WO2017220529A1 - Verfahren zum speichern eines speicherfluids und system zum speichern eines speicherfluids - Google Patents

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WO2017220529A1
WO2017220529A1 PCT/EP2017/065013 EP2017065013W WO2017220529A1 WO 2017220529 A1 WO2017220529 A1 WO 2017220529A1 EP 2017065013 W EP2017065013 W EP 2017065013W WO 2017220529 A1 WO2017220529 A1 WO 2017220529A1
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fluid
storage
storage fluid
heat exchange
compression
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PCT/EP2017/065013
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Inventor
Stephan Herrmann
Steffen Kahlert
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Technische Universität München
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/14—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads
    • F02C6/16—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads for storing compressed air
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the invention relates to a method for storing a storage fluid, an energy storage method and a system for storing a storage fluid.
  • the invention is based on the object of specifying a method for storing a storage fluid, an energy storage method and a device for storing a storage fluid, in which a storage fluid in a pressure accumulator with particularly simple means in an efficient manner and with a high degree of security - And can be stored.
  • the object underlying the invention is in a method for storing a storage fluid according to the invention with the features of independent claim 1, in an energy storage method according to the invention with the features of independent claim 13 and in a system for storing a storage fluid according to the invention with the features of independent claim 14 solved.
  • Advantageous developments are the subject of the respective dependent claims.
  • the compression of the storage fluid is coupled to the expansion of the heat exchange fluid
  • the expansion of the storage fluid is coupled to the compression of the heat exchange fluid
  • / or the coupling is performed by exchange of work, wherein in particular work released during expansion causes the drive of a compression
  • the compression and / or the expansion can each be performed adiabatically or substantially adiabatically.
  • the amount of heat released during compression is retained in the system and is not lost.
  • the amount of heat is absorbed by the cooling during the expansion of the medium from the compression-heating medium. This can be done directly in a heat exchanger or indirectly via a heat-transporting intermediate medium.
  • ice formation during expansion is prevented because, due to the amount of heat provided, cooling down of the expanded medium below the dew point or the ice point is avoided.
  • Another core of the invention is the coupling of compression and expansion of the storage fluid with expansion or compression of a heat exchange fluid while performing work.
  • all processes of transferring a quantity of heat between the storage fluid and the heat exchange fluid should be included. That is, it can be a positive amount of heat - ie heat - be transferred, namely by energy transfer from the warmer fluid to the colder fluid.
  • the inventive concept can also be understood in connection with the transfer of a negative amount of heat - ie cold - from the colder fluid to the warmer fluid, namely physically also by energy transfer from the warmer fluid to the colder fluid.
  • the compression of the storage fluid is or is coupled with the expansion of the heat exchange fluid
  • the expansion of the storage fluid is coupled with the compression of the heat exchange fluid and / or the coupling is performed with the exchange of work, in particular mechanical work.
  • mechanical work is used to effect the drive of a compression.
  • the coupling and / or the exchange of work can be done directly or indirectly, hydraulically and / or electrically.
  • the replacement of an amount of heat can be done indirectly via another heat transfer medium.
  • the heat exchange fluid when storing the storage fluid, the heat exchange fluid is transferred from a state at a higher pressure p2a to a state at a lower pressure p2e, and / or when storing the storage fluid, the heat exchange fluid from a state at a lower pressure p2e to a state transferred to a higher pressure p2a. Due to the internal heat recovery and the associated high efficiencies also far higher end pressures than previously generated in the storage fluid, so that there is also a possible reduction in the volume of a process underlying the storage system due to the higher compression rate.
  • the lower pressure p2e of the heat exchange fluid is lower than the lower pressure p1 a of the storage fluid in the stored state and preferably corresponds to an atmospheric or ambient pressure. Lower pressures are possible, e.g. when the heat exchange fluid is a vapor.
  • the higher pressure p2a of the heat exchange fluid corresponds to the lower pressure p1 a of the storage fluid in the retracted state.
  • the storage fluid and the heat exchange fluid are formed by the same compressible fluid. In this case, in particular air can be used.
  • the storage fluid and the heat exchange fluid may be taken from the same source.
  • the mass flows may be chosen so that the heat capacities of the heat exchanging streams are the same in each case. This is done by choosing an at least rational mass flow ratio, which can be chosen particularly easily to 1: 1, and optionally by dividing the mass flows to different heat exchangers.
  • the method according to the invention makes possible a particularly simple procedure and a particularly economical structure for a plant underlying the method if the storage fluid and the heat exchange fluid (A) are taken from a common source when the storage fluid is stored, in particular by splitting a source stream, preferably in a rational mass flow ratio, and more preferably in a ratio of 1: 1, and / or (B) when the storage fluid is being discharged to a common sink, in particular back to a source.
  • a drying via adsorption or absorption and / or a regeneration with dry and / or warm fluid are carried out on the storage fluid and / or on the heat exchange fluid.
  • an energy storage method in which energy of a first form, in particular mechanical energy and / or electrical energy, is converted into pressure energy of a compressible storage fluid or obtained from pressure energy of the storage fluid.
  • the storage fluid is in particular stored according to an embodiment of the method according to the invention for storing a storage fluid, that is stored or stored with respect to a reservoir for the storage fluid.
  • a system for storing a storage fluid is also provided.
  • This is particularly adapted and has means to perform a method of storing a storage fluid according to the present invention or to be used in such a method.
  • the inventive system for storing a storage fluid is in particular formed with a transfer unit for transferring the storage fluid between a stored state at a lower pressure p1 a and a stored state at a higher pressure p1 e.
  • the transfer unit has a compression-expansion unit, which is adapted to compress the storage fluid to the higher pressure p1 e and to corresponding - especially simultaneous - expansion of the heat exchange fluid when storing the storage fluid and for adiabatic expansion of the storage fluid to the lower pressure p1 a and corresponding - in particular simultaneous - compression of the heat exchange fluid during the storage of the storage fluid.
  • a common for the storage fluid and the heat exchange fluid heat exchange unit is formed, which is adapted to emit during storage in the compression of the storage fluid an amount of heat released to the heat exchange fluid and remove during storage in the expansion of the storage fluid a required amount of heat from the heat exchange fluid.
  • the system is further configured to couple the compression of the storage fluid with the expansion of the heat exchange fluid, to couple the expansion of the storage fluid with the compression of the heat exchange fluid, and to effect the coupling by exchange of work, in particular work done to expand a storage medium Compression is used.
  • a key aspect of the storage fluid storage system of the present invention is thus the provision of a compression-expansion unit and a heat exchange unit common to the storage fluid and the heat exchange fluid within a transfer unit.
  • the inventively provided common heat exchange unit causes the exchange of heat between the heat exchange fluid and the storage fluid in connection with the guided by the compression-expansion unit compressions and expansions on the storage fluid on the one hand and the heat exchange fluid on the other.
  • the compression-expansion unit comprises a first compression-expansion device for the storage fluid and a second compression-expansion device for the heat exchange fluid.
  • the first and second compression-expansion means are mutually interchangeable with one another-in particular via a common shaft and / or a gearbox-and are coupled in such a way that work released during expansion causes the drive to be compressed.
  • the work can also be done in an electric generator electrical energy is converted and delivered in the form of electric current to an electric motor that drives the compressor.
  • a coupling of the compression-expansion devices of the storage fluid and the heat exchange fluid takes place via the exchange of work, so that any compression energetically from expansion - at least partially - is operable.
  • the exchange of heat from the storage fluid to the heat exchange fluid can also be done indirectly via a third heat transfer fluid.
  • turbochargers For compression, all the usual compressor types are suitable, but in particular, turbochargers can be used with the existing mechanical coupling.
  • reciprocating compressors can be used, in particular free piston machines, by simultaneously compressing one fluid and expanding another fluid, or mechanically driven double pistons.
  • the power required for the compensation of the losses can also be effected via a separate electrically or mechanically driven compressor.
  • Figures 1 and 2 are schematic block diagrams showing a first embodiment of the storage fluid storage system of the present invention in the context of a process of storing and discharging the storage fluid, respectively.
  • FIGS. 3A to 4B also show different types of schematic block diagrams
  • Embodiments of the storage fluid storage system of the present invention in the context of storage and retrieval operations using two-stage compression and expansion processes.
  • FIGS. 5 to 8 show schematic pV and TS diagrams for corresponding idealized processes of storage and withdrawal for embodiments of systems according to the invention for storing a O
  • FIGS. 9 to 16 show schematic block diagrams of other embodiments of the system according to the invention for storing a storage fluid.
  • embodiments of the invention will be described in detail with reference to FIGS. Identical and equivalent as well as equivalent or equivalent elements and components are designated by the same reference numerals. Not in every case of their occurrence, the detailed description of the designated elements and components is reproduced.
  • the illustrated features and other properties can be isolated in any form from each other and combined with each other, without departing from the gist of the invention.
  • FIGS. 1 and 2 a first embodiment of the system 100 for storing a storage fluid 1 according to the present invention will be described.
