WO2018172107A1 - Kraftwerk zum erzeugen von elektrischer energie und verfahren zum betreiben eines kraftwerks - Google Patents

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fluid
heat
turbine
heat exchanger
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PCT/EP2018/055990
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Andrew Zwinkels
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Lumenion Gmbh
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    • F28D2020/0065—Details, e.g. particular heat storage tanks, auxiliary members within tanks
    • F28D2020/0078—Heat exchanger arrangements

Definitions

  • Power plant for generating electrical energy and method for operating a power plant
  • the disclosure relates according to claim 1, a power plant for generating electrical energy. Moreover, the disclosure according to claim 9 relates to a method for operating a power plant.
  • the power plant may be a facility that burns an energy source to generate electrical power through the heat energy released.
  • This includes, for example, gas-fired power stations and coal-fired power plants, which burn natural gas or coal as energy sources.
  • a reformer a synthesis gas or hydrogen gas can be generated and burned.
  • the amount of electrical energy generated which is fed by numerous producers in an electric grid, varies greatly in time.
  • the total amount of electrical energy generated varies greatly over time. This allows the available electrical energy to significantly exceed current demand.
  • Energy storage devices that store energy in electrical or chemical form can store only relatively small amounts of energy at a reasonable cost. In order to store larger amounts of energy pumped storage plants are also used. However, these require a large difference in height, which is usually feasible only in mountainous areas.
  • Such a generic power plant for generating electrical energy comprises at least one heat storage device for storing electrical energy in heat energy.
  • Each heat storage device has at least one heat storage unit, wherein each heat storage unit in turn comprises: an electrical heater for converting electrical energy into heat energy,
  • At least one heat storage body for receiving and storing heat energy of the electric heater
  • a heat exchanger for receiving heat energy from the heat storage body, the heat exchanger comprising heat exchanger tubes for conducting a heat storage fluid.
  • the power plant also includes at least a first turbine and a generator coupled to the first turbine for generating electrical energy from a rotational movement provided by the turbine.
  • the electric heater may include, for example, resistive elements that generate heat when traversed by an electric current.
  • the heat energy is then stored in the heat storage body.
  • This may for example comprise a metal plate.
  • the tubes of the heat exchanger may either directly contact the heat storage body or be connected to the heat storage body via a thermal interface material (eg, a metal body) that is part of the heat exchanger.
  • the heat exchanger may be designed in the length and the cross section of its tubes so that the heat storage fluid as it flows through the Heat exchanger evaporates, so for example, liquid water is converted into water vapor.
  • electrical energy is taken from an external power grid and stored with the heat storage device in the form of heat energy.
  • the stored heat energy can be converted back into electrical energy and output to the external power grid.
  • a control unit can be set whether currently more electrical energy is taken from the mains or discharged to the mains. As a result, fluctuations in an amount of energy in the power grid can be at least partially compensated.
  • a generic method of operating a power plant to generate electrical energy includes the following steps:
  • Heat storage device may be
  • Heat storage fluid by means of a heat exchanger, which
  • Heat exchanger tubes for conducting a heat storage fluid comprises
  • the heat storage bodies are in this case operated between a minimum temperature and a maximum temperature.
  • the temperature difference therebetween determines what amount of energy the heat storage body can store during operation and release to the heat storage fluid.
  • a variable temperature of the heat storage body has the consequence that the temperature of the heat storage fluid after flowing through a heat exchanger is also dependent from the current temperature of the associated heat storage body. The temperature of the heat storage fluid can therefore vary considerably during operation.
  • a heat storage fluid circuit is connected to the heat exchanger or the heat exchangers.
  • a working fluid circuit other than the heat storage fluid circuit is connected to the first turbine (and more particularly to any other turbines that may be present).
  • At least one first fluid circulation heat exchanger is present and connected to the heat storage fluid circuit and the working fluid circuit for transferring heat from the heat storage fluid to a working fluid in the working fluid circuit.
  • the heat storage fluid is not passed through the turbine (s). Rather, only the working fluid is passed through the turbine (s). As a result, a temperature fluctuation of the heat storage fluid has little effect on the temperature of the working fluid.
  • the turbine can be driven with steam at a substantially constant temperature.
  • a relatively high pressure of, for example, 100 bar is needed only at the turbine (s). Due to the two separate circuits, the pressure of the fluid at the heat storage units need not be as high as the fluid pressure at the turbines.
  • a working fluid pump may be operated to increase the pressure of the working fluid in the working fluid circuit
  • a heat storage fluid pump may be operated to increase the pressure of the working fluid in the heat storage fluid circuit.
  • the working fluid pump and the heat storage fluid pump are operated so that the pressure of the working fluid is greater than the pressure of the heat storage fluid.
  • the power of the working fluid pump may be greater than that of the heat storage fluid pump.
  • the higher pressure can be defined, for example in a pressure comparison in each case behind the respective pump.
  • the working fluid circuit and the heat storage fluid circuit may each comprise a pipe system, these two pipe systems are separated from each other.
  • the fluid circulation heat exchanger may be a heat exchanger having separate heat storage fluid and working fluid conduits. Thermal energy is transferred from the heat storage fluid to the working fluid via a thermal bridge, for example a metal connection between the separate lines.
  • the heat storage fluid and the working fluid may each be a basically any liquid or any gas.
  • the heat storage fluid can in particular an oil, especially a thermal oil, be.
  • the oil may comprise salts and may thus melt at about 200 ° C and be usable from this temperature to about 600 ° C.
  • saline thermal oils are particularly well suited to absorb heat energy from the heat storage units.
  • the heat storage fluid may accordingly be a liquid which is in liquid form both before and after passing through the heat exchangers.
  • the working fluid may be different from the heat storage fluid and, in particular, may be water or an aqueous solution. In this case, the working fluid can be evaporated when flowing through the fluid circuit or the heat exchanger (s).
  • the boiling temperature of the working fluid at the pressure generated by the working fluid pump may be lower than 200 ° C, so that it is ensured that the working fluid is always evaporated in the fluid circuit heat exchanger, regardless of whether the heat storage fluid is currently a high temperature (approx 600 ° C) or a low temperature (about 250 ° C).
  • a second turbine and a second fluid circuit heat exchanger may be present.
  • the second turbine may also be coupled to the generator or to a second generator to drive it.
  • the first turbine may be located downstream of the first fluidic circuit heat exchanger.
  • the second fluidic circuit heat exchanger may be disposed downstream of the first turbine.
  • the second turbine may be located downstream of the second fluidic circuit heat exchanger.
  • the first and second fluid circulation heat exchangers can be separated from each other and in particular formed the same.
  • the first and second fluid circulation heat exchangers can also be formed by a unit which comprises separate lines for the heat storage fluid, for the working fluid before flowing through the first turbine and for the working fluid after flowing through the first turbine.
  • the first and the second fluid circuit heat exchangers can be arranged in the heat storage fluid circuit in two mutually parallel lines.
  • the heat storage fluid circuit therefore has a branching on two lines, which are both flowed through by heat storage fluid. In one of these lines, the first fluid circulation heat exchanger is arranged and in the other of these lines, the second fluid circulation heat exchanger is arranged.
  • the two lines open into each other downstream of the two fluid circulation heat exchangers.
  • the "parallel" arrangement is therefore not to be regarded as geometrically parallel, but rather in contrast to a series arrangement in succession, in which the two fluid circulation heat exchangers would flow through one after the other.advantageously, a sufficiently high heat transfer in both heat exchangers can thereby be ensured.
  • a controller may be provided in the heat storage fluid circuit and configured to variably set a split of heat storage fluid to the first fluidic circuit heat exchanger and the second fluidic circuit heat exchanger.
  • a heat transfer from the heat storage fluid to the working fluid for the two fluid circuit heat exchangers can be set different from each other.
  • the working fluid may have cooled down after flowing through the first turbine, but may still be warmer than before it flows through the first fluid circuit heat exchanger.
  • the working fluid in the second fluidic circuit heat exchanger would have to absorb less heat energy than in the first fluidic circuit heat exchanger.
  • the control device may, for example, conduct more heat storage fluid to the first fluid circulation heat exchanger than to the second fluid circulation heat exchanger.
