunehmend Wärmeenergie abgeführt. Die Kurve N zeigt die im Regenerator 120 gespeicherte Wärmeenergie, wobei die Kurve L mit einer Speicherfüllung von 100% startet, und wobei der Regenerator 120 vollständig entleert wird, bis zu einer
Speicherfüllung von 0 %.
Die Figur 12 zeigt beispielhaft einen Betrieb der erfmdungsgemässen Speichervorrichtung 1, während welchem je nach Netzerfordernis eine Aufnahme oder eine Abgabe von elektrischer Leistung stattfindet. Diese Betriebsart ist insbesondere auch zur Netzstabilisierung geeignet. Die Figur 12 zeigt mit der Kurve P einen Wärmepumpenbetrieb der Speichervorrichtung 1 in Funktion der Zeit. Dabei wird dem Regenerator 120, wie aus der Kurve Q ersichtlich,
Wärmeenergie zugeführt. Die Kurve Q zeigt die im Regenerator 120 gespeicherte
Wärmeenergie. Die Kurve R zeigt einen Turbinenbetrieb der Speichervorrichtung 1 in Funktion der Zeit. Die Kurve R zeigt somit den Betrieb des Endladekreislaufes 200. Der Übergang des Betriebs zwischen der Kurve P und R erfolgt derart, dass ausgehend vom Ladekreislauf 100 der Regenerator 120 in den Ent ladekreislauf 200 geschaltet wird, sodass dem Regenerator 120 über den Gasturbinenbetrieb Wärme entzogen werden kann. Aus dem Verlauf der Kurve Q ist die Abnahme der im Regenerator 120 gespeicherten Wärmeenergie ersichtlich. Die Figur 12 zeigt anschliessend mit der Kurve T einen Wärmepumpenbetrieb der Speichervorrichtung 1 in
Funktion der Zeit. Dabei wird dem elektrischen Netz entsprechend den Erfordernissen Leistung entzogen und dem Regenerator 120, wie aus der Kurve Q ersichtlich, Wärmeenergie zugeführt. Die Kurve W zeigt einen Gasturbinenbetrieb der Speichervorrichtung 1 in Funktion der Zeit. Die Kurve W zeigt somit wieder den Betrieb des Entladekreislaufes 200. Dabei wird dem
Regenerator 120, wie aus der Kurve Q ersichtlich, Wärmeenergie entzogen und dem elektrischen Netz elektrische Leistung eingespeist. Die erfmdungsgemässe Speichervorrichtung 1 wird in einem vorteilhaften Verfahren kontinuierlich mit dem in Figur 12 dargestellten Verfahren betrieben. Figur 13 zeigt beispielhaft ein Verfahren wie die von der erfmdungsgemässen
Speichervorrichtung 1 beziehungsweise vom Ladekreislauf 100 aufgenommene Leistung schnell verändert werden kann. Die Kurve P zeigt die aufgenommene Leistung in %, welche von 100% der aktuellen Leistung auf 70 % reduziert wird. Die Kurve X zeigt die Änderung der Dichte im Ladekreislauf 10 in %0. Die Kurve X zeigt, dass die Dichte im Ladekreislauf 100 reduziert wird, was jedoch eine gewisse Zeit erfordert. Die Kurve Z zeigt die relative Stellung der Leiträder 110a, 140a. Die Vorleitradverstellung weist zu Beginn den relativen Wert 80 auf. Um die Leistungsaufnahme des Ladekreislaufs 100 bzw. der Speichervorrichtung 1 schnell zu reduzieren wird die Vorleitradverstellung auf den relativen Wert 30 geändert, was zur Folge hat, dass der Winkel der Leiträder verändert wird, wobei die Stellung der Vorleiträder später wieder auf den ursprünglichen relativen Wert 80 wieder zurückgeführt wird. Die Änderung der
Vorleitradverstellung hat wie aus der Kurve P ersichtlich zur Folge, dass die vom Motor M aufgenommene Leistung P schnell absinkt. Die in Figur 12 dargestellte Kombination von Vorleitradverstellung der Leiträder 110a, 140a und Dichteänderung des Arbeitsgases A hat zur Folge, dass die Leistung P in kurzer Zeit geändert werden kann. Die Figur 12 zeigt eine
Reduzierung der von der Speichervorrichtung 1 aufgenommenen Leistung P. Auf analoge Weise kann auch eine Erhöhung der von der Speichervorrichtung 1 aufgenommenen Leistung P bewirkt werden, indem durch ein Verändern der Vorleitradstellung die aufgenommenen Leistung kurzfristig erhöht wird, daraufhin die Dichte im Arbeitsgas A geändert wird, und die
