WO2020025802A1 - Vorrichtung und verfahren zur thermisch-elektrochemischen energiespeicherung und energiebereitstellung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur thermisch-elektrochemischen energiespeicherung und energiebereitstellung Download PDF

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WO2020025802A1
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Jonathan FLESCH
Klarissa NIEDERMEIER
Dennis OTTE
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Karlsruher Institut für Technologie
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    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for thermally electrochemical energy storage and energy supply, and a use of the device.
  • the invention is particularly located in the field of electrical and thermal energy generation, distribution and storage.
  • the device can be set up for short-term storage and long-term storage of electrical energy.
  • the device can be set up for short-term storage, in particular short-term storage over a period of less than 48 hours of thermal energy.
  • the device can be used in solar thermal power plants.
  • Thermal storage systems can generally contain salt mixtures.
  • the salt mixtures can in particular be phase change materials. It can be latent heat storage, which is able to store phase change materials with a high thermal storage capacity over a longer period above and / or below an ambient temperature.
  • Their mode of operation is based in particular on utilizing reversible thermodynamic changes in the state of a storage medium, for example in the case of a phase transition from solid to liquid.
  • the phase change material can thus change its physical state during thermal storage and thereby store an energy required for the phase change without further temperature increase.
  • phase change materials suitable for use in thermal stores, but cannot basically there is material compatibility with a primary heat transfer medium, which is explained in more detail below.
  • the heat transport medium and the latent storage medium are therefore usually not in direct contact, but are basically separated from one another by barriers for mass transport. This can be done, for example, by encapsulating the phase change materials or by enclosing the heat transport fluid stream, for example in pipelines. These capsules can represent an additional thermal barrier for the heat transfer to the phase change material and increase investment costs due to a required encapsulation step.
  • US 4,421,661 A describes a high temperature direct contact thermal energy storage element for use in a system for storing and recovering thermal energy in the range of about 400 ° to about 2000 ° F.
  • the heat energy is stored directly, without heat exchange tubes in the latent composite or heat transfer media for sensible heat, which use the heat of fusion and high temperature stability of alkali metal and alkaline earth metal carbonates, chlorides, nitrates, nitrites, fluorides, hydroxides, sulfates and mixtures, which itself are held in a porous support structure material and can be stored as sensible heat.
  • the thermal energy store according to the invention can be effectively used to store thermal energy derived from solar, industrial waste, process heat and high temperature gas reactor energy sources and recovered for a wide variety of applications such as combustion air preheating and drying, such as space heating, heating of process gases and the like.
  • a system for storing and recovering thermal energy is described in US2016 / 0201995 A1.
  • At least one phase change material (solid liquid) and a tangible heat solid material are used as the medium for storing / recovering the heat coming from an external source.
  • the aforementioned materials are properly housed in a single tank containing at least two zones that differ in the temperature range to which they are exposed. Each zone contains a different material.
  • WO 2014/033712 A2 describes an energy conversion and storage system and a method in which a battery catholyte composition (e.g. after or during a discharge process) is decomposed by heating to produce a decomposed catholyte and an anolyte component separate therefrom, which enables the use of the anolyte.
  • DE 709741 A relates to the production of sodium by electrolysis of a molten mixture of chloromatium and chlorine calcium in cells which allow the electrolyte to flow freely into the electrolysis zone, in particular in cells in which a centrally arranged electrode is surrounded in a ring by the second electrode and an annular diaphragm is arranged between the electrodes, as is known under the name Downs cell.
  • US 9431681 B2 describes a molten sodium secondary cell which charges at a high temperature and discharges at a relatively low temperature.
  • the cell contains a sodium anode and a cathode.
  • a solid membrane that conducts sodium ions separates the cathode from the sodium anode and selectively transports sodium ions.
  • a solar energy source includes a photovoltaic system to provide electrical charging potential to the sodium anode and cathode, and a solar thermal concentrator to provide heat to the cathode and catholyte composition to charge the molten sodium secondary cell at a temperature in this range of approximately 300 800 ° C.
  • the cell has a charge temperature and a charge voltage and a discharge temperature and a discharge voltage. The charge temperature is significantly higher than the discharge temperature and the charge voltage is lower than the discharge voltage.
  • EP 2 394 321 B1 describes an electrochemical cell which, according to one embodiment of the invention, comprises a first electrode which contains a first phase which is mixed with a second phase and a network of interconnected pores.