  • a first bypass may be provided around the first fluid circulation heat exchanger to direct working fluid bypassing the first fluid circuit heat exchanger to the first turbine.
  • a bypass can therefore be understood as a bypass.
  • a first bypass control device may be provided and configured to variably set a division of working fluid to the first fluid circulation heat exchanger and the first bypass. In this way, a heat transfer in the first fluidic circuit heat exchanger can be varied to the working fluid. This allows For example, temperature fluctuations of the heat storage fluid are partially or completely compensated, so that a heat transfer to the working fluid is only slightly influenced by a temperature variation of the heat storage fluid.
  • the first bypass and the controller may form a first quench cooler.
  • This is a mixer in which a fluid is cooled by mixing it with a cooler fluid.
  • the cooler fluid is the fraction of the working fluid which has bypassed the first fluidic circuit heat exchanger.
  • a second bypass may be provided with respect to the second fluid circulation heat exchanger.
  • a second bypass may be present around the second fluid circuit heat exchanger in order to guide working fluid to the second turbine while bypassing the second fluid circuit heat exchanger.
  • a second bypass controller may be provided and configured to variably set a split of working fluid to the second fluidic circuit heat exchanger and the second bypass. In this way, in turn, the two fluid circuit heat exchangers can be operated differently and it can be set in each case a desired temperature of the working fluid after flowing through the respective fluid circuit heat exchanger.
  • bypasses it is also possible, alternatively or in addition to the bypasses described above, to provide one or two corresponding bypasses for heat storage fluid in the heat storage fluid circuit.
  • a variable portion of the heat storage fluid is directed through the associated fluid circulation heat exchanger to vary a heat transfer to the working fluid.
  • the heat storage fluid is always present in liquid form and is not evaporated.
  • the heat storage fluid would suddenly withdraw large amounts of energy from the heat storage as soon as it reaches its edge or beginning. Disadvantageously, this would discharge the heat storage spatially uneven. In addition, the sudden evaporation would lead to material stresses.
  • the working fluid for driving the Turbine (s) exist as vapor or gas. This is made possible by the two separate fluid circuits and different fluids:
  • the working fluid may have a lower boiling point / boiling temperature than the heat storage fluid so that the working fluid in the first fluid circulation heat exchanger evaporates.
  • An optionally present second fluid circulation heat exchanger enters the working fluid usually in vapor form and is further heated / superheated.
  • An electrical energy consumption by the electric heater is useful at a low electricity price, that is, in an oversupply of electrical energy in a power grid, which is referred to here as an external power grid.
  • the turbine and the generator can be operated relatively stable in terms of time, that is to say they have no time-varying fluctuations.
  • An electrical control unit may be provided and configured to variably adjust whether more electric power is currently being picked up from an external power supply by the electric heater (s) or output to the external power supply by the generator.
  • Preferred variants of the method according to the invention result from the intended use of the power plant according to the invention.
  • the method variants described are also to be regarded as variants of the power plant according to the invention.
  • Fig. 1 shows a heat storage device of an inventive
  • Fig. 2 shows the heat storage device of Fig. 1 in a sectional view.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a power plant according to the invention, comprising the heat storage device of FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 1 An embodiment of a power plant 110 according to the invention is shown schematically in FIG. 1
  • the power plant 110 includes a first turbine 120 and may include a second turbine 121 or even further turbines (not shown).
  • the turbines 120, 121 are driven by a flowing working fluid.
  • the working fluid may be a vapor, for example water vapor.
  • Coupled to the turbines 120, 121 is a generator 123 which converts the rotational energy provided by the turbines 120, 121 into electrical energy. The electrical energy is then output to an external power grid.
  • the power plant 110 is used to compensate for fluctuations in the amount of electrical energy in the external power grid.
  • the power plant 1 10 to absorb electrical energy from the external power grid, if there is an oversupply in particular.
  • an electricity price can become very small or even negative in the meantime, which means that the consumption of electrical energy is almost free or in some cases even money-raising.
  • the electrical energy consumed is to be stored in the power plant 1 10 and again be output as electrical energy at another time.
  • the power plant 110 includes at least one heat storage device 100.
  • a plurality of heat storage devices 100 are present.
  • a heat storage device 100 is shown in more detail in FIG. 1 as a perspective view and in FIG. 2 as a sectional view.
  • Each heat storage device 100 comprises at least one, preferably a plurality of heat storage units 1, which are stacked one above the other.
  • Each heat storage unit 1 comprises an electric heater 10. This converts electrical energy into heat energy, preferably substantially completely, that is, more than 90% of the energy absorbed by the electric heater 10 is converted into heat energy. The electrical energy is absorbed from the external power grid.
  • Each heat storage unit 1 furthermore comprises at least one, in particular exactly two, heat storage bodies 30, 31.
  • each heat storage unit also includes a heat exchanger 50 which has a plurality of heat storage tubes 51. Each heat exchanger 50 is adjacent to at least one of the heat storage bodies 30. Thus, thermal energy is transferred from the heat storage body 30 to the heat exchanger tubes and a heat storage fluid carried therein. Heat transfer fluid is distributed to the various heat exchangers 50 via a distributor tube 45. After flowing through the heat exchanger 50, the heat storage fluid is combined in a manifold 55.
  • the heat energy of the heat storage fluid can now be used to generate electrical energy again.
  • the heat storage fluid is not passed through the turbines 120, 121. Rather, the heat is transferred from the heat storage fluid to a different working fluid, which is passed in a separate circuit, the working fluid circuit 140.
  • the heat storage fluid circulates in a separate circuit, the heat storage fluid circuit 130th
  • a heat storage fluid pump 125 is arranged, which circulates the heat storage fluid in the circuit 130.
  • a working fluid pump 145 is arranged in the working fluid circuit 140, which circulates the working fluid in the circuit 140.
  • the heat storage fluid may have a higher boiling point than the working fluid, so that the heat storage fluid is present as a liquid and is not vaporized by heat from the heat storage units.
  • the working fluid is vaporized by the heat energy from the heat storage fluid and liquefied after flowing through the turbine 120, 121 in a condenser 124.
  • the condenser 124 may, as shown, comprise a heat exchanger through which heat is removed from the working fluid, for example to a liquid which may then be further used, for example for heating purposes.
  • heat storage fluid is not evaporated, the above-described disadvantage is avoided that by evaporation suddenly large amounts of energy is removed from a portion of the heat storage body 30.
  • the heat storage fluid may be, for example, an oil while the working fluid is water or an aqueous solution.
  • At least a first fluid circulation heat exchanger 131 is present.
  • a second fluid circulation heat exchanger 132 is also provided. Through each of these heat exchangers 131, 132, working fluid and separately therefrom heat storage fluid is passed, wherein the respective tubes are thermally coupled to each other for a high heat transfer.
  • the first fluid circulation heat exchanger 131 is disposed upstream of the turbine 120 with respect to the working fluid circuit 140.
  • the second fluid circuit Heat exchanger 132 is, however, arranged with respect to the working fluid circuit 140 between the two turbines 120, 121.
  • the two fluid circuit heat exchangers 131, 132 can be arranged parallel to one another with regard to the heat storage fluid circuit 130.
  • a line of the heat storage fluid before the two fluid circulation heat exchangers 131, 132 can be divided into two lines 135, 136 which extend through in each case one of the two fluid circuit heat exchangers 131, 132. Thereafter, the two lines 135, 136 are brought together again.
  • the heat storage devices 100 may be disposed on mutually parallel lines. This has the advantage that the thermal storage devices 100 arranged parallel to one another are discharged substantially equally, that is to say, in particular essentially the same amount of energy is transferred to the heat storage fluid flowing through. Thus, it is avoided that a heat storage device 100 has reached a maximum temperature and therefore can not receive and store any further energy from the external power grid while another of the heat storage devices 100 is far from the maximum temperature. If as many of the heat storage devices 100 can simultaneously receive electrical energy, a maximum possible consumption of electrical energy is advantageously higher.
  • some of the heat storage devices 100 may be arranged one behind the other in the heat storage fluid circuit 130, that is, through which the heat storage fluid flows in succession.
  • the discharge ie the heat transfer to the heat storage medium
  • the heat storage fluid should not fall below a minimum temperature, resulting in a minimum temperature for a heat storage device 100.