Laufradstellung wieder die ursprüngliche Stellung einnimmt, sobald die geänderte Dichte bewirkt hat, dass die aufgenommene Leistung der vorgegebenen Leistung entspricht. Das beschriebenen Verfahren ist analog im Entladekreislauf 200 verwendbar, indem die vom
Entladekreislauf 200 abgegebenen elektrische Leistung dadurch schneller verändert werden kann, dass, wie in Figur 13 dargestellt, die Vorleitradstellung der Leiträder 210a, 250a im Entladekreislauf 200 verändert wird, wobei auch die Dichte des Arbeitsgases A verändert wird, und wobei die Vorleitradstellung nach einer bestimmten Zeit, wie in Figur 13 dargestellt, wieder in die Ausgangslage zurückverfahren wird.
Ein weiteres Verfahren die aufgenommene oder abgegebene Leistung der erfmdungsgemässen Speichervorrichtung 1 schnell zu verändern besteht darin, die ursprüngliche Drehzahl von Verdichter und Expander zu verändern. Eine solche Drehzahländerung kann an Stelle der
Stellungsveränderung der Vorleiträder oder in Kombination mit der Stellungsveränderung der Vorleiträder verwendet werden. Die Drehzahl wird vorzugsweise, wie im Verlauf der Kurve Z dargestellt, nur vorübergehend geändert, bis die Dichteregelung den erwünschten Zielwert alleine gewährleisten kann, sodass die Drehzahl wieder mit der ursprünglichen Drehzahl betrieben wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Strom- Wärme-Strom-Speichervorrichtung ( 1 ) umfassend einen Ladekreislauf ( 100) sowie einen Endladekreislauf (200) zum Fördern eines Arbeitsgases (A),
wobei der Ladekreislauf (100) sowie der Endladekreislauf (200) einen gemeinsamen Regenerator (120) umfassen, welcher umschaltbar entweder mit dem Ladekreislauf (100) oder dem Endladekreislauf (200) Fluid leitend verbunden ist unter Ausbildung eines geschlossenen Kreislaufs, um das Arbeitsgas (A) dem Regenerator (120) zuzuführen, wobei der Ladekreislauf (100) einen ersten Turboverdichter (110) sowie einen ersten Turboexpander (140) umfasst, wobei der erste Turboverdichter (110) vom ersten Turboexpander (140) sowie einem Elektromotor (170) angetrieben ist,
wobei der Entladekreislauf (200) einen zweiten Turboexpander (250) und einen zweiten Turboverdichter (210) umfasst, wobei der zweite Turboexpander (250) den zweiten Turboverdichter (210) sowie einen Generator (290) antreibt,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelvorrichtung (500) sowie eine
Dichteänderungsvorrichtung (300) derart angeordnet und ausgestaltet sind, dass diese den Druck des Arbeitsgases (A) im Ladekreislauf (100) und/oder im Entladekreislauf (200) ansteuerbar zu ändern erlauben, um die vom ersten Turboverdichter (110) aufhehmbare Leistung beziehungsweise die vom zweiten Turboexpander (250) abgebbare Leistung zu regeln.
2. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Dichteänderungsvorrichtung (300) den Druck des Arbeitsgases (A) im Ladekreislauf (100) und/oder im Entladekreislauf (200) ansteuerbar sowohl anheben als auch absenken kann.
3. Speichervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladekreislauf (100) sowie der Endladekreislauf (200) einen einzigen, gemeinsamen Regenerator (120) umfassen.
4. Speichervorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Dichteänderungsvorrichtung (300) einen Druckbehälter (301) sowie zumindest ein erstes und ein zweites Ventil (302, 303) umfasst, und dass der Druckbehälter (301) über die Ventile (302, 303) Fluid leitend mit dem Ladekreislauf (100) und/oder mit dem
Endladekreislauf (200) verbindbar ist, um Arbeitsgas (A) dem Druckbehälter (301) zuzuführen und dort zu speichern, oder um im Druckbehälter (301) gespeichertes Arbeitsgas (A) in den Ladekreislauf (100) und/oder den Endladekreislauf (200) rückzuführen.
5. Speichervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladekreislauf (100) sowie der Entladekreislauf (200) je zwei Teilabschnitte umfasst, einen
Hochdruckabschnitt (100a, 200a) sowie einen Niederdruckabschnitt (100b, 200b), sodass das Arbeitsgas (A) im Hochdruckabschnitt (100a, 200a) einen höheren Druck aufweist als im Niederdruckabschnitt (100b, 200b), und dass der Druckbehälter (301) über das erstes Ventil (302) mit dem Niederdruckabschnitt (100b) verbindbar ist, und dass der Druckbehälter (301) über das zweite Ventil (303) mit dem Hochdruckabschnitt (100a) verbindbar ist, um durch ein Schalten des ersten und/oder zweiten Ventils (302, 303) den Druck des Arbeitsgases (A) im Druckbehälter (301) zu verändern.
6. Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der gemeinsame Regenerator (120) zumindest zwei und vorzugsweise drei oder vier parallel geschaltete Teilregeneratoren (120a, 120b, 120c, 120d) umfasst.
7. Speichervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Dichteänderungsvorrichtung (300) einen der Teilregeneratoren (120a, 120b, 120c, 120d) umfasst, welcher den Druckbehälter (301) ausbildet.
8. Speichervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteänderungsvorrichtung (300) einen Arbeitsgasverdichter (304) umfasst, welcher dem Druckbehälter (301) vorgeschaltet ist, um das dem Ladekreislauf (100) und/oder dem Endladekreislauf (200) entnommene Arbeitsgas (A) komprimiert dem Druckbehälter
(301) zuzuführen.
9. Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der erste Turbo Verdichter (110) und der zweite Turboverdichter (210) und vorzugsweise auch der erste Turboexpander (140) und der zweite
Turboexpander (250) ein verstellbares Vorleitrad (110a, 210a) umfassen.
10. Verfahren zur Lastregelung einer Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung (1)
umfassend einen Ladekreislauf (100) mit einem ersten Turboverdichter (110), wobei dem ersten Turboverdichter (110) zum Erhitzen eines Arbeitsgases (A) mechanische Leistung zugeführt wird, umfassend einen Entladekreislauf (200) mit einem zweiten
Turboexpander (250), wobei dem zweiten Turboexpander (250) zum Abkühlen des
Arbeitsgases (A) mechanische Leistung entnommen wird, wobei der Ladekreislauf (100) beziehungsweise der Entladekreislauf (200) einen gemeinsamen Regenerator (120) umfasst, welcher wahlweise mit dem Ladekreislauf (100) oder dem Entladekreislauf (200) zu einem geschlossenen Kreislauf verbunden wird, sodass entweder das im
Ladekreislauf (100) erhitzte Arbeitsgas (A) dem Regenerator (120) zugeführt wird oder dem Regenerator (120) heisses Arbeitsgas (A) entnommen und dem Entladekreislauf (200) zugeführt wird, wobei die vom ersten Turboverdichter (110) aufgenommene mechanische Leistung und/oder die vom zweiten Turboexpander (250) abgegebene mechanische Leistung durch ein Ändern des Drucks des Arbeitsgases (A) geregelt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Arbeitsgases (A) im Ladekreislauf (100) und/oder im Entladekreislauf (200) angehoben wird um die vom ersten Turboverdichter (110) aufgenommene mechanische Leistung und/oder die vom zweiten Turboexpander (250) abgegebene mechanische Leistung zu erhöhen, und dass der Druck des Arbeitsgases (A) abgesenkt wird, um die vom ersten Turboverdichter (110) aufgenommene mechanische Leistung und/oder die vom zweiten Turboexpander (250) abgegebene mechanische Leistung zu reduzieren.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladekreislauf (100) sowie der Endladekreislauf (200) einen einzigen, gemeinsamen Regenerator (120) umfassen, welchem das Arbeitsgas (A) zugeführt wird, oder aus welchem das Arbeitsgas (A) abgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Turbo Verdichter (110) des Ladekreislaufs (100) und/oder der zweite Turboexpander (250) des Entladekreislaufs (200) mit konstanter Drehzahl und daher mit konstantem Volumenstrom betrieben wird, und dass die von der Speichervorrichtung (1)