  • the first phase contains a ceramic material and the second phase contains an electrically conductive material that is an electrically connected path through the first Provides electrode.
  • the electrochemical cell further comprises a second electrode that contains an alkali metal.
  • US Pat. No. 5,186,794 A describes an apparatus and a method for the radiation-enhanced electrolytic production of alkali metal hydroxide, molecular halogen and hydrogen.
  • the reduction in electrical energy requirement is achieved by using radiation to activate photosensitive metallic hexahalide ions, thereby reducing the electrolysis electrode potential.
  • the conventional halogen oxidation reaction is replaced by the oxidation of a metallic hexahalide, which occurs at a lower overvoltage and a lower reversible cell potential. Radiant energy thus replaces electrical energy for the production of alkali hydroxide, molecular halogen and hydrogen.
  • a disadvantage of known methods is that there is generally no material compatibility with a primary heat transport medium.
  • a fixed bed cannot fundamentally be rebuilt from a molten fixed bed made of a phase change material after it has cooled.
  • phase change materials are usually encapsulated, for example in small metal spheres or in at least almost closed channels or balls. These capsules can represent an additional thermal barrier for heat transfer to the phase change material and increase investment costs due to the required encapsulation step.
  • electrochemical cells very often have a membrane.
  • the membrane can represent an additional barrier for the transport of heat and material or charge carriers. In particular, the membrane can be chemically attacked, clogged or form cracks.
  • the object of the present invention is to provide a device and a method for thermal-electrochemical energy storage and energy supply, as well as a use of the device, which at least partially overcome the disadvantages and limitations of the prior art.
  • the device and the method should enable a high storage density.
  • an inexpensive storage concept should be feasible and a number of additional components such as heat exchangers should be reduced.
  • electrochemical storage media are to be provided which can provide energy over long periods, for example after being stored in summer, during which a lot of electricity from photovoltaics is generated due to the many hours of sun, until winter.
  • it should be possible to reduce supply gaps on days in winter without wind and sun.
  • the terms “have”, “have”, “comprise” or “include” or any grammatical deviations therefrom are used in a non-exclusive manner. Accordingly, these terms can refer both to situations in which, apart from the features introduced by these terms, no further features are present, or to situations in which one or more further features are present.
  • the terms “at least one” and “one or more” as well as grammatical variations of these terms, if these in Are used in connection with one or more elements or features and are intended to express that the element or feature can be provided one or more times, are generally used only once, for example when the feature or element is first introduced.
  • the corresponding term “at least one” or “one or more” is generally no longer used without restricting the possibility that the feature or element can be provided one or more times.
  • the present invention relates to a device for thermal electrochemical energy storage and energy supply.
  • the device comprises:
  • At least one thermal energy store comprising at least one heat transport medium and at least one storage medium selected from the group consisting of: an electrochemical storage medium, a thermal storage medium;
  • At least one heating device the heating device being set up to receive the heat transport medium from the thermal energy store, to heat it and to return it to the thermal energy store;
  • the electrochemical cell comprising at least one gas space, the electrochemical cell further comprising at least one first electrode and at least one second electrode; wherein the second electrode is designed as a 3-phase electrode, the 3-phase electrode having at least a first phase boundary with the gas space and at least a second phase boundary with the electrochemical storage medium; wherein the electrochemical cell is set up to implement the electrochemical storage medium electrochemically; and at least one container, the container being set up to hold a supply of the heat transport medium, the container being further set up to receive the thermal storage medium from the thermal energy store.
  • thermo-electrochemical energy storage and energy supply basically denotes any concept for storing energy, in particular energy, in particular for later use. In principle, the energy can be converted back if necessary.
  • the energy storage can in principle be classified according to a stored form of energy, but a different form of energy can often be used during a charging process and / or during a discharging process. As a result, energy can be stored both as thermal energy and as electrical energy at the same time and, if required, can be made available again in the form of thermal energy and electrical energy.
  • thermal energy store is therefore to be understood in principle as any heat store which stores thermal energy.
  • the structural features of the thermal energy store are described in more detail below.
  • the thermal energy store can also be set up to simultaneously serve as a store for electrochemical energy sources.