  • the system 100 for storing a storage fluid 1 shown in FIGS. 1 and 2 is based on a one-stage process of compression and expansion.
  • the basic conception can also be transferred from FIGS. 1 and 2 to the illustration of the further embodiments of the system 100 according to the invention for storing a storage fluid 1 according to the further FIGS. 3A to 4B.
  • the system 100 according to the invention for storing a storage fluid 1 is also referred to as a storage system or accumulator system. In the following, these terms are used synonymously.
  • the inventive system 100 for storing a storage fluid 1 illustrated in FIGS. 1 and 2 consists in essence of a source 10, which is also referred to as a source unit, and a storage unit 50, which is also referred to as storage, and of the storage of the storage fluid 1 increased pressure p1 e is used.
  • a transfer unit 20 For transferring the storage fluid 1 from the source 10 with a lower pressure p1 a to the memory 50 with a higher pressure p1 e, a transfer unit 20 is formed.
  • the transfer unit 20 consists of a compression expansion unit 30, a heat exchange unit 40 and conduit systems 60 and 70 for the storage fluid 1 and for the heat exchange fluid 2.
  • the conduit systems 60 and 70 are each formed by a plurality of lines 61 to 63 and 71 to 73, respectively.
  • the source 10 may be a common source of compressed air, for example a compressed air tank, or the outlet of a compressor. However, any other sources or sub-sources are conceivable in combination with each other.
  • the storage fluid 1 from a pressure fluid source 1 1 of the source unit 10 of a first compression-expansion device 31 of the compression-expansion unit 30 is supplied.
  • the storage fluid 1 is compressed from a state having a comparatively lower pressure p1 a to a state having a comparatively higher pressure p1 e.
  • the temperature initially also increases from a comparatively lower value T1 a to a comparatively higher intermediate value Ti e '.
  • the compression in the first compression expansion device 31 is performed by connecting a heat exchanger 41 of the heat exchange unit 40 in an adiabatic and total isothermal process by a heat quantity from the compressed storage fluid 1 is coupled in the heat exchanger 41, so that after passing through the heat exchanger 41st in the region of the line 63 leading to the storage unit 50, a temperature Ti e which is comparatively lower than the temperature Ti e is set in the storage fluid 1, in particular after storage in the storage unit 50.
  • This storage temperature Ti e can in particular match or almost coincide with the first and comparatively lower starting temperature T1 a.
  • the heat released in the heat exchanger 41 from the storage fluid 1 amount of heat is not lost, but is used to heat the heat exchange fluid 2.
  • the heat exchange fluid 2 is branched off in the embodiment of Figure 1 via a line 71 as a branched volume flow from the pressure fluid source 1 1 of the source unit 10, passes through the heat exchanger 41, there receives the amount of heat from the compressed storage fluid 1 and then passes through the line 72 in the second compression-expansion device 32 of the compression-expansion unit 30.
  • the heat exchange fluid 2 may alternatively be supplied wholly or partly from a separate source.
  • the heat exchange fluid 2 initially has a comparatively lower pressure p2a, which in this special case is identical to the first one due to the branching of the heat exchange fluid 2 from the same fluid source 11 comparatively lower pressure p1 a of the storage fluid 1 in the stored state.
  • the temperature of the heat exchange fluid After passing through the heat exchanger 41, the temperature of the heat exchange fluid is raised from the comparatively low value T2a to a comparatively higher intermediate value T2a '.
  • the heat exchange fluid 2 After the adiabatic expansion in the second compression-expansion device 32 for the heat exchange fluid 2, the heat exchange fluid 2 returns via the line 73 back to the source unit 10 and there, for example, in the environment 13 or alternatively in a reservoir with a higher pressure level.
  • the second and comparatively lower pressure p2e of the heat exchange fluid 2 set up in the second compression expansion device 32 can here correspond to the atmospheric pressure and, for example, be lower than the first and lower pressure p1 a of the storage fluid 1 in the original or stored state in the pressure fluid source 11 ,
  • FIG. 2 shows the system 100 shown in FIG. 1 with regard to storage for storing a storage fluid 1 in connection with an operation of the withdrawal. Dumping occurs in the context of a one-step compression-expansion process.
  • the storage fluid 1 which is in a state with a second and relatively higher pressure p1 e, drained via line 63, passes through the heat exchanger 41 of the heat exchange unit 40 and thereby absorbs a quantity of heat from the heat exchange fluid 2, so as to get temporarily from a lower temperature Ti e to a higher intermediate temperature T1 a '. It is then supplied via the line 62 to the first compression-expansion device 31 for the storage fluid 1, which now acts as an expander.
  • the storage fluid 1 is a state with a comparatively lower pressure p1 a, which corresponds to the original pressure state from the source unit 10, and then passes via the line 61 back into the source unit 10, which acts in this context as a sink 12 for the storage fluid 1.
  • the source unit 10 and there, for example, the environment 13 via the conduit 73, the heat exchange fluid 2 is removed.
  • the second compression-expansion device 32 for the heat exchange fluid 2 supplied for compression which is fed via the work resulting from the expansion of the storage fluid 1 work, and passes with increased temperature T2a 'via the line 72 to the heat exchanger 41 to there the To provide amount of heat to the pressure fluid 1 for the adiabatic expansion.
  • FIGS. 15 and 16 show in each case generalizations of the embodiments of the pressure accumulator system 100 according to the invention from FIGS. 1 and 2 for the storing process.
  • the source unit 10 consists of three source components 10-1, 10-2 and 10-3, via which, in cooperation with the memory unit 50, the pressure and temperature levels p1 a, p1 e; T1 a, Ti e and p2a, p2e; T2a, T2e of the storage fluid 1 and the heat exchange fluid 2 in the stored and stored in the stored state of the storage fluid 1 can be realized.
  • heat of compression from the compression of the storage fluid 1 is transferred to the heat exchange fluid 2 to be expanded.
  • expansion cold is transferred from the expansion of the heat exchange fluid 2 to the storage fluid 1 to be compressed.
  • Figures 3A, 3B and 4A, 4B show an embodiment of the system 100 according to the invention for storing a storage fluid 1, which is constructed on the basis of a two-stage compression-expansion process and which therefore two compression-expansion devices 31, 31 'and 32, 32' for the storage fluid 1 and for the heat exchange fluid 2 and corresponding first and second common heat exchangers 41 and 42 in the heat exchange unit 40 has.
  • additional lines 61 ' , 62 ' , 72 ', 73' in the conduit systems 60 and 70 are formed.
  • FIGS. 3B and 4B each show specific embodiments with specific values for pressure and temperature.
  • FIGS. 5 to 8 in the form of p-V and T-S diagrams, show thermodynamic aspects of the operation of the embodiment of the inventive system 100 for storing a storage fluid 1 according to FIGS. 1 and 2.
  • a 2 kg / s share of a stream of compressed air is stored and re-stored as storage fluid 1 using the newly developed concept.
  • the compressed air is split.
  • a first partial flow - of e.g. 1 kg / s and indicated by 1 in Figures 1 to 4B, is subjected to mechanical work to a high pressure level of e.g. p1 e 100 bar, whereby it heats up.
  • the first partial flow 1 is stored at the high pressure p1 e.
  • FIGS. 3A and 3B show the described process of storing in a particularly efficient two-stage variant.
  • 2 kg / s of compressed air from the process pressure are available again.
  • Figures 4A and 4B show the two-stage compaction and expansion dump process.
  • the system 100 stores instead of 2 kg / s of compressed air at 10 bar the potential energy of the compressed air as storage fluid 2 in the form of 1 kg / s of compressed air at 100 bar.
  • the required storage volume is thus reduced by a factor of 20 in the example.
  • compression / expansion stages can be used with rational ratios of the mass flows, e.g. 2: 3, i. compressed air of 5 kg / s as storage fluid 1 at the inlet 2 kg / s is compressed in three stages and 3 kg / s is released in two stages. Decisive here is that the efficiency of the plant is highest, if the at
  • Compaction resulting heat corresponds exactly to the heat demand of the air flow to be expanded, so that neither cold, nor warm air is discharged into the environment or to the memory. If one of the two mass flows is increased, its pressure ratio must therefore be lowered.
  • two different media eg air and natural gas, steam and air, etc.
  • the efficiency is optimal when the cumulative heat capacity of both streams is the same. This can be used for example in a natural gas storage facility (cavern), where for storing a Pressure increase and for the removal of a pressure reduction is necessary. In this case, energy can be saved if the potential energy of the compression is stored, for example in the form of compressed air.
  • the expanded compressed air has a low relative humidity and can be used in compressed air systems as purge air for a membrane dryer.
  • Excess steam at a low pressure level can be used in industrial plants to produce compressed air or to re-use compressed air waste heat.
  • the system configuration can be used particularly advantageously for high-pressure storage in compressed-air storage power plants with high-pressure storage (200 bar to 500 bar), the advantage being the reduced storage volume and the reconversion of the heat.