aufgenommene beziehungsweise abgegebene mechanische Leistung geregelt wird, indem der Druck und damit die Dichte des Arbeitsgases (A) entsprechend verändert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche lObis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Turbo Verdichter (110) von einem ersten Turboexpander (140) und einem Elektromotor (170) angetrieben wird, wobei im ersten Turboexpander (140) Arbeitsgas (A) des Ladekreislaufs (100) entspannt wird, und dass der zweite Turboexpander (250) einen zweiten Turboverdichter (210) und einen Generator (290) antreibt, wobei im zweite Turboverdichter (210) Arbeitsgas (A) des Entladekreislaufs (200) verdichtet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10, bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Arbeitsgases (A) im Ladekreislauf (100) und/oder im Entladekreislauf (200) geändert wird, indem Arbeitsgas (A) zwischen einem Druckbehälter (301) sowie dem
Ladekreislauf (100) und/oder dem Entladekreislauf (200) ausgetauscht wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das
Arbeitsgas (A) im Ladekreislauf (100) sowie im Entladekreislauf (200) komprimiert und entspannt wird, sodass der Ladekreislauf (100) sowie der Entladekreislauf (200) je zwei Teilabschnitte umfasst, einen Hochdruckabschnitt (100a, 200a) sowie einen
Niederdruckabschnitt (100b, 200b), sodass das Arbeitsgas (A) im Hochdruckabschnitt (100a, 200a) einen höheren Druck aufweist als im Niederdruckabschnitt (100b, 200b), und dass dem Druckbehälter (301) Arbeitsgas (A) zugeführt oder abgeführt wird, indem der Druckbehälter (301) entweder mit dem Hochdruckteilabschnitt (100a, 200a) oder dem Niederdruckteilabschnitt (100b, 200b) verbunden wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der
gemeinsame Regenerator (120) zumindest zwei und vorzugsweise drei oder vier parallel geschaltete Teilregeneratoren (120a, 120b, 120c, 120d) umfasst, welche einzeln oder in Gruppen mit dem Ladekreislauf (100) beziehungsweise dem Entladekreislauf (200) verbunden werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der
Teilregeneratoren (120a, 120b, 120c, 120d) als Druckbehälter (301) geschaltet wird und dadurch nicht Teil des Ladekreislauf (100) beziehungsweise des Entladekreislauf (200) bildet, und dass dem Druckbehälter (301) Arbeits gas (A) aus dem Ladekreislauf (100) und/oder dem Endladekreislauf (200) zugeführt oder entnommen wird, um den Druck des Arbeitsgases (A) im Ladekreislauf (100) beziehungsweise im Entladekreislauf (200) zu regeln.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das
Arbeitsgas (A) dem Ladekreislauf (100) und/oder dem Endladekreislauf (200) entnommen wird, anschliessend verdichtet wird, und anschliessend dem Druckbehälter (301) zugeführt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Stellungsveränderung der Vorleiträder (110a, 210a) des ersten Turbo Verdichters (110) und des zweiten Turboverdichters (210) und vorzugsweise auch des ersten
Turboexpanders (140) und des zweiten Turboexpanders (250) die vom ersten
Turboverdichter (110) aufgenommene mechanische Leistung und/oder die vom zweiten Turboexpander (250) abgegebene mechanische Leistung geregelt wird.
PCT/EP2016/077319 2015-11-10 2016-11-10 Strom-wärme-strom-speichervorrichtung und verfahren zur lastregelung derselben WO2017081186A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16805013.6A EP3374603B1 (de) 2015-11-10 2016-11-10 Strom-wärme-strom-speichervorrichtung und verfahren zur lastregelung derselben