  • it is desirable that a minimum temperature of the heat storage device 100 is low, because it makes a possible temperature difference of the heat storage device 100, and thus its storage capacity, high. If two or more heat storage devices 100 are arranged one behind the other, they can have different minimum temperatures operate.
  • a front one of these heat storage devices 100 may have a lower minimum temperature than a rear one of these heat storage devices 100.
  • the rear heat storage device 100 guarantees a desired minimum temperature of the heat storage fluid.
  • the front thermal storage device 100 can be operated over a very wide temperature range (that is, over a wider temperature range than the rear thermal storage device 100), and thus has a particularly large storage capacity.
  • the respective maximum temperatures of successively arranged heat storage devices 100 may be different.
  • a control device may be provided and operated to operate, from the heat storage devices 100 arranged one behind the other, a front heat storage device 100 over a larger temperature range than a rear heat storage device 100.
  • the entire mass of its heat storage bodies 30 is also relevant. If a rear heat storage device 100 made up of a plurality of heat storage devices arranged one behind the other is anyway used over a smaller temperature range, the mass of their heat storage bodies may be smaller than the mass of the heat storage bodies of the front heat storage device 100. This can be realized, for example, by using the front heat storage device more heat storage units than the rear heat storage device; Incidentally, the heat storage units of the front and rear heat storage devices 100 may be the same.
  • the power plant 110 may, in addition to the illustrated components, also have a burner for a (fossil) energy carrier, for example for burning coal, natural gas or synthesis gas.
  • a burner for a (fossil) energy carrier for example for burning coal, natural gas or synthesis gas.
  • the resulting heat released can also be transferred to the working fluid or the heat storage fluid. It can be provided to control a power of the burner depending on a current consumption of the electric heater 10.
  • a current consumption takes place in particular (or exclusively) if there is an oversupply of electrical energy. At this time, therefore, it is desirable that less electric power is generated and thus the performance of the burner is reduced.
  • the performance of the burner can be reduced to a reduced level when the heat storage devices 100 are being charged, especially when their electrical power consumption exceeds a predetermined threshold.
  • the output of the burner is not lowered to the reduced value but kept at a higher level when the power consumption of the electric heaters does not exceed the threshold value.
  • the power plant according to the invention can be stored in a simple and cost-effective manner large amounts of electrical energy as heat energy and then be converted back into electrical energy.

Abstract

Ein Kraftwerk zum Erzeugen von elektrischer Energie umfasst mindestens eine Wärmespeichervorrichtung (100) zum Speichern von elektrischer Energie in Wärmeenergie, umfassend: einen elektrischen Heizer (10) zum Umwandeln von elektrischer Energie in Wärmeenergie; einen Wärmespeicherkörper (30, 31) zum Aufnehmen und Speichern von Wärmeenergie des elektrischen Heizers (10); einen Wärmetauscher (50) zum Aufnehmen von Wärmeenergie vom Wärmespeicherkörper (30, 31). Zudem umfasst das Kraftwerk eine Turbine (120) und einen Generator (123). Ein Wärmespeicherfluid-Kreislauf (130) ist mit dem Wärmetauscher (50) oder den Wärmetauschern (50) verbunden und ein Arbeitsfluid-Kreislauf (140) ist mit der Turbine (120) verbunden. Ein Fluidkreislauf-Wärmetauscher (131) überträgt Wärme vom Wärmespeicherfluid auf ein Arbeitsfluid im Arbeitsfluid-Kreislauf (140).

Description

Kraftwerk zum Erzeugen von elektrischer Energie und Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks
Die Offenbarung betrifft gemäß Anspruch 1 ein Kraftwerk zum Erzeugen von elektrischer Energie. Außerdem betrifft die Offenbarung gemäß Anspruch 9 ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks.
Bei dem Kraftwerk kann es sich beispielsweise um eine Anlage handeln, welche einen Energieträger verbrennt, um durch die freiwerdende Wärmeenergie elektrischen Strom zu erzeugen. Umfasst sind beispielsweise Gaskraftwerke und Kohlekraftwerke, welche als Energieträger Erdgas oder Kohle verbrennen. Auch kann mit zum Beispiel einem Reformer ein Synthesegas oder Wasserstoffgas erzeugt und verbrannt werden.
Die Menge an erzeugter elektrischer Energie, die von zahlreichen Erzeugern in ein elektrisches Netz eingespeist wird, schwankt zeitlich stark. Insbesondere durch die verstärkte Nutzung regenerativer Energiequellen schwankt die Gesamtmenge an erzeugter elektrischer Energie zeitlich stark. Dadurch kann die verfügbare elektrische Energie einen momentanen Bedarf erheblich übertreffen. Beispielsweise in solchen Fällen ist es wünschenswert, erzeugte elektrische Energie zu speichern. Energiespeicher, die Energie in elektrischer oder chemischer Form speichern (wie zum Beispiel elektrochemische Batterien oder Kondensatoren) können zu vertretbaren Kosten aber nur verhältnismäßig geringe Energiemengen speichern. Um größere Energiemengen zu speichern, werden auch Pumpspeicherwerke genutzt. Diese erfordern jedoch einen großen Höhenunterschied, was in der Regel nur in Gebirgsregionen umsetzbar ist.
Die Anmelderin hat in vorausgegangenen Erfindungen Lösungsvorschläge entwickelt (Patentanmeldungen EP 14 187 132, EP 15 183 855, EP 15 183 857), wobei elektrische Energie vorübergehend in Wärmeenergie gespeichert wird und im Kraftwerk wieder in elektrische Energie gewandelt werden kann. Eine gattungsgemäße Wärmespeichervorrichtung ist beispielsweise von der Annneiderin in der europäischen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 14 187 132 beschrieben.
Ein solches gattungsgemäßes Kraftwerk zum Erzeugen von elektrischer Energie umfasst mindestens eine Wärmespeichervorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie in Wärmeenergie. Jede Wärmespeichervorrichtung weist mindestens eine Wärmespeichereinheit auf, wobei jede Wärmespeichereinheit wiederum umfasst: einen elektrischen Heizer zum Umwandeln von elektrischer Energie in Wärmeenergie,
mindestens einen Wärmespeicherkörper zum Aufnehmen und Speichern von Wärmeenergie des elektrischen Heizers,
einen Wärmetauscher zum Aufnehmen von Wärmeenergie vom Wärmespeicherkörper, wobei der Wärmetauscher Wärmetauscherrohre zum Leiten eines Wärmespeicherfluids umfasst.
Das Kraftwerk umfasst außerdem mindestens eine erste Turbine und einen Generator, der mit der ersten Turbine gekoppelt ist, zum Erzeugen von elektrischer Energie aus einer von der Turbine bereitgestellten Drehbewegung.
Demnach wird elektrische Energie einem externen Stromnetz entnommen und mit den elektrischen Heizern in Wärmeenergie umgewandelt. Der elektrische Heizer kann beispielsweise Widerstandselemente umfassen, die Wärme erzeugen, wenn sie von einem elektrischen Strom durchflössen werden. Die Wärmeenergie wird sodann im Wärmespeicherkörper gespeichert. Dieser kann beispielsweise eine Metallplatte umfassen. An den Wärmespeicherkörper grenzt ein Wärmetauscher an, welcher zumindest Rohre umfasst, durch die das Wärmespeicherfluid durchgeleitet wird. Die Rohre des Wärmetauschers können entweder direkt den Wärmespeicherkörper kontaktieren oder über ein Wärmeleitmaterial (beispielsweise einen Metallkörper), der Teil des Wärmetauschers ist, mit dem Wärmespeicherkörper verbunden sein. Der Wärmetauscher kann in der Länge und dem Querschnitt seiner Rohre so ausgelegt sein, dass das Wärmespeicherfluid beim Durchströmen des Wärmetauschers verdampft, also beispielsweise flüssiges Wasser in Wasserdampf gewandelt wird.
Mit einem solchen Kraftwerk wird elektrische Energie aus einem externen Stromnetz aufgenommen und mit der Wärmespeichervorrichtung in Form von Wärmeenergie gespeichert. Zudem kann die gespeicherte Wärmeenergie wieder in elektrische Energie gewandelt und an das externe Stromnetz ausgegeben werden. Mit einer Steuereinheit kann eingestellt werden, ob momentan mehr elektrische Energie aus dem Stromnetz aufgenommen oder an das Stromnetz abgegeben wird. Dadurch können Schwankungen einer Energiemenge im Stromnetz zumindest teilweise kompensiert werden.