  • Accumulating residual heat with fluid temperatures of e.g. 50 ° C to 100 ° C can be used for heating purposes.
  • a core of an embodiment of the present invention is the simultaneous compression and expansion of heat exchange media, which advantageously largely replaces the exergy content of the heat of compression, that is, the usable portion of the energy.
  • the discharge of the storage fluids 1 is the inverse of 3 and 3 ' to 1 and 1 ' .
  • the level 3 ' corresponds to the ambient pressure and the ambient temperature.
  • the optimum mass flow ratio between storage fluid 1 to heat exchange fluid 2 is dependent on the selected pressure levels.
  • the pressure levels of 1 bar, 10 bar and 100 bar are selected so that the pressure ratio of the compression at 10 is equal to the pressure ratio of the expansion at 10.
  • Ein agenda- and cooling gas flow are the same size c
  • the proportion of recuperated heat and thus also the system efficiency are at a maximum. If the compression ratio in densification is e.g. 100 (2x compression by a factor of 10 with subsequent cooling), if possible only half as much mass flow should be compressed as is released (the mass flow to be expanded is divided into two parts before expansion, which each time absorb the heat of the compressed air).
  • the heat capacities Ci, C 2 of the material flows in the heat exchangers 40, 41 must be the same for different media, so that the lowest possible exergy losses occur. If necessary, then different pressure conditions must be selected for an ideally ideal process (so that the "temperature swing" is equal.)
  • the superiority of the invention results not only from the energy balance with less losses but essentially from the smaller components, depending on the system structure at least halved amount of stored gas compared to the conventional storage process, etc.
  • a liquid separation does not occur during storage since only dry net compressed air is already expanded / compressed. Possibly.
  • a small amount of condensate accumulates in the high-pressure air which is removed. Rather, liquid must be deposited during the removal, since fresh air is sucked in from the environment. This is then compressed to the network pressure and cooled in the heat exchanger. In this case, excess water condenses out.
  • the compressed air that is released from the high-pressure accumulator into the normal compressed air network have a very low relative humidity and thus improves the compressed air quality and in turn reduces the need for drying.
  • FIGS. 11 and 12 show a storage system 100 according to the invention for the storage state or the withdrawal state, in which a non-externally driven turbocharger 35 with compression-expansion devices 31, 32 and a driven booster compressor 36 as components of the compression-expansion unit 30 are formed.
  • FIG. 13 shows, for the storage state, an embodiment of the storage system 100 according to the invention with a directly driven double piston pressure booster 37 as a component of the compression-expansion unit 30.
  • FIG. 14 shows, for the injection state, an embodiment of the memory system 100 according to the invention with a simple pressure booster 38 and a booster compressor 36 as components of the compression-expansion unit 30.
  • a simple pressure booster 38 and a booster compressor 36 as components of the compression-expansion unit 30.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine System (100) zum Speichern eines Speicherfluids (1), bei welchen das Speicherfluid (1) zwischen einem ausgespeicherten Zustand bei einem niedrigerem Druck (p1a) und einem eingespeicherten Zustand bei einem höherem Druck (p1e) übertragen wird und beim Einspeichern der höhere Druck (p1e) des Speicherfluids (1) durch Kompression und beim Ausspeichern der niedrigere Druck (p1a) des Speicherfluids (1) durch Expansion des Speicherfluids (1) eingestellt werden, indem beim Einspeichern bei der Kompression des Speicherfluids (1) eine frei werdende Wärmemenge an ein Warmetauschfluid (2) abgegeben und beim Ausspeichern bei der Expansion des Speicherfluids (1) eine benötigte Wärmemenge aus dem Wärmetauschfluid (2) entnommen wird und indem das Wärmetauschfluid (2) beim Einspeichern des Speicherfluids (1) entsprechend - insbesondere simultan - expandiert und beim Ausspeichern des Speicherfluids (1) entsprechend - insbesondere simultan - komprimiert.

Description

VERFAHREN ZUM SPEICHERN EINES SPEICHERFLUIDS UND SYSTEM
ZUM SPEICHERN EINES SPEICHERFLUIDS
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speichern eines Speicherfluids, ein Energiespeicherverfahren sowie ein System zum Speichern eines Speicherfluids.
In industriellen Prozessen und Prozessen der Energiewirtschaft ist die Nutzung komprimierter Gase verbreitet. Die Bereitstellung ist mit einem hohen Energie- und Anlagenaufwand verbunden. Die Speicherung von Prozessmedien unter hohem Druck, insbesondere die Speicherung von Druckluft, bietet viele Vorteile, ist aber aufgrund der bisher geringen Anlagenwirkungsgrade nicht üblich.
Aus der EP 2 530 282 A1 und aus der DE 10 2010 050 428 A1 sind Druckspeicherkraftwerke bekannt. Problematisch sind bei herkömmlichen Speicherverfahren und Speichersystemen (a) mit den dort vorgesehenen Druckumwandlungsvorgängen im Zusammenhang stehende Wärmeverluste, (b) das Risiko der Eisbildung bei der Rückgewinnung der Energie auf Grund der Expansion der verwendeten Druckmedien und (c) die bisher notwendige Baugröße der Druckspeicher. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Speichern eines Speicherfluids, ein Energiespeicherverfahren sowie eine Vorrichtung zum Speichern eines Speicherfluids anzugeben, bei welchen mit besonders einfachen Mitteln in effizienter Art und Weise und mit einem hohen Maß an Sicherheit ein Speicherfluid in einem Druckspeicher ein- und ausgespeichert werden kann. Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Speichern eines Speicherfluids erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 , bei einem Energiespeicherverfahren erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 13 sowie bei einem System zum Speichern eines Speicherfluids erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Speichern eines Speicherfluids geschaffen, bei welchem das Speicherfluid zwischen einem ausgespeicherten Zustand bei einem niedrigeren Druck p1 a und einem eingespeicherten Zustand bei einem höheren Druck p1 e übertragen wird und beim Einspeichern der höhere Druck p1 e des Speicherfluids durch Kompression des Speicherfluids und beim Ausspeichern der niedrigere Druck p1 a des Speicherfluids durch adiabatische Expansion des Speicherfluids eingestellt werden, wobei beim Einspeichern bei der Kompression des Speicherfluids und beim Ausspeichern vor der Expansion des Speicherfluids eine Wärmemenge mit dem Wärmetauschfluid ganz oder teilweise ausgetauscht wird und indem das Wärmetauschfluid beim Einspeichern des Speicherfluids entsprechend - insbesondere simultan - expandiert und beim Ausspeichern des Speicherfluids entsprechend - insbesondere simultan - komprimiert wird.
Des Weiteren ist oder wird erfindungsgemäß die Kompression des Speicherfluids mit der Expansion des Wärmetauschfluids gekoppelt, die Expansion des Speicherfluids mit der Kompression des Wärmetauschfluids gekoppelt und/oder die Kopplung unter Austausch von Arbeit durchgeführt, wobei insbesondere bei einer Expansion freiwerdende Arbeit den Antrieb einer Kompression bewirkt.
Die Kompression und/oder die Expansion können jeweils adiabatisch oder im Wesentlichen adiabatisch durchgeführt werden.
Es ist also ein Kern der vorliegenden Erfindung, die beim Ein- und Ausspeichern des Speicherfluids erfolgenden Kompressionen und Expansionen durchzuführen und bei einer Kompression frei werdende Energie einem Wärmeaustauschfluid bereitzustellen beziehungsweise die für die entsprechende Expansion benötigte Wärmemenge diesem Wärmeaustauschfluid wieder zu entnehmen, um das bei der Expansion abgebaute Enthalpiegefälle zu kompensieren. Auf diese Weise bleibt die bei einer Kompression frei werdende Wärmemenge im System erhalten und geht nicht verloren. Die Wärmemenge wird von dem bei der Expansion sich abkühlenden Medium aus dem bei der Kompression sich erwärmenden Medium aufgenommen. Dies kann direkt in einem Wärmetauscher oder indirekt über ein wärmetransportierendes Zwischenmedium erfolgen. Des Weiteren wird eine Eisbildung beim Expandieren verhindert, weil auf Grund der bereitgestellten Wärmemenge ein Herunterkühlen des expandierten Mediums unter den Taupunkt oder den Eispunkt vermieden wird. Ein weiterer Kern der Erfindung ist die Kopplung von Kompression und Expansion des Speicherfluids mit einer Expansion bzw. Kompression eines Wärmetauschfluids unter Verrichtung bzw. Aufnahme von Arbeit.
Im Sinne der Erfindung sollen sämtliche Prozesse der Übertragung einer Wärmemenge zwischen dem Speicherfluid und dem Wärmetauschfluid umfasst sein. D.h., es kann eine positive Wärmemenge - also Wärme - übertragen werden, nämlich durch Energieübergang vom wärmeren Fluid zum kälteren Fluid. Andererseits kann das erfindungsgemäße Konzept auch aufgefasst werden im Zusammenhang mit der Übertragung einer negativen Wärmemenge - also von Kälte - vom kälteren Fluid zum wärmeren Fluid, nämlich physikalisch ebenfalls durch Energieübergang vom wärmeren Fluid zum kälteren Fluid.