  • the device for thermal-electrochemical energy storage and energy supply can also be set up for thermal-electrochemical energy generation and for thermal-electrochemical energy distribution.
  • the device can be suitable for short-term and long-term storage of electrical energy and for short-term storage, in particular for storage over a period of less than 48 hours of thermal energy.
  • the device can be used in particular in solar thermal power plants.
  • the device can be suitable for combining a large number of temporally dynamic producers into a constant power source in a network.
  • the thermal energy store can in particular be designed as a container.
  • a “container” can basically be understood to mean any vessel that belongs to it serves to store or transport a substance in the vessel.
  • the thermal energy store can therefore also be referred to as a storage container.
  • the thermal energy store comprises at least one storage medium and at least one heat transport medium.
  • the term "heat transfer medium” basically refers to any substance that is suitable for absorbing thermal energy and then releasing or transferring thermal energy to another substance.
  • the heat transport medium can in particular be sodium or comprise sodium.
  • the term “storage medium” basically refers to any substance that is suitable for storing energy and releasing the energy again.
  • the storage medium can in particular be an electrochemical storage medium.
  • the storage medium can be a thermal storage medium.
  • the term “thermal storage medium” basically designates any storage medium which is set up to store and release energy, in particular thermal energy, in particular by transitioning to another state of matter.
  • the device can comprise the electrochemical storage medium and the thermal storage medium.
  • electrochemical storage medium basically designates any storage medium which is set up to store energy and, in particular by means of a chemical conversion, to release the energy again.
  • the electrochemical storage medium can therefore be set up as a heat transport medium.
  • the electrochemical storage medium can be set up as a reaction product of an electrochemical storage.
  • the electrochemical storage medium can comprise sodium cations and chloride anions, in particular in a liquid state.
  • the thermal storage medium may include sodium chloride and calcium chloride, particularly in a solid state.
  • the sodium chloride can be particularly suitable for storing energy.
  • the calcium chloride can be added to the sodium chloride to adjust a melting point of a mixture of calcium chloride and sodium chloride. Mixtures of sodium chloride with substances other than calcium chloride can also be used. For example, a mixture of sodium chloride, calcium chloride and barium chloride can be used. For example, a mixture of sodium chloride and strontium chloride can be used. In principle, other mixtures are also conceivable.
  • the thermal energy store can also have one or more inlets and / or outlets for sodium and / or sodium chloride. The inlets and / or the outlets can in particular be arranged on a tank bottom of the thermal energy store.
  • the thermal energy store can have a fixed bed of particles.
  • the particles can include sodium chloride and calcium chloride.
  • the term “fixed bed” basically refers to an arbitrary filling of particles. In particular, individual particles of the fill can touch, in particular through point contacts and channels can be located between the particles, in particular free channels. A fluid can flow through the channels, in particular the free channels.
  • the calcium chloride can be set up to set a melting point. In particular, the calcium chloride can be added to the sodium chloride in order to achieve a melting point of a mixture of calcium chloride and sodium chloride of below 560 ° C. Depending on the mixing ratio of sodium chloride and calcium chloride, the fixed bed can have a melting point in the interval between 500 ° C.
  • the fixed bed can have a melting point of 550 ° C. to 650 ° C., in particular 580 ° C. to 630 ° C., in particular 590 ° C. to 610 ° C., in particular 600 ° C., in particular 600 ° C. to 650 ° C. , exhibit.
  • a melting point of 550 ° C. to 650 ° C., in particular 580 ° C. to 630 ° C., in particular 590 ° C. to 610 ° C., in particular 600 ° C., in particular 600 ° C. to 650 ° C.
  • a mixture of sodium chloride and calcium chloride in a corresponding mixing ratio can already melt at about 500 ° C.
  • a mixture of sodium chloride and calcium chloride with a very low proportion of sodium chloride can have a melting point of 500 ° C.
  • This mixture can have a small storage capacity. If the proportion of sodium chloride in the mixture of sodium chloride and calcium chloride is increased, the storage capacity can in principle be increased. As a result, the melting point of the mixture of sodium chloride and calcium chloride can rise, in particular to a melting temperature of 50 ° C. and 805 ° C.
  • the sodium chloride and the calcium chloride can be in a solid state at a temperature of 120 ° C to 170 ° C, in particular at a temperature of 150 ° C.
  • the fixed bed can be set up to liquefy when energy is supplied.