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP15193987 2015-11-10
EP15193987.3 2015-11-10

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017081186A1 true WO2017081186A1 (de) 2017-05-18

Family

ID=57460467

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2016/077319 WO2017081186A1 (de) 2015-11-10 2016-11-10 Strom-wärme-strom-speichervorrichtung und verfahren zur lastregelung derselben

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP3374603B1 (de)
WO (1) WO2017081186A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018078062A1 (de) * 2016-10-26 2018-05-03 Peter Ortmann Energiespeichervorrichtung sowie verfahren zur speicherung von energie

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2574739A1 (de) 2011-09-29 2013-04-03 Siemens Aktiengesellschaft Anlage zur Speicherung thermischer Energie und Verfahren zu deren Betrieb
DE102011088380A1 (de) * 2011-12-13 2013-06-13 Siemens Aktiengesellschaft Energiespeichervorrichtung mit offenem Ladekreislauf zur Speicherung saisonal anfallender elektrischer Überschussenergie
EP2147193B1 (de) 2007-05-11 2013-10-23 Saipem SA Anlage und verfahren zur speicherung und wiedergewinnung elektrischer energie
WO2013164562A1 (en) 2012-04-30 2013-11-07 Isentropic Ltd Apparatus for storing energy and method of operating an energy storage system comprising such an apparatus
DE102013217607A1 (de) * 2013-09-04 2015-03-05 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren zum Bereitstellen von Dampf und Dampfbereitstellungsvorrichtung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2147193B1 (de) 2007-05-11 2013-10-23 Saipem SA Anlage und verfahren zur speicherung und wiedergewinnung elektrischer energie
EP2574739A1 (de) 2011-09-29 2013-04-03 Siemens Aktiengesellschaft Anlage zur Speicherung thermischer Energie und Verfahren zu deren Betrieb
DE102011088380A1 (de) * 2011-12-13 2013-06-13 Siemens Aktiengesellschaft Energiespeichervorrichtung mit offenem Ladekreislauf zur Speicherung saisonal anfallender elektrischer Überschussenergie
WO2013164562A1 (en) 2012-04-30 2013-11-07 Isentropic Ltd Apparatus for storing energy and method of operating an energy storage system comprising such an apparatus
DE102013217607A1 (de) * 2013-09-04 2015-03-05 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren zum Bereitstellen von Dampf und Dampfbereitstellungsvorrichtung

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018078062A1 (de) * 2016-10-26 2018-05-03 Peter Ortmann Energiespeichervorrichtung sowie verfahren zur speicherung von energie
US10550765B2 (en) 2016-10-26 2020-02-04 Peter Ortmann Energy storage device and method for storing energy

Also Published As

Publication number Publication date
EP3374603A1 (de) 2018-09-19
EP3374603B1 (de) 2019-08-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3286412B1 (de) Energiespeichervorrichtung sowie verfahren zur speicherung von energie
EP3283745B1 (de) Stromspeicherung über thermische speicher und luftturbine
EP2574756B1 (de) Verfahren zum Betrieb eines adiabatischen Druckluftspeicherkraftwerks und adiabatisches Druckluftspeicherkraftwerk
EP2865854A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum zuverlässigen Starten von ORC Systemen
EP2516854A2 (de) Solarthermisches kraftwerk und verfahren zum betrieb eines solarthermischen kraftwerks
DE102009060089A1 (de) Solarthermisches Kraftwerk und Verfahren zum Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks
EP3184807A1 (de) System zur energiespeicherung und -rückgewinnung
EP2815085B1 (de) Leistungsregelung und/oder frequenzregelung bei einem solarthermischen dampfkraftwerk
EP3374603B1 (de) Strom-wärme-strom-speichervorrichtung und verfahren zur lastregelung derselben
EP4244470A1 (de) Thermischer energiespeicher zur speicherung elektrischer energie
DE102019133840B4 (de) Hydropneumatisches Schwungrad zur Energiespeicherung
DE102016119245A1 (de) Druckspeichervorrichtung und Speicherverfahren
WO2015086588A1 (de) Dampfspeicherung mit latentwärmespeicher und dampf-thermokompressor
DE102015117851A1 (de) Fluidsystem und Verfahren zum Steuern eines Fluidsystems
WO2015028366A2 (de) Betriebsverfahren für einen extern beheizten zwangdurchlaufdampferzeuger
EP3076110A1 (de) Fluidsystem und verfahren zum steuern eines fluidsystems
EP3511534A1 (de) Dampfkraftwerk und verfahren zum betreiben eines dampfkraftwerks
DE102004034657A1 (de) Kraftwerksanlage
WO2004005685A1 (de) Verfahren zum betrieb einer kraftspeicher-krafterzeugungsanlage
WO2013056752A1 (de) Solarthermisches kraftwerk sowie verfahren zum betreiben eines solarthermischen kraftwerks
AT13733U1 (de) Druckspeicher
EP3816413A1 (de) Druckregelung für geschlossene joule-kreisprozesse
DE102012204219A1 (de) Leistungsregelung und/oder Frequenzregelung bei einem solarthermischen Dampfkraftwerk
CH281557A (de) Gasturbinenanlage.
WO2014032827A1 (de) Vorrichtung zur schnellen wirkleistungsänderung von kraftwerksanlagen

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16805013

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2016805013

Country of ref document: EP