Insbesondere kann beim Einspeichern bei der Kompression des Speicherfluids eine frei werdende Wärmemenge an das Wärmetauschfluid abgegeben und beim Ausspeichern bei der Expansion des Speicherfluids eine benötigte Wärmemenge aus dem Wärmetauschfluid entnommen werden. Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Speichern eines Speicherfluids ist oder wird die Kompression des Speicherfluids mit der Expansion des Wärmetauschfluids gekoppelt, die Expansion des Speicherfluids mit der Kompression des Wärmetauschfluids gekoppelt und/oder die Kopplung unter Austausch von Arbeit durchgeführt, insbesondere von mechanischer Arbeit. Insbesondere wird bei einer Expansion freiwerdende mechanische Arbeit verwendet, um den Antrieb einer Kompression zu bewirken. Durch die Kopplung über den Austausch von Arbeit kann ein besonders effizienter Prozessverlauf erzielt werden, weil die für die Kompression benötigte Energie aus einer jeweils parallel stattfindenden Expansion gewonnen werden kann. Ausschließlich etwaig auftretende Verluste wären durch den Betrieb eines zusätzlichen Aggregats, zum Beispiel eines Motors oder dergleichen, zu kompensieren.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung können die Kopplung und/oder der Austausch von Arbeit direkt oder indirekt, hydraulisch und/oder elektrisch erfolgen.
Insbesondere kann der Austausch einer Wärmemenge indirekt über ein weiteres Wärmeträgermedium erfolgen. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltungsform wird beim Einspeichern des Speicherfluids das Wärmetauschfluid von einem Zustand bei einem höheren Druck p2a in einen Zustand bei einem niedrigeren Druck p2e überführt und/oder beim Ausspeichern des Speicherfluids das Wärmetauschfluid von einem Zustand bei einem niedrigeren Druck p2e in einen Zustand bei einem höheren Druck p2a überführt. Auf Grund der internen Wärmerückführung und den damit verbundenen hohen Wirkungsgraden können auch weitaus höhere Enddrücke als bisher beim Speicherfluid erzeugt werden, so dass sich auch eine mögliche Verringerung des Bauvolumens einer dem Verfahren zu Grunde liegenden Speicheranlage auf Grund der höheren Kompressionsrate ergibt.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der niedrigere Druck p2e des Wärmetauschfluids niedriger ist als der niedrigere Druck p1 a des Speicherfluids im ausgespeicherten Zustand und entspricht vorzugsweise einem Atmosphären- oder Umgebungsdruck. Es sind auch niedrigere Drücke möglich, z.B. wenn es sich bei dem Wärmetauschfluid um einen Dampf handelt.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann es bei einer anderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass der höhere Druck p2a des Wärmetauschfluids dem niedrigeren Druck p1 a des Speicherfluids im ausgespeicherten Zustand entspricht. Besonders einfache Verhältnisse stellen sich ein, wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Speicherfluid und das Wärmeaustauschfluid von demselben kompressiblen Fluid gebildet werden. Dabei kann insbesondere Luft verwendet werden. Ferner können alternativ oder zusätzlich das Speicherfluid und das Wärmeaustauschfluid aus derselben Quelle entnommen sein.
Es lassen sich weitere prozesstechnische Vorteile und ein besonders geeigneter konstruktiver Aufbau für eine dem Verfahren zu Grunde liegende Anlage erreichen, wenn das das Einspeichern und/oder das Ausspeichern des Speicherfluids mit einer Mehrzahl auf einander folgender adiabatischer Kompressions- bzw. Expansionsschritte am Speicherfluid erfolgen, insbesondere mit einer entsprechenden Anzahl von thermisch, mechanisch und/oder elektrisch gekoppelten adiabatischen Expansions- bzw. Kompressionsschritten am Wärmetauschfluid und/oder mit isobaren Wärmetauschschritten mit dem Wärmetauschfluid. Bei hohen Druckverhältnissen zwischen p1 e und p1 a bzw. zwischen p2e und p2a können durch die mehrstufige Ausführung hohe Temperaturen und damit verbundene Verluste und höhere Materialanforderungen - insbesondere in den Kompressoren und in den Wärmetauschern - vermieden werden.
Allgemein können für maximale Effizienz die Massenströme so gewählt werden, dass jeweils die Wärmekapazitäten der Wärme tauschenden Ströme gleich sind. Dies geschieht über die Wahl eines zumindest rationalen Massenstromverhältnisses, welches besonders einfach zu 1 :1 gewählt werden kann, und gegebenenfalls durch Aufteilung der Massenströme auf verschiedene Wärmetauscher. c
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere dann einen besonders einfachen Ablauf und eine besonders ökonomische Struktur für eine dem Verfahren zu Grunde liegende Anlage, wenn das Speicherfluid und das Warmetauschfluid (A) beim Einspeichern des Speicherfluids aus einer gemeinsamen Quelle entnommen werden, insbesondere durch Aufspalten eines Quellenstroms, vorzugsweise in einem rationalen Massenstromverhältnis und weiter bevorzugt im Verhältnis 1 :1 , und/oder (B) beim Ausspeichern des Speicherfluids an eine gemeinsame Senke abgegeben werden, insbesondere zurück an eine Quelle.
Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden am Speicherfluid und/oder am Wärmetauschfluid eine Trocknung über Adsorption oder Absorption und/oder eine Regenerierung mit trockenem und/oder warmem Fluid durchgeführt.
Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass Wärme und/oder Kälte entnommen werden, insbesondere für eine externe Nutzung, in Form von Hochtemperaturwärme und/oder bis zu einer Verdichtungsendtemperatur. Ferner ist es alternativ oder zusätzlich denkbar eine Wärmemenge in Form von Kälte zu übertragen, wobei insbesondere vor einer Kompression des Speicherfluids dieses abgekühlt wird, vorzugsweise durch die Kälte, die durch eine Expansion des Wärmetauschfluids erzeugt wird, wobei das Wärmetauschfluid vor der Expansion insbesondere nicht erwärmt wird. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Energiespeicherverfahren geschaffen, bei welchem Energie einer ersten Form, insbesondere mechanische Energie und/oder elektrische Energie, in Druckenergie eines kompressiblen Speicherfluids gewandelt oder aus Druckenergie des Speicherfluids gewonnen wird. Dabei wird das Speicherfluid insbesondere gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Speichern eines Speicherfluids gespeichert, das heißt eingespeichert oder ausgespeichert im Hinblick auf ein Reservoir für das Speicherfluid.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein System zum Speichern eines Speicherfluids geschaffen. Dieses ist insbesondere dazu ausgebildet und weist Mittel auf, ein Verfahren zum Speichern eines Speicherfluids gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen oder in einem solchen Verfahren verwendet zu werden.
Das erfindungsgemäße System zum Speichern eines Speicherfluids ist insbesondere ausgebildet mit einer Transfereinheit zum Übertragen des Speicherfluids zwischen einem ausgespeicherten Zustand bei einem niedrigerem Druck p1 a und einem eingespeicherten Zustand bei einem höherem Druck p1 e. Die Transfereinheit weist eine Kompressions-Expansions-Einheit auf, welche eingerichtet ist zur Kompression des Speicherfluids zum höheren Druck p1 e und zur entsprechenden - insbesondere simultanen - Expansion des Warmetauschfluids beim Einspeichern des Speicherfluids und zur adiabatischen Expansion des Speicherfluids zum niedrigeren Druck p1 a und zur entsprechenden - insbesondere simultanen - Kompression des Warmetauschfluids beim Ausspeichern des Speicherfluids.
Ferner ist eine für das Speicherfluid und für das Wärmetauschfluid gemeinsame Wärmetauscheinheit ausgebildet, welche eingerichtet ist, beim Einspeichern bei der Kompression des Speicherfluids eine frei werdende Wärmemenge an das Wärmetauschfluid abzugeben und beim Ausspeichern bei der Expansion des Speicherfluids eine benötigte Wärmemenge aus dem Wärmetauschfluid zu entnehmen.
Das System ist ferner dazu eingerichtet, die Kompression des Speicherfluids mit der Expansion des Wärmetauschfluids zu koppeln, die Expansion des Speicherfluids mit der Kompression des Wärmetauschfluids zu koppeln und die Kopplung unter Austausch von Arbeit zu bewirken, wobei insbesondere bei einer Expansion gewonnene Arbeit zum Antreiben einer Kompression verwendet wird.
Ein Kernaspekt des erfindungsgemäßen Systems zum Speichern eines Speicherfluids ist somit das Vorsehen einer Kompressions-Expansions-Einheit und einer für das Speicherfluid und das Wärmetauschfluid gemeinsamen Wärmetauscheinheit innerhalb einer Transfereinheit.