In entsprechender Weise umfasst ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks zum Erzeugen von elektrischer Energie die folgenden Schritte:
Umwandeln von elektrischer Energie in Wärmeenergie mit einem elektrischen Heizer einer Wärmespeichereinheit, welche Teil von mindestens einer
Wärmespeichervorrichtung sein kann,
Aufnehmen und Speichern von Wärmeenergie des elektrischen Heizers mit mindestens einem Wärmespeicherkörper der Wärmespeichereinheit,
Übertragen von Wärmeenergie Wärmespeicherkörper auf ein
Wärmespeicherfluid mit Hilfe eines Wärmetauschers , welcher
Wärmetauscherrohre zum Leiten eines Wärmespeicherfluids umfasst,
Antreiben mindestens einer ersten Turbine und
Erzeugen von elektrischer Energie aus einer von der Turbine bereitgestellten Drehbewegung mit Hilfe eines Generators, der mit der ersten Turbine gekoppelt ist.
Die Wärmespeicherkörper werden hierbei zwischen einer Minimaltemperatur und einer Maximaltemperatur betrieben. Die Temperaturdifferenz hierzwischen bestimmt, welche Energiemenge der Wärmespeicherkörper im Betrieb speichern und an das Wärmespeicherfluid freigeben kann. Eine variable Temperatur der Wärmespeicherkörper hat aber zur Folge, dass die Temperatur des Wärmespeicherfluids nach Durchströmen eines Wärmetauschers auch abhängig ist von der momentanen Temperatur des zugehörigen Wärmespeicherkörpers. Die Temperatur des Wärmespeicherfluids kann daher im Betrieb erheblich schwanken.
Gleichzeitig sollte eine Turbine mit Dampf, der eine bestimmte und möglichst konstante Temperatur hat, angetrieben werden. So ist einerseits der Wirkungsgrad einer Turbine abhängig von der Temperatur des durchströmenden Dampfes und andererseits können ungewünschte Materialbeanspruchungen auftreten, wenn sich die Temperatur des durchströmenden Dampfes rasch ändert.
Diese Probleme sind bei bekannten Kraftwerken nicht zufriedenstellend gelöst.
Als eine A u f g a b e der Erfindung kann angesehen werden, ein Kraftwerk und ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks anzugeben, mit dem besonders effizient Energie vorübergehend gespeichert und sodann wieder in elektrischer Form ausgeben werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Kraftwerk gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kraftwerks und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung erläutert.
Bei dem oben beschriebenen Kraftwerk ist erfindungsgemäß ein Wärmespeicherfluid-Kreislauf mit dem Wärmetauscher oder den Wärmetauschern verbunden. Ein vom Wärmespeicherfluid-Kreislauf verschiedener Arbeitsfluid- Kreislauf ist mit der ersten Turbine (und insbesondere mit eventuell vorhandenen weiteren Turbinen) verbunden. Mindestens ein erster Fluidkreislauf-Wärmetauscher ist vorhanden und mit dem Wärmespeicherfluid-Kreislauf sowie dem Arbeitsfluid- Kreislauf verbunden, zum Übertragen von Wärme vom Wärmespeicherfluid auf ein Arbeitsfluid im Arbeitsfluid-Kreislauf.
In entsprechender Weise ist das oben beschriebene Verfahren erfindungsgemäß durch zumindest die folgenden Schritte gekennzeichnet:
Leiten des Wärmespeicherfluids entlang einem Wärmespeicherfluid-Kreislauf, welcher mindestens einen ersten Fluidkreislauf-Wärmetauscher umfasst, Übertragen von Wärmeenergie mit Hilfe des mindestens ersten Fluidkreislauf- Wärmetauschers vom Wärmespeicherfluid auf ein Arbeitsfluid,
Leiten des Arbeitsfluids in einem Arbeitsfluid-Kreislauf zu der ersten Turbine zum Antreiben der ersten Turbine.
Demnach wird das Wärmespeicherfluid nicht durch die Turbine(n) geleitet. Vielmehr wird allein das Arbeitsfluid durch die Turbine(n) geleitet. Dadurch hat eine Temperaturschwankung des Wärmespeicherfluids nur eine geringe Auswirkung auf die Temperatur des Arbeitsfluids. Vorteilhafterweise kann somit die Turbine mit Dampf einer weitgehend konstanten Temperatur angetrieben werden. Außerdem wird ein verhältnismäßig hoher Druck von beispielsweise 100bar nur bei der oder den Turbine(n) benötigt. Durch die beiden getrennten Kreisläufe muss der Druck des Fluids an den Wärmespeichereinheiten nicht so hoch sein wie der Fluiddruck an den Turbinen.
So kann beispielsweise eine Arbeitsfluid-Pumpe betrieben werden, um den Druck des Arbeitsfluids im Arbeitsfluid-Kreislauf zu erhöhen, und es kann eine Wärmespeicherfluid-Pumpe betrieben werden, um den Druck des Arbeitsfluids im Wärmespeicherfluid-Kreislauf zu erhöhen. Dabei werden die Arbeitsfluid-Pumpe und die Wärmespeicherfluid-Pumpe so betrieben, dass der Druck des Arbeitsfluids größer ist als der Druck des Wärmespeicherfluids. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistung der Arbeitsfluid-Pumpe größer sein als die der Wärmespeicherfluid-Pumpe. Der höhere Druck kann beispielsweise bei einem Druckvergleich jeweils hinter der jeweiligen Pumpe definiert sein.
Der Arbeitsfluid-Kreislauf und der Wärmespeicherfluid-Kreislauf können jeweils ein Rohrsystem umfassen, wobei diese beiden Rohrsysteme voneinander getrennt sind. Der Fluidkreislauf-Wärmetauscher kann ein Wärmetauscher sein, welcher voneinander getrennte Leitungen für Wärmespeicherfluid und für Arbeitsfluid aufweist. Über eine Wärmebrücke, beispielsweise eine Metallverbindung zwischen den getrennten Leitungen, wird Wärmeenergie vom Wärmespeicherfluid auf das Arbeitsfluid übertragen.
Das Wärmespeicherfluid und das Arbeitsfluid können jeweils eine prinzipiell beliebige Flüssigkeit oder beliebiges Gas sein. Das Wärmespeicherfluid kann insbesondere ein Öl, insbesondere ein Thermoöl, sein. Das Öl kann Salze umfassen und kann so bei ca. 200°C schmelzen und ab dieser Temperatur bis ca. 600°C nutzbar sein. Dadurch eignen sich salzhaltige Thermoöle besonders gut, um Wärmeenergie von den Wärmespeichereinheiten aufzunehmen. Das Wärmespeicherfluid kann demnach eine Flüssigkeit sein, die sowohl vor als auch nach Durchlaufen der Wärmetauscher in flüssiger Form vorliegt. Das Arbeitsfluid kann vom Wärmespeicherfluid verschieden sein und insbesondere Wasser oder eine wässrige Lösung sein. Dabei kann das Arbeitsfluid beim Durchströmen des oder der Fluidkreislauf- Wärmetauscher(s) verdampft werden. Insbesondere kann die Siedetemperatur des Arbeitsfluids bei dem durch die Arbeitsfluid-Pumpe erzeugten Druck niedriger als 200°C sein, so dass gewährleistet ist, dass das Arbeitsfluid stets im Fluidkreislauf- Wärmetauscher verdampft wird, unabhängig davon, ob das Wärmespeicherfluid momentan eine hohe Temperatur (ca. 600°C) oder eine niedrige Temperatur (ca. 250°C) hat.