  • the fixed bed can in particular be designed as a phase change material.
  • phase change material basically refers to any material that is considered Latent heat storage is designed.
  • the latent heat store can be set up in order to be able to store a high proportion of heating and cooling energy over a long period of time and to be able to release it again at least almost without loss.
  • a mode of operation of the latent heat store can be based in particular on utilizing reversible thermodynamic changes in the state of a storage medium, for example in the case of a phase transition from solid to liquid.
  • the phase change material can thus change its physical state during thermal storage and thereby store an energy required for the phase change without further temperature increase.
  • the sodium can be in a liquid state.
  • the sodium can therefore be used as a fluid.
  • the sodium can fill the free channels of the fixed bed.
  • the device comprises the heating device.
  • the term “heating device” basically designates any device that is set up to heat another object, that is to supply heat to the other object.
  • the heating device can in particular be designed as a continuous flow heater. Thereby heat can be given off continuously.
  • the device can be set up to convey the sodium, in particular liquid sodium, from the thermal energy store to the heating device by means of a pump.
  • the heating device can be set up to heat the sodium.
  • the heating device can be designed, for example, as a solar thermal tower power plant.
  • the device may further comprise at least one tower with at least one spire, and the heating device may be attached to the spire.
  • the heating device can be configured to receive solar energy from an environment of the heating device. Furthermore, the heating device can be set up to heat the sodium by means of sunlight, in particular concentrated sunlight. This can cause the temperature of the sodium to rise.
  • the heating device can be set up to heat the sodium to a temperature of at least 500 ° C., preferably at least 510 ° C., preferably at least 600 ° C., preferably at least 620 ° C., and particularly preferably at least 630 ° C. and at most 850 ° C. , preferably to 850 ° C.
  • the device can also be set up to store the sodium at a temperature of at least 500 ° C., preferably at least 510 ° C., preferably at least 600 ° C., preferably at least 620 ° C. particularly preferably at least 630 ° C, and preferably at most 850 ° C to be returned to the thermal storage container.
  • the device can further comprise at least one pump.
  • the pump can be set up to transport the sodium from the thermal energy store into the heating device.
  • the heating device can in particular be set up to bring the heat transport medium to a temperature from 500 ° C. to 850 ° C., preferably from 510 ° C. to 850 ° C., preferably from 600 ° C. to 850 ° C., preferably from 620 ° C.
  • the heating device can generally be set up to heat the heat transport medium to a temperature in an interval between a melting point of the heat transport medium and 850 ° C.
  • the heat transport medium can be heated at a temperature of at least 20 ° C., in particular at least 30 ° C., above the melting point of the heat transport medium. In particular, this can prevent or at least reduce unwanted solidification of the heat transport medium in cool places.
  • electrochemical cell basically refers to any cell that comprises at least two electrodes and at least one electrolyte.
  • the electrochemical cell can be set up to force a redox reaction by applying an external voltage.
  • the electrochemical cell can comprise a DC voltage source that is configured to supply electrical energy.
  • the electrical energy can be set up to be at least partially converted into chemical energy.
  • the electrochemical cell can in particular be designed as an electrochemical storage cell.
  • the electrochemical storage cell can be set up to store electrical energy or to make it available again when required.
  • the device for electrochemical energy storage can furthermore have at least one transport device which is set up to transport the storage medium to the electrochemical cell.
  • the electrochemical cell comprises the at least one first electrode and the at least one second electrode.
  • first electrode and second electrode are to be regarded as purely descriptive and as pure designations, without specifying a ranking order and, for example, without excluding the possibility that multiple types of first electrodes and multiple types of second electrodes or exactly one type each are provided can be. Additional electrodes, for example third electrodes, may also be present.
  • electrode basically designates any electron conductor which is designed to interact with a counter electrode with a medium located between the two electrodes, in particular an electrolyte.
  • the Electrode can be made entirely or at least partially of an electrically conductive material, in particular of a metallic material.
  • the first electrode and the second electrode can each be switchable as a cathode or as an anode.
  • the first electrode can initially be designed as an anode and the second electrode can initially be designed as a cathode.
  • the first electrode can be designed as a cathode and the second electrode can be designed as an anode.
  • the term “anode” basically refers to any electrode that is set up to discharge anions or generate cations from an electrolyte while taking up electrons. The anode is thus set up to allow oxidation reactions to take place.