Dabei bewirkt die erfindungsgemäß vorgesehene gemeinsame Wärmetauscheinheit den Austausch eine Wärmemenge zwischen dem Wärmetauschfluid und dem Speicherfluid im Zusammenhang mit den von der Kompressions-Expansions-Einheit geführten Kompressionen und Expansionen am Speicherfluid einerseits und am Wärmetauschfluid andererseits.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems weist die Kompressions-Expansions-Einheit eine erste Kompressions-Expansions-Einrichtung für das Speicherfluid und eine zweite Kompressions-Expansions-Einrichtung für das Wärmetauschfluid auf. Die erste und die zweite Kompressions-Expansions-Einrichtung sind miteinander zum Austausch von Arbeit - insbesondere über eine gemeinsame Welle und/oder ein Getriebe - und derart gekoppelt sind, dass bei einer Expansion freiwerdende Arbeit den Antrieb einer Kompression bewirkt. Alternativ kann die Arbeit auch in einem elektrischen Generator in elektrische Energie umgewandelt und in Form von elektrischem Strom an einem elektrischen Motor abgegeben werden, der den Kompressor antreibt.
Gemäß dieser Ausgestaltungsform findet eine Kopplung der Kompressions-Expansions- Einrichtungen des Speicherfluids und des Warmetauschfluids über den Austausch von Arbeit statt, so dass eine jegliche Kompression energetisch von einer Expansion - zumindest teilweise - betreibbar ist.
Im Idealfall wird somit nur ein höchstens geringer zusätzlicher mechanischer Antrieb benötigt, nämlich um Verluste auszugleichen.
Der Austausch von Wärme vom Speicherfluid an das Wärmetauschfluid kann auch indirekt über ein drittes Wärmeübertragerfluid erfolgen.
Für die Kompression sind alle üblichen Kompressorarten geeignet, insbesondere können aber auch Turbolader mit der vorhandenen mechanischen Kopplung genutzt werden.
Des Weiteren können Kolbenkompressoren eingesetzt werden, insbesondere auch Freikolbenmaschinen, indem gleichzeitig ein Fluid komprimiert und ein anderes Fluid expandiert werden kann, oder mechanisch angetriebene Doppelkolben.
Die für die Kompensation der Verluste notwendige Leistung kann auch über einen separaten elektrisch oder mechanisch angetriebenen Kompressor erfolgen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Figuren 1 und 2 sind schematische Blockdiagramme, die eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zum Speichern eines Speicherfluids im Zusammenhang mit einem Prozess des Einspeicherns beziehungsweise des Ausspeicherns des Speicherfluids zeigen.
Figuren 3A bis 4B zeigen ebenfalls nach Art schematischer Blockdiagramme andere
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems zum Speichern eines Speicherfluids, und zwar im Zusammenhang mit Vorgängen des Einspeichern und des Ausspeicherns unter Verwendung zweistufiger Kompressions- und Expansionsprozesse.
Figuren 5 bis 8 zeigen schematische p-V- sowie T-S-Diagramme zu entsprechenden idealisierten Prozessen des Einspeicherns und Ausspeicherns für Ausführungsformen erfindungsgemäßer Systeme zum Speichern eines o
Speicherfluids auf der Grundlage zweistufiger Expansions- und Kompressionsprozesse.
Figuren 9 bis 16 zeigen schematische Blockdiagramme zu anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems zum Speichern eines Speicherfluids. Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 16 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben. Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 wird eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 100 zum Speichern eines Speicherfluids 1 beschrieben. Das in den Figuren 1 und 2 gezeigte System 100 zum Speichern eines Speicherfluids 1 beruht auf einem einstufigen Prozess der Kompression und Expansion. Die grundsätzliche Konzeption kann von den Figuren 1 und 2 auch auf die Darstellung der weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems 100 zum Speichern eines Speicherfluids 1 gemäß den weiteren Figuren 3A bis 4B übertragen werden. Im Sinne der Erfindung wird das erfindungsgemäße System 100 zum Speichern eines Speicherfluids 1 auch als Speichersystem oder Druckspeichersystem bezeichnet. Nachfolgend werden diese Begriffe synonym verwendet.
Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße System 100 zum Speichern eines Speicherfluids 1 besteht dem Kern nach aus einer Quelle 10, die auch als Quelleneinheit bezeichnet wird, und einer Speichereinheit 50, die auch als Speicher bezeichnet wird und der Aufnahme des Speicherfluids 1 mit erhöhtem Druck p1 e dient.
Zur Übertragung des Speicherfluids 1 von der Quelle 10 mit geringerem Druck p1 a zum Speicher 50 mit höherem Druck p1 e ist eine Transfereinheit 20 ausgebildet.
Die Transfereinheit 20 besteht aus einer Kompressions-Expansionseinheit 30, einer Wärmetauscheinheit 40 sowie Leitungssystemen 60 und 70 für das Speicherfluid 1 bzw. für das Wärmetauschfluid 2. Die Leitungssysteme 60 und 70 werden jeweils von mehreren Leitungen 61 bis 63 beziehungsweise 71 bis 73 gebildet. Bei der Quelle 10 kann es sich um eine übliche Druckluftquelle handeln, zum Beispiel um einen Drucklufttank, oder um den Ausgang eines Kompressors. Es sind jedoch beliebige andere Quellen oder Teilquellen in Kombination miteinander denkbar.
Über eine Leitung 61 wird das Speicherfluid 1 aus einer Druckfluidquelle 1 1 der Quelleneinheit 10 einer ersten Kompressions-Expansions-Einrichtung 31 der Kompressions-Expansions-Einheit 30 zugeführt.
Dadurch wird das Speicherfluid 1 von einem Zustand mit einem vergleichsweise niedrigeren Druck p1 a zu einem Zustand mit einem vergleichsweise höheren Druck p1 e komprimiert. Dadurch erhöht sich zunächst auch die Temperatur von einem vergleichsweise niedrigeren Wert T1 a zu einem vergleichsweise höheren Zwischenwert Ti e'. Jedoch wird die Kompression in der ersten Kompressions-Expansions-Einrichtung 31 durch Nachschalten eines Wärmetauschers 41 der Wärmetauscheinheit 40 in einem adiabatischen und insgesamt isothermen Prozess geführt, indem im Wärmetauscher 41 eine Wärmemenge vom komprimierten Speicherfluid 1 ausgekoppelt wird, so dass nach Durchlaufen des Wärmetauschers 41 im Bereich der zur Speichereinheit 50 führenden Leitung 63 sich eine zur Temperatur Ti e' vergleichsweise geringere Temperatur Ti e im Speicherfluid 1 einstellt, insbesondere nach Einspeicherung in der Speichereinheit 50.
Diese Speichertemperatur Ti e kann insbesondere mit der ersten und vergleichsweise niedrigeren Ausgangstemperatur T1 a übereinstimmen oder nahezu übereinstimmen.
Erfindungsgemäß geht die im Wärmetauscher 41 vom Speicherfluid 1 abgegebene Wärmemenge nicht verloren, sondern wird dazu genutzt, das Wärmetauschfluid 2 zu erwärmen.
Das Wärmetauschfluid 2 wird in der Ausführungsform der Figur 1 über eine Leitung 71 als abgezweigter Volumenstrom aus der Druckfluidquelle 1 1 der Quelleneinheit 10 abgezweigt, durchläuft den Wärmetauscher 41 , nimmt dort die Wärmemenge vom komprimierten Speicherfluid 1 auf und gelangt dann über die Leitung 72 in die zweite Kompressions- Expansions-Einrichtung 32 der Kompressions-Expansions-Einheit 30.
Dieses Vorgehen ist jedoch nicht zwingend. Vielmehr kann das Wärmetauschfluid 2 alternativ ganz oder teilweise aus einer separaten Quelle zugeführt werden.
Das Wärmetauschfluid 2 besitzt dem Ursprung nach zunächst einen vergleichsweise niedrigeren Druck p2a, welcher in diesem speziellen Fall auf Grund der Abzweigung des Wärmetauschfluids 2 aus derselben Fluidquelle 1 1 identisch ist mit dem ersten vergleichsweise niedrigeren Druck p1 a des Speicherfluids 1 im ausgespeicherten Zustand.
Nach dem Durchlaufen des Wärmetauschers 41 ist die Temperatur des Warmetauschfluids vom vergleichsweise niedrigen Wert T2a auf einen vergleichsweise höheren Zwischenwert T2a' angehoben.
Jedoch erfolgt in der zweiten Kompressions-Expansions-Einrichtung 32 für das Warmetauschfluid 2 in adiabatischer Form eine Expansion, so dass die aus der Kompression des Speicherfluids 1 übernommene Wärmemenge unter Gewinn von mechanischer Arbeit zum Antrieb der Kompression in der ersten Kompressions- Expansions-Einrichtung 31 für das Speicherfluid 1 und unter Abkühlung des Wärmetauschfluids 2 erneut auf einen vergleichsweise niedrigeren Wert T2e abgesenkt wird, der insbesondere identisch sein kann mit dem Wert der ursprünglichen ersten und niedrigeren Temperatur T2a.