Es können auch mehrstufige Turbinensysteme eingesetzt werden. So können eine zweite Turbine und ein zweiter Fluidkreislauf-Wärmetauscher vorhanden sein. Die zweite Turbine kann ebenfalls mit dem Generator oder mit einem zweiten Generator gekoppelt sein, um diesen anzutreiben. Im Arbeitsfluid-Kreislauf kann die erste Turbine stromabwärts vom ersten Fluidkreislauf-Wärmetauscher angeordnet sein. Der zweite Fluidkreislauf-Wärmetauscher kann stromabwärts von der ersten Turbine angeordnet sein. Die zweite Turbine kann stromabwärts vom zweiten Fluidkreislauf- Wärmetauscher angeordnet sein. Bei diesen Ausführungen wird somit Arbeitsfluid zunächst im ersten Fluidkreislauf-Wärmetauscher erhitzt (und insbesondere verdampft) und durchströmt sodann die erste Turbine. Anschließend durchströmt das Arbeitsfluid den zweiten Fluidkreislauf-Wärmetauscher, wird dabei wieder erhitzt und treibt darauf die zweite Turbine an.
Der erste und zweite Fluidkreislauf-Wärmetauscher können voneinander getrennt und insbesondere gleich gebildet sein. Alternativ können der erste und zweite Fluidkreislauf-Wärmetauscher aber auch durch eine Einheit gebildet sein, welche jeweils separate Leitungen für das Wärmespeicherfluid, für das Arbeitsfluid vor Durchströmen der ersten Turbine und für das Arbeitsfluid nach Durchströmen der ersten Turbine umfasst. Der erste und der zweite Fluidkreislauf-Wärmetauscher können im Wärmespeicherfluid-Kreislauf in zwei zueinander parallelen Leitungen angeordnet sein. Der Wärmespeicherfluid-Kreislauf weist demnach eine Aufzweigung auf zwei Leitungen auf, die beide von Wärmespeicherfluid durchströmt werden. In der einen dieser Leitungen ist der erste Fluidkreislauf-Wärmetauscher angeordnet und in der anderen dieser Leitungen ist der zweite Fluidkreislauf-Wärmetauscher angeordnet. Die beiden Leitungen münden ineinander stromabwärts zu den beiden Fluidkreislauf- Wärmetauschern. Die„parallele" Anordnung ist daher nicht als geometrisch parallel, sondern als Gegensatz zu einer Reihenanordnung hintereinander anzusehen, bei welcher die beiden Fluidkreislauf-Wärmetauscher nacheinander durchströmt würden. Vorteilhafterweise kann hierdurch ein hinreichend hoher Wärmeübertrag in beiden Wärmetauschern gewährleistet werden.
Eine Steuereinrichtung kann im Wärmespeicherfluid-Kreislauf vorhanden und dazu eingerichtet sein, eine Aufteilung von Wärmespeicherfluid zu dem ersten Fluidkreislauf-Wärmetauscher und dem zweiten Fluidkreislauf-Wärmetauscher variabel einzustellen. Hierdurch können ein Wärmeübertrag vom Wärmespeicherfluid auf das Arbeitsfluid für die beiden Fluidkreislauf-Wärmetauscher voneinander verschieden eingestellt werden. So kann etwa das Arbeitsfluid nach Durchströmen der ersten Turbine abgekühlt sein, aber noch wärmer sein als vor Durchströmen des ersten Fluidkreislauf-Wärmetauschers sein. In diesem Fall müsste das Arbeitsfluid im zweiten Fluidkreislauf-Wärmetauscher weniger Wärmeenergie aufnehmen als im ersten Fluidkreislauf-Wärmetauscher. Dazu kann die Steuereinrichtung beispielsweise mehr Wärmespeicherfluid zu dem ersten Fluidkreislauf- Wärmetauscher als zu dem zweiten Fluidkreislauf-Wärmetauscher leiten.
Im Arbeitsfluid-Kreislauf kann ein erster Bypass um den ersten Fluidkreislauf- Wärmetauscher vorhanden sein, um Arbeitsfluid unter Umgehung des ersten Fluidkreislauf-Wärmetauschers zur ersten Turbine zu leiten. Unter einem Bypass kann demnach eine Umgehungsleitung verstanden werden. Eine erste Bypass- Steuereinrichtung kann vorgesehen und dazu eingerichtet sein, eine Aufteilung von Arbeitsfluid zum ersten Fluidkreislauf-Wärmetauscher und zum ersten Bypass variabel einzustellen. In dieser Weise kann ein Wärmeübertrag im ersten Fluidkreislauf-Wärmetauscher auf das Arbeitsfluid variiert werden. Hierdurch können beispielsweise Temperaturschwankungen des Wärmespeicherfluids teilweise oder vollständig kompensiert werden, so dass ein Wärmeübertrag auf das Arbeitsfluid nur gering von einer Temperaturschwankung des Wärmespeicherfluids beeinflusst wird.
Somit können der erste Bypass und die Steuereinrichtung einen ersten Quenchkühler bilden. Dieser ist ein Mischer, bei dem ein Fluid abgekühlt wird, indem es mit einem kühleren Fluid vermischt wird. Im vorliegenden Fall ist das kühlere Fluid der Anteil des Arbeitsfluids, welcher den ersten Fluidkreislauf-Wärmetauscher umgangen hat.
In analoger Weise kann ein zweiter Bypass in Bezug auf den zweiten Fluidkreislauf- Wärmetauscher vorgesehen sein. Hierbei kann im Arbeitsfluid-Kreislauf ein zweiter Bypass um den zweiten Fluidkreislauf-Wärmetauscher vorhanden sein, um Arbeitsfluid unter Umgehung des zweiten Fluidkreislauf-Wärmetauschers zur zweiten Turbine zu leiten. Eine zweite Bypass-Steuereinrichtung kann vorgesehen und dazu eingerichtet sein, eine Aufteilung von Arbeitsfluid zum zweiten Fluidkreislauf- Wärmetauscher und zum zweiten Bypass variabel einzustellen. Hierdurch können wiederum die beiden Fluidkreislauf-Wärmetauscher unterschiedlich betrieben werden und es kann jeweils eine gewünschte Temperatur des Arbeitsfluids nach Durchströmen des jeweiligen Fluidkreislauf-Wärmetauschers eingestellt werden.
Prinzipiell ist es auch möglich, alternativ oder zusätzlich zu den oben beschriebenen Bypässen einen oder zwei entsprechende Bypässe für Wärmespeicherfluid im Wärmespeicherfluid-Kreislauf vorzusehen. Bei einem solchen Bypass wird ein variabler Anteil des Wärmespeicherfluids durch den zugehörigen Fluidkreislauf- Wärmetauscher geleitet, um einen Wärmeübertrag auf das Arbeitsfluid zu variieren.
Es kann vorteilhaft sein, wenn im Betrieb des Kraftwerks das Wärmespeicherfluid stets in flüssiger Form vorliegt und nicht verdampft wird. Bei einer Verdampfung würde das Wärmespeicherfluid schlagartig große Energiemengen dem Wärmespeicher entziehen, sobald es dessen Rand oder Anfang erreicht. Nachteiligerweise würde dadurch der Wärmespeicher räumlich ungleichmäßig entladen. Zudem würde die schlagartige Verdampfung zu Materialbeanspruchungen führen. Diese Probleme werden vermieden, wenn das Wärmespeicherfluid nicht verdampft wird. Im Gegensatz hierzu sollte das Arbeitsfluid zum Antreiben der Turbine(n) als Dampf oder Gas vorliegen. Dies wird durch die zwei getrennten Fluidkreisläufe und unterschiedliche Fluide möglich: Das Arbeitsfluid kann einen niedrigeren Siedepunkt / Siedetemperatur als das Wärmespeicherfluid haben, so dass das Arbeitsfluid im ersten Fluidkreislauf-Wärmetauscher verdampft. Einen gegebenenfalls vorhandenen zweiten Fluidkreislauf-Wärmetauscher betritt das Arbeitsfluid in der Regel in Dampfform und wird weiter erhitzt / überhitzt.
Eine elektrische Energieaufnahme durch die elektrischen Heizer ist bei einem niedrigen Strompreis sinnvoll, das heißt bei einem Überangebot an elektrischer Energie in einem Stromnetz, welches hier als externes Stromnetz bezeichnet wird. Die Turbine und der Generator können hingegen zeitlich verhältnismäßig stabil betrieben werden, also keine zeitlich stark schwankenden Änderungen aufweisen. Es kann eine elektrische Steuereinheit vorgesehen und dazu eingerichtet sein, variabel einzustellen, ob momentan mehr elektrische Energie aus einem externen Stromnetz durch den oder die elektrische Heizer aufgenommen oder an das externe Stromnetz durch den Generator ausgegeben wird.
Bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich durch bestimmungsgemäßen Gebrauch des erfindungsgemäßen Kraftwerks. Zudem sind die beschriebenen Verfahrensvarianten auch als Varianten des erfindungsgemäßen Kraftwerks anzusehen.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Wärmespeichervorrichtung eines erfindungsgemäßen
Kraftwerks in einer Perspektivdarstellung.
Fig. 2 zeigt die Wärmespeichervorrichtung aus Fig. 1 in einer Schnittansicht.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftwerks, umfassend die Wärmespeichervorrichtung der Figuren 1 und 2.
Gleiche und gleichwirkende Komponenten sind in den Figuren in der Regel mit übereinstimmendem Bezugszeichen gekennzeichnet. Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftwerks 1 10 ist schematisch in Fig. 3 gezeigt.
Das Kraftwerk 1 10 umfasst eine erste Turbine 120 und kann eine zweite Turbine 121 oder auch noch weitere Turbinen (nicht dargestellt) umfassen. Die Turbinen 120, 121 werden durch ein durchströmendes Arbeitsfluid angetrieben. Das Arbeitsfluid kann ein Dampf, beispielsweise Wasserdampf, sein. Mit den Turbinen 120, 121 ist ein Generator 123 gekoppelt, welcher die Rotationsenergie, die durch die Turbinen 120, 121 bereitgestellt wird, in elektrische Energie umwandelt. Die elektrische Energie wird sodann an ein externes Stromnetz ausgegeben.
Das Kraftwerk 1 10 wird genutzt, um Schwankungen in der Menge an elektrischer Energie in dem externen Stromnetz auszugleichen. Hierzu soll das Kraftwerk 1 10 elektrische Energie aus dem externen Stromnetz aufnehmen, wenn dort insbesondere ein Überangebot vorhanden ist. Bei einem Überangebot kann ein Strompreis zwischenzeitlich sehr klein oder sogar negativ werden, womit die Aufnahme elektrischer Energie beinahe kostenlos oder in manchen Fällen sogar geldeinbringend ist. Die aufgenommene elektrische Energie soll im Kraftwerk 1 10 gespeichert werden und zu einer anderen Zeit wieder als elektrische Energie ausgegeben werden.
Zu dieser vorübergehenden Energiespeicherung umfasst das Kraftwerk 1 10 mindestens eine Wärmespeichervorrichtung 100. Im Beispiel von Fig. 3 sind mehrere Wärmespeichervorrichtungen 100 vorhanden. Eine Wärmespeichervorrichtung 100 ist näher in Figur 1 als Perspektivansicht und in Figur 2 als Schnittansicht dargestellt. Jede Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst mindestens eine, vorzugsweise mehrere Wärmespeichereinheiten 1 , die übereinander gestapelt sind. Jede Wärmespeichereinheit 1 umfasst einen elektrischen Heizer 10. Dieser wandelt elektrische Energie in Wärmeenergie um, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig, das heißt mehr als 90% der vom elektrischen Heizer 10 aufgenommenen Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt. Die elektrische Energie wird aus dem externen Stromnetz aufgenommen. Jede Wärmespeichereinheit 1 umfasst weiterhin mindestens einen, insbesondere genau zwei, Wärmespeicherkörper 30, 31 . Diese können Metallkörper oder -platten sein, welche der Speicherung von Wärmeenergie dienen. Die Wärmespeicherkörper 30, 31 sind benachbart zum elektrischen Heizer 10, um Wärmeenergie vom elektrischen Heizer 10 aufzunehmen. Jede Wärmespeichereinheit umfasst schließlich auch einen Wärmetauscher 50, welcher mehrere Wärmespeicherrohre 51 aufweist. Jeder Wärmetauscher 50 ist benachbart zu mindestens einem der Wärmespeicherkörper 30. Dadurch wird Wärmeenergie vom Wärmespeicherkörper 30 auf die Wärmetauscherrohre und ein darin befördertes Wärmespeicherfluid übertragen. Über ein Verteilerrohr 45 wird Wärmespeicherfluid auf die verschiedenen Wärmetauscher 50 aufgeteilt. Nach Durchströmen der Wärmetauscher 50 wird das Wärmespeicherfluid in einem Sammelrohr 55 zusammengeführt.
Die Wärmeenergie des Wärmespeicherfluids kann nun genutzt werden, um wieder elektrische Energie zu erzeugen. Als ein wesentlicher Gedanke der Erfindung wird das Wärmespeicherfluid aber nicht durch die Turbinen 120, 121 geleitet. Vielmehr wird die Wärme vom Wärmespeicherfluid auf ein hiervon verschiedenes Arbeitsfluid übertragen, das in einem separatem Kreislauf, dem Arbeitsfluid-Kreislauf 140, geleitet wird. Das Wärmespeicherfluid zirkuliert in einem eigenen Kreislauf, dem Wärmespeicherfluid-Kreislauf 130.
Hierdurch werden verschiedene Nachteile überwunden, die bei einem einzigen Kreislauf auftreten würden: Zum Antreiben von Turbinen wird häufig Wasserdampf verwendet; Wird als Wärmespeicherfluid Wasser verwendet, würde es daher von den Wärmespeichereinheiten verdampft werden. Bei solch einem Phasenübergang wird an der Kante der Wärmespeichereinheit (das heißt am Eingangsbereich, in dem Wärmespeicherfluid zur Wärmespeichereinheit gelangt) äußerst viel Wärmeenergie der Wärmespeichereinheit entnommen. Dadurch würde der Wärmespeicher ungleichmäßig entladen und Materialbelastungen können hoch sein. Außerdem muss der Druck des Fluids an der Turbine verhältnismäßig hoch sein. Bei einem einzigen Kreislauf hätte dies zur Folge, dass sämtliche Leitungen an den Wärmespeichereinheiten ebenfalls für höhere Drücke ausgelegt werden müssten. Die Temperatur des Wärmespeicherfluids hängt zudem von der momentanen Temperatur der Wärmespeichereinheiten ab und schwankt daher. Turbinen haben hingegen einen maximalen Wirkungsgrad nur für bestimmte Temperatur/Druck- Eigenschaften des auftreffenden Fluids. Diese Nachteile werden vollständig oder zumindest teilweise überwunden, indem zwei voneinander getrennte Kreisläufe, der Arbeitsfluid-Kreislauf 140 und der Wärmespeicherfluid-Kreislauf 130, verwendet werden.
Im Wärmespeicherfluid-Kreislauf 130 ist eine Wärmespeicherfluid-Pumpe 125 angeordnet, welche das Wärmespeicherfluid im Kreislauf 130 zirkuliert. Zudem ist im Arbeitsfluid-Kreislauf 140 eine Arbeitsfluid-Pumpe 145 angeordnet, welche das Arbeitsfluid im Kreislauf 140 zirkuliert. Durch die Arbeitsfluid-Pumpe 145 wird ein wesentlich höherer Druck bereitgestellt als durch die Wärmespeicherfluid-Pumpe 125, beispielsweise ein mindestens 10mal so hoher Druck.
Das Wärmespeicherfluid kann einen höheren Siedepunkt haben als das Arbeitsfluid, so dass das Wärmespeicherfluid als Flüssigkeit vorliegt und nicht durch Wärme von den Wärmespeichereinheiten verdampft wird. Hingegen wird das Arbeitsfluid durch die Wärmeenergie vom Wärmespeicherfluid verdampft und nach Durchströmen der Turbinen 120, 121 in einem Kondensor 124 verflüssigt. Der Kondensor 124 kann, wie dargestellt, einen Wärmetauscher umfassen, über den Wärme vom Arbeitsfluid abgeführt wird, beispielsweise auf eine Flüssigkeit, die sodann weiter verwendet werden kann, zum Beispiel zu Heizzwecken. Indem Wärmespeicherfluid nicht verdampft wird, wird der oben geschilderte Nachteil vermieden, dass durch eine Verdampfung schlagartig große Energiemengen einem Teil des Wärmespeicherkörpers 30 entzogen wird. Das Wärmespeicherfluid kann beispielsweise ein Öl sein, während das Arbeitsfluid Wasser oder eine wässrige Lösung ist.