  • the term “cathode”, on the other hand basically denotes any electrode that is set up to exclude electrons. The cathode is therefore set up to allow reduction reactions to take place.
  • the electrochemical cell can be set up to convert sodium cations of the sodium chloride to elemental sodium and to convert chloride anions of the sodium chloride to chlorine, in particular to chlorine gas.
  • the second electrode is designed as a 3-phase electrode.
  • the term “3-phase electrode” basically designates any electrode which has a common phase boundary with a gas space, in particular with a gas space of an electrochemical cell, and with an electrolyte.
  • phase boundary basically refers to any interface between two or more different phases.
  • the liquid phase can in particular comprise the electrolyte, in particular the mixture comprising sodium and sodium chloride.
  • a “gas space” is basically to be understood as any volume that is set up to hold gas, in particular the chlorine gas.
  • the 3-phase electrode can be made in particular of steel.
  • the 3-phase electrode can be made of iron and / or graphite. Other materials are also conceivable in principle.
  • the 3-phase electrode can have a large surface.
  • the thermal energy store and the electrochemical cell can be fluidly connected to one another, in particular by means of at least one first pipeline.
  • the first pipeline can in particular be set up to establish a fluidic connection between the thermal energy store and the electrochemical cell.
  • the first pipeline can be set up to convey fluids between the thermal energy store and the electrochemical cell.
  • the first Pipe have at least a first partial pipeline and at least a second partial pipeline.
  • the first partial pipeline can be set up to enable the storage medium and / or the heat transport medium to be transported from the electrochemical energy store to the electrochemical cell.
  • the second partial pipeline can be set up to enable the storage medium and / or the heat transport medium to be transported from the electrochemical cell to the electrochemical energy store.
  • the device can in particular comprise at least one first transport device which is set up to transport the heat transport medium and / or the storage medium, in particular the electrochemical storage medium and / or the thermal storage medium, to the electrochemical cell.
  • the first transport device can be set up to transport the heat transport medium and / or the storage medium, in particular the electrochemical storage medium and / or the thermal storage medium, from the thermal energy store, in particular from the container of the thermal energy store, to the electrochemical cell.
  • the first transport device can in particular be or comprise at least one first pump.
  • the first transport device can be set up, in particular depending on an operating mode of the device, to transport the storage medium and / or the heat transport medium from the thermal energy store, in particular from the container of the thermal energy store, to the electrochemical cell.
  • the first transport device can comprise a first sub-device which is set up to transport the storage medium from the thermal energy store to the electrochemical cell and a second sub-device which is set up to transport the heat transport medium from the thermal energy store to the electrochemical cell.
  • the first sub-device and the second sub-device can be designed as separate elements, in particular as two separately designed pumps.
  • the device can further comprise at least one second transport device, which is set up, the heat transport medium and / or the storage medium, in particular the electrochemical storage medium and / or the thermal storage medium, from the electrochemical cell to the thermal energy store, in particular to the container of the thermal energy store , to transport.
  • the second transport device can in particular be or comprise at least one second pump.
  • the second transport device can be set up, in particular depending on an operating mode of the device, the storage medium and / or the heat transport medium from the electrochemical cell to the thermal cell Energy storage, to be transported.
  • the second transport device can comprise a third sub-device, which is set up to transport the storage medium from the electrochemical cell to the thermal energy store and a fourth sub-device, which is set up to transport the heat transport medium from the electrochemical cell to the thermal energy store.
  • the third part device and the fourth part device can be designed as separate elements, in particular as two separately designed pumps.
  • the first transport device and the second transport device can be designed as separate devices.
  • the first transport device and the second transport device can be formed in one piece, that is to say the first transport device can be set up to transfer the heat transport medium and / or the storage medium, in particular the electrochemical storage medium and / or the thermal storage medium, from the thermal energy store, in particular from the container thermal energy storage, to be transported to the electrochemical cell and can also be set up to transfer the heat transport medium and / or the storage medium, in particular the electrochemical storage medium and / or the thermal storage medium, from the electrochemical cell to the thermal energy storage, in particular to the container of the thermal energy storage , to transport.
  • the device also has the container.
  • the container is designed to hold a supply of the heat transfer medium, in particular sodium.
  • the container is set up to receive the storage medium from the thermal energy store.