Nach der adiabatischen Expansion in der zweiten Kompressions-Expansions- Einrichtung 32 für das Wärmetauschfluid 2, geht das Wärmetauschfluid 2 über die Leitung 73 zurück in die Quelleneinheit 10 und dort zum Beispiel in die Umgebung 13 oder alternativ in ein Reservoir mit höherem Druckniveau.
Der in der zweiten Kompressions-Expansionseinrichtung 32 eingerichtete zweite und vergleichsweise niedrigere Druck p2e des Wärmetauschfluids 2 kann hier dem Atmosphärendruck entsprechen und zum Beispiel auch tiefer liegen als der erste und niedrigere Druck p1 a des Speicherfluids 1 im ursprünglichen oder ausgespeicherten Zustand in der Druckfluidquelle 1 1.
Figur 2 zeigt das in Figur 1 im Hinblick auf das Einspeichern dargestellte System 100 zum Speichern eines Speicherfluids 1 im Zusammenhang mit einem Vorgang des Ausspeicherns. Das Ausspeichern geschieht im Zusammenhang mit einem einstufigen Kompressions-Expansions-Prozess.
Dabei wird aus der Speichereinheit 50 das Speicherfluid 1 , welches sich in einem Zustand mit einem zweiten und vergleichsweise höheren Druck p1 e befindet, über die Leitung 63 abgelassen, durchläuft den Wärmetauscher 41 der Wärmetauscheinheit 40 und nimmt dabei eine Wärmemenge aus dem Wärmetauschfluid 2 auf, um so temporär von einer niedrigeren Temperatur Ti e auf eine höhere Zwischentemperatur T1 a' zu gelangen. Es wird dann über die Leitung 62 der ersten Kompressions-Expansions- Einrichtung 31 für das Speicherfluid 1 zugeführt, die nunmehr als Expander fungiert. Es wird dort einer Expansion unterzogen, wobei das Speicherfluid 1 einen Zustand mit einem vergleichsweise niedrigeren Druck p1 a einnimmt, welcher dem ursprünglichen Druckzustand aus der Quelleneinheit 10 entspricht, und gelangt dann über die Leitung 61 zurück in die Quelleneinheit 10, die in diesem Zusammenhang als Senke 12 für das Speicherfluid 1 fungiert. Andererseits wird der Quelleneinheit 10 und dort zum Beispiel der Umgebung 13 über die Leitung 73 das Wärmeaustauschfluid 2 entnommen. Es wird der zweiten Kompressions-Expansions-Einrichtung 32 für das Wärmetauschfluid 2 zur Kompression zugeführt, welche über die aus der Expansion des Speicherfluids 1 gewonnene Arbeit gespeist wird, und gelangt mit gesteigerter Temperatur T2a' über die Leitung 72 zum Wärmetauscher 41 , um dort die Wärmemenge an das Druckfluid 1 für die adiabatische Expansion bereitzustellen. Über die Leitung 71 gelangt es vereint mit der Leitung 61 nach Durchlaufen des Wärmetauschers 41 zurück in den expandierten Strom des Speicherfluids 1 und mithin zurück in die Quelleneinheit 10, die als Druckfluidsenke 12 fungiert. In beiden Anordnungen der Figuren 1 und 2 werden die Motoren 33 und 33' genutzt, um in nicht idealen Prozessen auftretende Exergieverluste - z.B. Verlust an Arbeitsfähigkeit und/oder potentieller Energie - durch irreversible Prozesse auszugleichen.
Die Figuren 15 und 16 zeigen jeweils für den Einspeichervorgang Verallgemeinerungen der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Druckspeichersystems 100 aus den Figuren 1 und 2.
Bei diesen Verallgemeinerungen besteht die Quelleneinheit 10 aus drei Quellenkomponenten 10-1 , 10-2 und 10-3, über welche im Zusammenwirken mit der Speichereinheit 50 die Druck- und Temperaturniveaus p1 a, p1 e; T1 a, Ti e sowie p2a, p2e; T2a, T2e des Speicherfluids 1 und des Wärmetauschfluids 2 im ausgespeicherten und im eingespeicherten Zustand des Speicherfluids 1 realisiert werden.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 15 wird Kompressionswärme aus der Kompression des Speicherfluids 1 an das zu expandierende Wärmetauschfluid 2 übertragen. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 16 wird Expansionskälte aus der Expansion des Wärmetauschfluids 2 an das zu komprimierende Speicherfluid 1 übertragen.
Die Figuren 3A, 3B und 4A, 4B zeigen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 100 zum Speichern eines Speicherfluids 1 , welche auf der Grundlage eines zweistufigen Kompressions-Expansions-Prozesses aufgebaut ist und welche mithin zwei Kompressions-Expansions-Einrichtungen 31 , 31 ' und 32, 32' für das Speicherfluid 1 bzw. für das Wärmetauschfluid 2 und entsprechend erste und zweite gemeinsame Wärmetauscher 41 beziehungsweise 42 in der Wärmetauscheinheit 40 aufweist. Zur Verbindung sind entsprechende zusätzliche Leitungen 61 ', 62', 72', 73' in den Leitungssystemen 60 bzw. 70 ausgebildet.
Die Figuren 3B und 4B zeigen dabei jeweils konkrete Ausführungsformen mit speziellen Werten für Druck und Temperatur.
Die Figuren 5 bis 8 zeigen in der Form von p-V- und T-S-Diagrammen thermodynamische Aspekte des Betriebs der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 100 zum Speichern eines Speicherfluids 1 gemäß den Figuren 1 und 2.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann z.B. ein Anteil von 2 kg/s eines Stroms an Druckluft mithilfe des neu entwickelten Konzepts als Speicherfluid 1 ein- und wieder ausgespeichert werden. In einem Verhältnis von z.B. 1 :1 wird die Druckluft aufgeteilt. Ein erster Teilstrom - von z.B. 1 kg/s und in den Figuren 1 bis 4B mit 1 gekennzeichnet - wird unter Aufwendung von mechanischer Arbeit auf ein hohes Druckniveau von z.B. p1 e = 100 bar verdichtet, wobei er sich erwärmt.
Die anfallende Wärme wird in einem Wärmeübertrager 40, 41 an den zweiten Teilstromstrom, in den Figuren 1 bis 4B mit 2 bezeichnet, übertragen, wonach der erste Strom 1 wieder nahezu die Ausgangstemperatur Ti e = T1 a erreicht. Anschließend wird der erste Teilstrom 1 auf dem hohen Druck p1 e eingespeichert. Der zweite Teilstrom 2 - z.B. mit 1 kg/s - wird nach Erwärmung auf die Temperatur T2e' unter Gewinnung von Arbeit auf ein niedrigeres Druckniveau von z.B. p2e = 1 bar entspannt, wobei er sich abkühlt und ebenfalls wieder nahezu die Ausgangstemperatur T2e = T2a erreicht. Diese Luft wird dann in die Umgebung entlassen.
Die Figuren 3A und 3B zeigen den beschriebenen Prozess des Einspeicherns in einer besonders effizienten zweistufigen Variante.
Soll die Druckluft als Speicherfluid 1 wieder ausgespeichert werden, so kann 1 kg/s Luft als Wärmetauschfluid 2 aus der Umgebung bei einem Druck p1 e = 1 bar unter Aufwendung von Arbeit auf das mittlere Druckniveau p2a' = 10 bar verdichtet werden. Gleichzeitig wird 1 kg/s Hochdruckluft als Speicherfluid mit p1 e = 100 bar aus dem Speicher 50 entnommen. Die Abwärme der Verdichtung der Umgebungsluft wird an die Hochdruckluft übertragen, worauf diese auf das mittlere Druckniveau p1 a' = 10 bar unter Gewinnung von Arbeit entspannt wird. Es stehen am Ende des Zyklus damit wieder 2 kg/s Druckluft aus dem Prozessdruck zur Verfügung.
Die Figuren 4A und 4B zeigen den Ausspeicherprozess mit zweistufiger Verdichtung und Expansion. Das System 100 speichert anstelle von 2 kg/s Druckluft bei 10 bar die potentielle Energie der Druckluft als Speicherfluid 2 in Form von 1 kg/s Druckluft bei 100 bar. Das benötigte Speichervolumen wird somit im Beispiel um einen Faktor 20 reduziert.
Wenn ideale Wärmetauscher 40, 41 und Verdichter 30, 31 , 31 ', 32, 32' ohne Wärmeverluste zur Verfügung stünden, so wäre das System 100 vollständig reversibel und es würde zur Speicherung keine Arbeit benötigt.
Mit realen Komponenten muss zur Kompensation von Verlusten sowohl während des Ein- wie Ausspeicherns zusätzliche Arbeit aufgewendet werden, z.B. durch den Einsatz eines Antriebs 33, 33'.