Um Wärmeenergie vom Wärmespeicherfluid auf das Arbeitsfluid zu übertragen, ist mindestens ein erster Fluidkreislauf-Wärmetauscher 131 vorhanden. Im dargestellten Beispiel ist auch ein zweiter Fluidkreislauf-Wärmetauscher 132 vorgesehen. Durch jeden dieser Wärmetauscher 131 , 132 hindurch wird Arbeitsfluid und getrennt hiervon auch Wärmespeicherfluid geleitet, wobei die jeweiligen Rohre für einen hohen Wärmetransfer thermisch miteinander gekoppelt sind.
Der erste Fluidkreislauf-Wärmetauscher 131 ist hinsichtlich des Arbeitsfluid- Kreislaufs 140 vor der Turbine 120 angeordnet. Der zweite Fluidkreislauf- Wärmetauscher 132 ist hingegen hinsichtlich des Arbeitsfluid-Kreislaufs 140 zwischen den beiden Turbinen 120, 121 angeordnet.
Die beiden Fluidkreislauf-Warmetauscher 131 , 132 können hinsichtlich des Wärmespeicherfluid-Kreislaufs 130 parallel zueinander angeordnet ist. Hierbei kann eine Leitung des Wärmespeicherfluids vor den beiden Fluidkreislauf- Wärmetauschern 131 , 132 sich auf zwei Leitungen 135, 136 aufteilen, welche durch jeweils einen der beiden Fluidkreislauf-Warmetauscher 131 , 132 verlaufen. Danach werden die beiden Leitungen 135, 136 wieder zusammengeführt.
Wie dargestellt, können zumindest einige der Wärmespeichervorrichtungen 100 auf zueinander parallelen Leitungen angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass die parallel zueinander angeordneten Wärmespeichervorrichtungen 100 im Wesentlichen gleich stark entladen werden, das heißt insbesondere im Wesentlichen gleich viel Energie auf das durchströmende Wärmespeicherfluid übergeht. So wird vermieden, dass eine Wärmespeichervorrichtung 100 eine Maximaltemperatur erreicht hat und demnach keine weitere Energie aus dem externen Stromnetz aufnehmen und speichern kann, während eine andere der Wärmespeichervorrichtungen 100 weit von der Maximaltemperatur entfernt ist. Wenn möglichst viele der Wärmespeichervorrichtungen 100 gleichzeitig elektrische Energie aufnehmen können, ist eine maximal mögliche Aufnahme elektrischer Energie vorteilhafterweise höher.
Zudem können einige der Wärmespeichervorrichtungen 100 im Wärmespeicherfluid- Kreislauf 130 hintereinander angeordnet sein, also nacheinander vom Wärmespeicherfluid durchströmt werden. Hierbei ist zwar die Entladung (also der Wärmetransfer auf das Wärmespeichermedium) aus den hintereinander angeordneten Wärmespeichervorrichtungen 100 unterschiedlich. Allerdings resultieren aus dieser Anordnung ebenfalls Vorteile: Das Wärmespeicherfluid sollte eine Minimaltemperatur nicht unterschreiten, woraus eine Minimaltemperatur für eine Wärmespeichervorrichtung 100 resultiert. Es ist aber wünschenswert, dass eine Minimaltemperatur der Wärmespeichervorrichtung 100 gering ist, denn dadurch ist eine mögliche Temperaturdifferenz der Wärmespeichervorrichtung 100 und somit ihre Speicherkapazität hoch. Sind zwei oder mehr Wärmespeichervorrichtungen 100 hintereinander angeordnet, können diese mit unterschiedlichen Minimaltemperaturen betrieben werden. Eine vordere dieser Wärmespeichervorrichtungen 100 kann eine niedrigere Minimaltemperatur haben als eine hintere dieser Wärmespeichervorrichtungen 100. Die hintere Wärmespeichervorrichtung 100 garantiert eine gewünschte Mindesttemperatur des Wärmespeicherfluids. Die vordere Wärmespeichervorrichtung 100 kann hingegen über einen sehr großen Temperaturbereich betrieben werden (das heißt über einen größeren Temperaturbereich als die hintere Wärmespeichervorrichtung 100) und hat demnach eine besonders hohe Speicherkapazität. Alternativ oder zusätzlich können auch die jeweiligen Maximaltemperaturen von hintereinander angeordneten Wärmespeichervorrichtungen 100 unterschiedlich sein.
In anderen Worten kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein und dazu betrieben werden, von den hintereinander angeordneten Wärmespeichervorrichtungen 100 eine vordere Wärmespeichervorrichtung 100 über einen größeren Temperaturbereich zu betreiben als eine hintere Wärmespeichervorrichtung 100.
Für die gesamte Speicherkapazität einer Wärmespeichervorrichtung 100 ist außer ihres Temperaturbereichs, das heißt des Bereichs zwischen der im Betrieb genutzten Minimal- und Maximaltemperatur der Wärmespeicherkörper 30, auch die gesamte Masse ihrer Wärmespeicherkörper 30 relevant. Wird eine hintere Wärmespeichervorrichtung 100 aus mehreren hintereinander angeordneten Wärmespeichervorrichtungen ohnehin nur über einen kleineren Temperaturbereich genutzt, bietet es sich an, die Masse ihrer Wärmespeicherkörper geringer zu wählen als die Masse der Wärmespeicherkörper der vorderen Wärmespeichervorrichtung 100. Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem die vordere Wärmespeichervorrichtung mehr Wärmespeichereinheiten umfasst als die hintere Wärmespeichervorrichtung; im Übrigen können die Wärmespeichereinheiten der vorderen und hinteren Wärmespeichervorrichtung 100 gleich sein.
Das Kraftwerk 1 10 kann zusätzlich zu den dargestellten Komponenten auch einen Brenner für einen (fossilen) Energieträger aufweisen, beispielsweise zum Verbrennen von Kohle, Erdgas oder Synthesegas. Die dadurch freiwerdende Wärme kann ebenfalls auf das Arbeitsfluid oder auch das Wärmespeicherfluid übertragen werden. Es kann vorgesehen sein, eine Leistung des Brenners abhängig von einer Stromaufnahme der elektrischen Heizer 10 zu steuern. Eine Stromaufnahme erfolgt insbesondere (oder ausschließlich) dann, wenn ein Überangebot an elektrischer Energie vorliegt. Zu dieser Zeit ist es also wünschenswert, wenn weniger elektrische Energie erzeugt wird und demnach die Leistung des Brenners verringert wird. So kann die Leistung des Brenners auf einen reduzierten Wert erniedrigt werden, wenn die Wärmespeichervorrichtungen 100 geladen werden, insbesondere wenn ihre elektrische Leistungsaufnahme einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt. Hingegen wird die Leistung des Brenners nicht auf den reduzierten Wert erniedrigt, sondern auf einem höheren Wert gehalten, wenn die Leistungsaufnahme der elektrischen Heizer nicht den Schwellwert übersteigt.
Durch das erfindungsgemäße Kraftwerk können in einfacher und kostengünstiger Weise große Mengen elektrischer Energie als Wärmeenergie gespeichert und sodann wieder in elektrische Energie umgewandelt werden.