Die Integration eines solchen Systems 100 in ein bestehendes Druckluftnetz bietet dem Industriebetrieb die Möglichkeit, seinen Strombedarf zeitlich zu verschieben. Damit können die Stromkosten reduziert werden. Aber es lassen sich auch die Entgelte für die Netznutzung reduzieren, wenn Strombezugsspitzen vermieden werden können. Ein weiterer Vorteil kann die zusätzliche Absicherung der Druckluftversorgung mithilfe des Speichers sein. Back-Up- Kompressoren werden also überflüssig. Verallgemeinerung und Erweiterungen
(1 ) Allgemeiner formuliert können mehrere Kompressions-/Expansionsstufen mit rationalen Verhältnissen der Massenströme eingesetzt werden, z.B. 2:3, d.h. es werden von 5 kg/s Druckluft als Speicherfluid 1 am Eintritt 2 kg/s in drei Stufen verdichtet und 3 kg/s in zwei Stufen entspannt. Entscheidend hierbei ist, dass die Effizienz der Anlage am höchsten ist, wenn die bei der
Verdichtung anfallende Wärme exakt dem Wärmebedarf des zu expandierenden Luftstroms entspricht, sodass weder kalte, noch warme Luft in die Umgebung oder an den Speicher abgegeben wird. Wird einer der beiden Massenströme erhöht, muss somit dessen Druckverhältnis abgesenkt werden. (2) Weiterhin können zwei verschiedene Medien, z.B. Luft und Erdgas, Dampf und Luft, etc., eingesetzt werden. Auch hierbei ist die Effizienz optimal, wenn die kumulierte Wärmekapazität beider Ströme gleich ist. Dies kann beispielsweise bei einer Erdgasspeicheranlage (Kaverne) genutzt werden, wo für das Einspeichern eine Druckerhöhung und für das Ausspeichern eine Druckerniedrigung notwendig ist. Dabei kann Energie eingespart werden, wenn die potentielle Energie der Verdichtung z.B. in Form von Druckluft gespeichert wird.
(3) Entsprechende Anlagen können zudem prinzipiell für noch höhere Drücke kaskadiert werden.
(4) Die entspannte Druckluft weist eine geringe relative Feuchte auf und kann in Druckluftsystemen als Spülluft für einen Membrantrockner genutzt werden.
(5) Überschüssiger Dampf auf niedrigem Druckniveau (z.B. 1 bar) kann in Industrieanlagen zur Drucklufterzeugung genutzt werden oder zur Rückverstromung der Druckluftabwärme dienen.
(6) Besonders vorteilhaft kann die Anlagenkonfiguration zur Hochdruckspeicherung in Druckluftspeicherkraftwerken mit Hochdruckspeicherung (200 bar bis 500 bar) genutzt werden, wobei der Vorteil in dem verringerten Speichervolumen und der Rückverstromung der Wärme besteht. (7) Anfallende Restwärme mit Fluidtemperaturen von z.B. 50 °C bis 100 °C kann für Heizzwecke verwendet werden.
Ein Kern einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die gleichzeitige Kompression und Expansion von Medien mit Wärmetausch, wodurch vorteilhaft der Exergiegehalt der Kompressionswärme, das heißt der nutzbare Anteil der Energie, größtenteils wieder in Arbeit umgesetzt wird.
Aus den Figuren 5, 6 und 7, 8 ergeben sich für das Einspeichern bzw. das Ausspeichern folgende Zusammenhänge:
Das Einspeichern des Speicherfluids 1 umfasst gemäß den Figuren 5 und 6 folgende Vorgänge der adiabatischen Verdichtung 1 => 2, der isobaren Abkühlung 2 => 3, der isobaren Erwärmung 1 ' => 2' und er adiabatischen Expansion 2' => 3'.
Das Ausspeichern der Speicherfluids 1 ist die Umkehrung von 3 und 3' nach 1 und 1 '. Dabei entspricht das Niveau 3' dem Umgebungsdruck und der Umgebungstemperatur.
Das optimale Massenstromverhältnis zwischen Speicherfluid 1 zu Wärmetauschfluid 2 ist abhängig von den gewählten Druckniveaus. Im gezeigten Beispiel der Figuren 3A bis 4B sind die Druckniveaus mit 1 bar, 10 bar und 100 bar so gewählt, dass das Druckverhältnis der Verdichtung bei 10 gleich dem Druckverhältnis der Entspannung bei 10 ist. In diesem Fall sind Einspeicher- und Kühlgasstrom gleich groß c
1 ο
zu wählen, damit der Anteil an rekuperierter Wärme und damit auch der Systemwirkungsgrad maximal werden. Ist das Druckverhältnis bei der Verdichtung z.B. 100 (2x Verdichtung um Faktor 10 mit anschließender Abkühlung), sollte möglichst nur halb so viel Massenstrom verdichtet werden wie entspannt wird (der zu entspannende Massenstrom wird vor der Expansion in 2 Teile geteilt, welche je einmal die Wärme der komprimierten Luft aufnehmen).
Das Massenstromverhältnis bei identischen Medien für Kompression und Expansion folgt im Idealfall dem folgenden Potenzgesetz:
Figure imgf000017_0001
wobei für x prinzipiell beliebige rationelle Zahlen eingesetzt werden können. Dabei wird die Wärmetauscheranordnung ggf. etwas komplizierter.
Allgemeiner formuliert müssen bei verschiedenen Medien die Wärmekapazitäten Ci, C2 der Stoffströme in den Wärmetauschern 40, 41 gleich sein, damit möglichst geringe Exergieverluste auftreten. Gegebenenfalls müssen dann für einen möglichst idealen Prozess unterschiedliche Druckverhältnisse gewählt werden (damit der„Temperaturhub" gleich ist). Die Überlegenheit der Erfindung resultiert aber nicht nur aus der Energiebilanz mit weniger Verlusten sondern wesentlich aus den kleineren Komponenten, der je nach Systemaufbau mindestens halbierten Speichergasmenge im Vergleich zum konventionellen Speicherprozess usw.
Eine Flüssigkeitsabscheidung fällt bei der Einspeicherung erfindungsgemäß nicht an, da nur schon trockene Netz-Druckluft entspannt/komprimiert wird. Ggf. fällt je nach Trocknungsgüte etwas Kondensat in der Hochdruckluft an, welches abgeführt wird. Vielmehr muss beim Ausspeichern Flüssigkeit abgeschieden werden, da dabei Frischluft aus der Umgebung angesaugt wird. Diese wird dann auf den Netzdruck verdichtet und im Wärmetauscher abgekühlt. Dabei kondensiert überschüssiger Wassergehalt aus. Es kann hier zusätzlicher Bedarf zur Nachtrocknung bestehen, wobei zum Zeitpunkt des Ausspeicherns die Hauptkompressoren des Druckluftnetzes aber nicht in Betrieb sind und daher deren Trocknungsanlagen genutzt werden können.
Als Nebeneffekt kann die Druckluft, die aus dem Hochdruckspeicher ins das normale Druckluftnetz abgegeben wird, eine sehr geringe relative Feuchte haben und sie verbessert somit die Druckluftqualität und verringert wiederum den Trocknungsbedarf.
Gemäß einem weiteren Aspekt können - wie dies im Zusammenhang mit den Figuren 9 und 10 dargestellt ist - eine Entfeuchtung oder Entwässerung, insbesondere beim Ausspeichern, Ί D
von aus der Umgebung angesaugter Luft z.B. mittels Adsorption oder Absorption und/oder eine Regeneration mit warmer trockener Abluft, insbesondere beim Einspeichern realisiert sein. Dabei treten geringe Temperaturänderungen auf.
Die Figuren 1 1 und 12 zeigen für den Einspeicherzustand bzw. für den Ausspeicherzustand ein erfindungsgemäßes Speichersystem 100, bei welchem ein nicht extern angetriebener Turbolader 35 mit Kompressions-Expansions-Einrichtungen 31 , 32 und ein angetriebener Boosterkompressor 36 als Komponenten der Kompressions-Expansions-Einheit 30 ausgebildet sind.
Figur 13 zeigt für den Einspeicherzustand eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speichersystems 100 mit einem direkt angetriebenen Doppelkolbendruckverstärker 37 als Komponente der Kompressions-Expansions-Einheit 30.
Figur 14 zeigt für den Einspeicherzustand eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speichersystems 100 mit einem einfachen Druckverstärker 38 und einem Boosterkompressor 36 als Komponenten der Kompressions-Expansions-Einheit 30. Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den Fig. 1 bis 16 Bezug genommen.
Bezugszeichenliste
1 Speicherfluid
2 Wärmetauschfluid
10 Quelleinheit, Quelle
10-1 Quellenkomponente
10-2 Quellenkomponente
10-3 Quellenkomponente
1 1 Druckfluidquelle
12 Druckfluidsenke
13 Umgebung
20 Transfereinheit 30 Kompressions-Expansions-Einheit
31 (erste) Kompressions-Expansions-Einrichtung (für das Speicherfluid 1 ) 31 ' weitere Kompressions-Expansions-Einrichtung (für das Speicherfluid 1 )
32 (zweite) Kompressions-Expansions-Einrichtung (für das Wärmetauschfluid 2) 32' weitere Kompressions-Expansions-Einrichtung (für das Wärmetauschfluid 2) 33 Motor
33' Motor
34 mechanische Kopplung, Achse
35 Turbolader
36 Boosterkompressor
37 Doppelkolbendruckverstärker
38 (einfacher) Druckverstärker
40 Wärmetauscheinheit
41 Wärmetauscher
41 ' Wärmetauscher
50 Speicher, Speichereinheit
60 Leitungssystem für das Speicherfluid 1
61 Leitung
62 Leitung
62' Leitung 63 Leitung
63' Leitung
70 Leitungssystem für das Warmetauschfluid 2
71 Leitung
72 Leitung
72' Leitung
73 Leitung
73' Leitung
Speichersystem, Druckspeichersystem p1 e Druckwert Speicherfluid 1
p1 e' Druckwert Speicherfluid 1
p1 a Druckwert Speicherfluid 1
p1 a' Druckwert Speicherfluid 1 p2e Druckwert Warmetauschfluid 2
p2e' Druckwert Warmetauschfluid 2
p2a Druckwert Warmetauschfluid 2
p2a' Druckwert Warmetauschfluid 2
Ti e Temperaturwert Speicherfluid 1
Ti e' Temperaturwert Speicherfluid 1
T1 a Temperaturwert Speicherfluid 1
T1 a' Temperaturwert Speicherfluid 1
T2e Temperaturwert Warmetauschfluid 2
T2e' Temperaturwert Warmetauschfluid 2 T2a Temperaturwert Warmetauschfluid 2
T2a' Temperaturwert Warmetauschfluid 2

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Speichern eines Speicherfluids (1 ), bei welchem:
- das Speicherfluid (1 ) zwischen einem ausgespeicherten Zustand bei einem
niedrigeren Druck (p1 a) und einem eingespeicherten Zustand bei einem höheren Druck (p1 e) übertragen wird und
- beim Einspeichern der höhere Druck (p1 e) des Speicherfluids (1 ) durch
Kompression des Speicherfluids (1 ) und beim Ausspeichern der niedrigere Druck (p1 a) des Speicherfluids (1 ) durch Expansion des Speicherfluids (1 ) eingestellt werden,
- indem beim Einspeichern bei der Kompression des Speicherfluids (1 ) und beim
Ausspeichern bei der Expansion des Speicherfluids (1 ) eine Wärmemenge mit einem Wärmetauschfluid (2) ganz oder teilweise ausgetauscht wird und
- indem das Wärmetauschfluid (2) beim Einspeichern des Speicherfluids (1 ) entsprechend simultan expandiert und beim Ausspeichern des Speicherfluids (1 ) entsprechend simultan komprimiert wird,
- die Kompression des Speicherfluids (1 ) mit der Expansion des Wärmetauschfluids (2) gekoppelt ist oder wird,
- die Expansion des Speicherfluids (1 ) mit der Kompression des Wärmetauschfluids (2) gekoppelt ist oder wird und
- die Kopplung unter Austausch von Arbeit erfolgt und/oder bei einer Expansion freiwerdende Arbeit den Antrieb einer Kompression bewirkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
bei welchem eine Expansion des Speicherfluids (1 ) nach einer Wärmeübertragung und arbeitsleistend und eine Kompression des Speicherfluids (1 ) vor einer
Wärmeübertragung und unter Arbeitsaufnahme erfolgen.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem beim Einspeichern bei der Kompression des Speicherfluids (1 ) eine frei werdende Wärmemenge an das Wärmetauschfluid (2) abgegeben und beim
Ausspeichern bei der Expansion des Speicherfluids (1 ) eine benötigte Wärmemenge aus dem Wärmetauschfluid (2) entnommen wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem der Austausch eine Wärmemenge zwischen dem Speicherfluid (1 ) und dem Wärmetauschfluid (2) indirekt über ein weiteres Wärmeträgermedium erfolgt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem
- beim Einspeichern des Speicherfluids (1 ) das Warmetauschfluid (2) von einem Zustand bei einem höheren Druck (p2a) in einen Zustand bei einem niedrigeren Druck (p2e) überführt wird und/oder
- beim Ausspeichern des Speicherfluids (1 ) das Warmetauschfluid (2) von einem Zustand bei einem niedrigeren Druck (p2e) in einen Zustand bei einem höheren Druck (p2a) überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem
- der niedrigere Druck (p2e) des Wärmetauschfluids (2) niedriger ist als der
niedrigere Druck (p1 a) des Speicherfluids (1 ) im ausgespeicherten Zustand und vorzugsweise einem Atmosphären- oder Umgebungsdruck entspricht und/oder
- der höhere Druck (p2a) des Wärmetauschfluids (2) dem niedrigeren Druck (p1 a) des Speicherfluids (1 ) im ausgespeicherten Zustand entspricht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem das Speicherfluid (1 ) und das Wärmetauschfluid (2) von demselben kompressiblen Fluid gebildet werden und/oder von derselben Quelle entnommen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem das Einspeichern und/oder das Ausspeichern des Speicherfluids (1 ) mit einer Mehrzahl aufeinander folgender adiabatischer Kompressions- bzw.
Expansionsschritte am Speicherfluid (1 ) erfolgen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Speicherfluid (1 ) und das Wärmetauschfluid (2)
- beim Einspeichern des Speicherfluids (1 ) aus einer gemeinsamen Quelle (10) entnommen werden und/oder
- beim Ausspeichern des Speicherfluids (1 ) an eine gemeinsame Senke (12) abgegeben werden.
0. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem am Speicherfluid (1 ) und/oder am Wärmetauschfluid (2) eine Trocknung über Adsorption oder Absorption und/oder Regenerierung mit trockenem und/oder warmem Fluid durchgeführt werden. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem Wärme entnommen wird in Form von Hochtemperaturwärme und/oder bis zu einer Verdichtungsendtemperatur.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem eine Wärmemenge übertragen wird, um eine Temperaturabsenkung zu bewirken, wobei insbesondere vor einer Kompression des Speicherfluids (1 ) dieses abgekühlt wird, vorzugsweise durch Abgabe einer Wärmemenge, die durch eine Expansion des Wärmetauschfluids (2) entzogen wird, wobei das Wärmetauschfluid vor der Expansion insbesondere nicht erwärmt wird.
Energiespeicherverfahren, bei welchem
- Energie einer ersten Form als mechanische Energie und/oder als elektrische
Energie in Druckenergie eines kompressiblen Speicherfluids (1 ) gewandelt oder aus Druckenergie des Speicherfluids (1 ) gewonnen wird und
- das Speicherfluid (1 ) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 gespeichert wird.
System (100) zum Speichern eines Speicherfluids (1 ),
- mit einer Transfereinheit (20) zum Übertragen des Speicherfluids (1 ) zwischen einem ausgespeicherten Zustand bei einem niedrigeren Druck (p1 a) und einem eingespeicherten Zustand bei einem höheren Druck (p1 e),
- wobei die Transfereinheit (20) aufweist:
- eine Kompressions-Expansions-Einheit (30), welche eingerichtet ist
- zur adiabatischen Kompression des Speicherfluids (1 ) zum höheren Druck (p1 e) und zur entsprechenden simultanen adiabatischen Expansion des Wärmetauschfluids (2) beim Einspeichern des Speicherfluids (1 ) und
- zur adiabatischen Expansion des Speicherfluids (1 ) zum niedrigeren Druck (p1 a) und zur entsprechenden simultanen adiabatischen Kompression des Wärmetauschfluids (2) beim Ausspeichern des Speicherfluids (1 ), und
- eine für das Speicherfluid (1 ) und für das Wärmetauschfluid (2) gemeinsame Wärmetauscheinheit (40), welche eingerichtet ist, beim Einspeichern bei der Kompression des Speicherfluids (1 ) eine frei werdende Wärmemenge an das Wärmetauschfluid (2) abzugeben und beim Ausspeichern bei der Expansion des Speicherfluids (1 ) eine benötigte Wärmemenge aus dem Wärmetauschfluid (2) zu entnehmen,
- wobei das System (100) ferner eingerichtet ist - die Kompression des Speicherfluids (1 ) mit der Expansion des Wärmetauschfluids (2) zu koppeln,
- die Expansion des Speicherfluids (1 ) mit der Kompression des Wärmetauschfluids (2) zu koppeln und
- die Kopplung unter Austausch von Arbeit zu bewirken.
15. System (100) nach Anspruch 14,
bei welchem die Kompressions-Expansions-Einheit (30) eine erste Kompressions- Expansions-Einrichtung (31 ) für das Speicherfluid (1 ) und eine zweite Kompressions- Expansions-Einrichtung (32) für das Wärmetauschfluid (1 ) aufweist,
- welche miteinander mechanisch zum Austausch von Arbeit und/oder über eine gemeinsame Welle (34) und/oder ein Getriebe derart gekoppelt sind,
- dass bei einer Expansion freiwerdende Arbeit den Antrieb einer Kompression bewirkt.
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