Claims

Ansprüche
1 . Kraftwerk zum Erzeugen von elektrischer Energie, umfassend:
mindestens eine Wärmespeichervorrichtung (100) zum Speichern von elektrischer Energie in Wärmeenergie, mit mindestens einer Wärmespeichereinheit (1 ), wobei jede Wärmespeichereinheit (1 ) umfasst: einen elektrischen Heizer (10) zum Umwandeln von elektrischer Energie in Wärmeenergie,
mindestens einen Wärmespeicherkörper (30, 31 ) zum Aufnehmen und Speichern von Wärmeenergie des elektrischen Heizers (10), einen Wärmetauscher (50) zum Aufnehmen von Wärmeenergie vom Wärmespeicherkörper (30, 31 ), wobei der Wärmetauscher (50) Wärmetauscherrohre (51 ) zum Leiten eines Wärmespeicherfluids umfasst,
mindestens eine erste Turbine (120),
einen Generator (123), der mit der ersten Turbine (120) gekoppelt ist, zum Erzeugen von elektrischer Energie aus einer von der Turbine bereitgestellten Drehbewegung,
einen Wärmespeicherfluid-Kreislauf (130), der mit dem Wärmetauscher (50) oder den Wärmetauschern (50) verbunden ist,
einen Arbeitsfluid-Kreislauf (140), der mit der ersten Turbine (120) verbunden ist,
mindestens einen ersten Fluidkreislauf-Wärmetauscher (131 ) zum Übertragen von Wärme vom Wärmespeicherfluid auf ein Arbeitsfluid im Arbeitsfluid-Kreislauf (140),
dadurch g e k e n n z e i c h n e t,
dass eine zweite Turbine (121 ) und ein zweiter Fluidkreislauf-Wärmetauscher (132) vorhanden sind, dass die zweite Turbine (121 ) ebenfalls mit dem Generator (123) gekoppelt ist, um diesen anzutreiben,
dass im Arbeitsfluid-Kreislauf (140) die erste Turbine (120) stromabwärts vom ersten Fluidkreislauf-Warmetauscher (131 ) angeordnet ist,
dass der zweite Fluidkreislauf-Warmetauscher (132) stromabwärts von der ersten Turbine (120) angeordnet ist,
dass die zweite Turbine (121 ) stromabwärts vom zweiten Fluidkreislauf- Warmetauscher (132) angeordnet ist,
dass der erste und der zweite Fluidkreislauf-Wärmetauscher (131 , 132) im Wärmespeicherfluid-Kreislauf (130) in zwei zueinander parallelen Leitungen (135, 136) angeordnet sind,
dass eine Steuereinrichtung im Wärmespeicherfluid-Kreislauf (130) vorhanden ist, welche dazu eingerichtet ist, eine Aufteilung von Wärmespeicherfluid zu dem ersten Fluidkreislauf-Wärmetauscher (131 ) und dem zweiten Fluidkreislauf- Wärmetauscher (132) variabel einzustellen.
2. Kraftwerk nach Anspruch 1 ,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t,
dass im Arbeitsfluid-Kreislauf (140) ein erster Bypass um den ersten Fluidkreislauf-Wärmetauscher (131 ) vorhanden ist, um Arbeitsfluid unter Umgehung des ersten Fluidkreislauf-Wärmetauschers (131 ) zur ersten Turbine (120) zu leiten, und
dass eine erste Bypass-Steuereinrichtung vorgesehen und dazu eingerichtet ist, eine Aufteilung von Arbeitsfluid zum ersten Fluidkreislauf-Wärmetauscher (131 ) und zum ersten Bypass variabel einzustellen.
3. Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t,
dass im Arbeitsfluid-Kreislauf (140) ein zweiter Bypass um den zweiten Fluidkreislauf-Wärmetauscher (132) vorhanden ist, um Arbeitsfluid unter Umgehung des zweiten Fluidkreislauf-Wärmetauschers (132) zur zweiten Turbine (121 ) zu leiten, und dass eine zweite Bypass-Steuereinhchtung vorgesehen und dazu eingerichtet ist, eine Aufteilung von Arbeitsfluid zum zweiten Fluidkreislauf-Wärmetauscher (131) und zum zweiten Bypass variabel einzustellen.
4. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine elektrische Steuereinheit vorgesehen und dazu eingerichtet ist, variabel einzustellen, ob momentan mehr elektrische Energie aus einem externen Stromnetz durch den oder die elektrische Heizer (10) aufgenommen oder an das externe Stromnetz durch den Generator (123) ausgegeben wird.
5. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Wärmespeichervorrichtungen (100) vorgesehen sind, von denen zumindest einige im Wärmespeicherfluid-Kreislauf (130) parallel zueinander angeordnet sind.
6. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Wärmespeichervorrichtungen (100) vorgesehen sind, von denen zumindest einige im Wärmespeicherfluid-Kreislauf (130) hintereinander angeordnet sind.
7. Kraftwerk nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist und dazu betrieben wird, von den hintereinander angeordneten Wärmespeichervorrichtungen (100) eine vordere Wärmespeichervorrichtung (100) über einen größeren Temperaturbereich zu betreiben als eine hintere Wärmespeichervorrichtung (100).
8. Kraftwerk nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass eine vordere Wärmespeichervorrichtung (100) aus den hintereinander angeordneten Wärmespeichervorrichtungen (100) mehr Wärmespeichereinheiten (1 ) umfasst als eine hintere Wärmespeichervorrichtung (100) aus den hintereinander angeordneten Wärmespeichervorrichtungen (100).
9. Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks zum Erzeugen von elektrischer
Energie, umfassend die folgenden Schritte:
Umwandeln von elektrischer Energie in Wärmeenergie mit einem
elektrischen Heizer (10) einer Wärmespeichereinheit (1 ) von mindestens einer Wärmespeichervorrichtung (100),
Aufnehmen und Speichern von Wärmeenergie des elektrischen Heizers (10) mit mindestens einem Wärmespeicherkörper (30, 31 ) der Wärmespeichereinheit (1 ),
Übertragen von Wärmeenergie des mindestens einen
Wärmespeicherkörpers (30, 31 ) auf ein Wärmespeicherfluid mit Hilfe eines Wärmetauschers (50), welcher Wärmetauscherrohre (51 ) zum Leiten eines Wärmespeicherfluids umfasst,
Antreiben mindestens einer ersten Turbine (120),
Erzeugen von elektrischer Energie aus einer von der Turbine (120) bereitgestellten Drehbewegung mit Hilfe eines Generators (123), der mit der ersten Turbine (120) gekoppelt ist,
Leiten des Wärmespeicherfluids entlang einem Wärmespeicherfluid-Kreislauf (130), welcher mindestens einen ersten Fluidkreislauf-Wärmetauscher (131 ) umfasst,
Übertragen von Wärmeenergie mit Hilfe des mindestens ersten Fluidkreislauf-Wärmetauschers (131 ) vom Wärmespeicherfluid auf ein Arbeitsfluid,
Leiten des Arbeitsfluids in einem Arbeitsfluid-Kreislauf (140) zu der ersten Turbine (120) zum Antreiben der ersten Turbine (120),
dadurch g e k e n n z e i c h n e t,
dass eine zweite Turbine (121 ) und ein zweiter Fluidkreislauf-Wärmetauscher (132) vorhanden sind,
dass die zweite Turbine (121 ) ebenfalls den Generator (123) antreibt, dass im Arbeitsfluid-Kreislauf (140) die erste Turbine (120) stromabwärts vom ersten Fluidkreislauf-Wärmetauscher (131 ) angeordnet ist,
dass der zweite Fluidkreislauf-Wärmetauscher (132) stromabwärts von der ersten Turbine (120) angeordnet ist,
dass die zweite Turbine (121 ) stromabwärts vom zweiten Fluidkreislauf- Wärmetauscher (132) angeordnet ist,
dass der erste und der zweite Fluidkreislauf-Wärmetauscher (131 , 132) im Wärmespeicherfluid-Kreislauf (130) in zwei zueinander parallelen Leitungen (135, 136) angeordnet sind.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
g e k e n n z e i c h n e t durch zumindest die folgenden Schritte:
Betreiben einer Arbeitsfluid-Pumpe (145), um den Druck des Arbeitsfluids im Arbeitsfluid-Kreislauf (140) zu erhöhen,
Betreiben einer Wärmespeicherfluid-Pumpe (125), um den Druck des Arbeitsfluids im Wärmespeicherfluid-Kreislauf (130) zu erhöhen,
wobei die Arbeitsfluid-Pumpe (145) und die Wärmespeicherfluid-Pumpe (125) so betrieben werden, dass der Druck des Arbeitsfluids größer ist als der Druck des Wärmespeicherfluids.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
g e k e n n z e i c h n e t durch zumindest die folgenden Schritte:
- Leiten des Wärmespeicherfluids in flüssiger Form zu und durch die
mindestens eine Wärmespeichervorrichtung (100), wobei das
Wärmespeicherfluid nicht verdampft wird,
- Leiten des Arbeitsfluids durch den ersten Fluidkreislauf-Wärmetauscher
(131 ), wobei das Arbeitsfluid verdampft wird.
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