  • the container can therefore be fluidly connected to the thermal energy store, in particular by means of at least one second pipeline.
  • the second pipeline can in particular be set up to establish a fluidic connection between the container and the electrochemical cell.
  • the second pipeline can be set up to convey fluids between the container and the electrochemical cell.
  • the second pipeline can have at least one third partial pipeline and at least one fourth partial pipeline.
  • the third partial pipeline can be set up to enable the storage medium and / or the heat transport medium to be transported from the container to the electrochemical cell.
  • the fourth partial pipeline can be set up to enable the storage medium and / or the heat transport medium to be transported from the electrochemical cell to the container.
  • the container can in particular be a further thermal energy store or comprise a further thermal energy store.
  • the device comprise at least one gas container, in particular at least one gas bottle.
  • the gas container can be set up to receive the chlorine gas.
  • the device can further comprise at least one third transport device, which is set up to transport the heat transport medium and / or the storage medium, in particular the electrochemical storage medium and / or the thermal storage medium, from the electrochemical cell to the container.
  • the container can be a thermal energy store, in particular a further thermal energy store.
  • the first transport device and the third transport device can therefore be different transport devices.
  • the third transport device can in particular be or comprise at least a third pump.
  • the third transport device can be set up, in particular depending on an operating mode of the device, to transport the storage medium and / or the heat transport medium from the electrochemical cell to the container.
  • the third transport device can comprise a fifth sub-device, which is configured to transport the storage medium from the electrochemical cell to the container, and a sixth sub-device, which is configured to transport the heat transport medium from the electrochemical cell to the container.
  • the fifth sub-device and the sixth sub-device can be designed as separate elements, in particular as two separately designed pumps.
  • the device can further comprise at least a fourth transport device, which is set up to transport the heat transport medium and / or the storage medium, in particular the electrochemical storage medium and / or the thermal storage medium, from the container to the electrochemical cell.
  • the fourth transport device can in particular be or comprise at least a fourth pump.
  • the fourth transport device can be set up, in particular depending on an operating mode of the device, to transport the storage medium and / or the heat transport medium from the container to the electrochemical cell.
  • the fourth transport device can comprise a seventh sub-device, which is configured to transport the storage medium from the container to the electrochemical cell, and an eighth sub-device, which is configured to transport the heat transport medium from the container to the electrochemical cell.
  • the seventh sub-device and the eighth sub-device can be designed as separate elements, in particular as two separately designed pumps.
  • the third transport device and the fourth transport device can be designed as separate devices.
  • the third transport device and the fourth transport device can be formed in one piece, ie the third transport device can be set up to transport the heat transport medium and / or the storage medium, in particular the electrochemical storage medium and / or the thermal storage medium, from the container to the electrochemical cell and can also be set up to transport the heat transport medium and / or the storage medium, in particular the electrochemical storage medium and / or to transport the thermal storage medium from the container to the electrochemical cell.
  • the device can further comprise a gas collecting device.
  • the gas collecting device can be set up to collect gas, in particular gas formed in the electrochemical cell.
  • the gas can be formed during an electrochemical conversion of the electrochemical storage medium by means of the electrochemical cell.
  • the gas collecting device can also be set up to provide the gas to the electrochemical cell, in particular to an electrochemical back reaction by means of the electrochemical cell.
  • the gas collecting device can in particular comprise the gas space, as has already been described or will be described below.
  • the gas collecting device can comprise a gas collecting container.
  • a chemical process can take place based on a chemical reaction of the gas, in particular chlorine.
  • the gas, in particular chlorine can be made available again, in particular by means of a chemical back reaction, in particular in the event of a need.
  • a method for thermal electrochemical energy storage and energy supply is proposed.
  • the method can include the method steps which are described below.
  • the method steps can be carried out, for example, in the specified order. Another order is also conceivable.
  • one or more method steps can be carried out simultaneously or overlapping in time.
  • one, several or all of the method steps can be carried out simply or repeatedly.
  • the method can also include further method steps.
  • the process comprises the following process steps:
  • Heat transport medium by means of the heating device to a temperature of 500 ° C to 850 ° C, preferably from 510 ° C to 850 ° C, preferably from 600 ° C to 850 ° C, preferably from 620 ° C to 850 ° C, preferably from 630 ° C to 850 ° C, and particularly preferably from 800 ° C to 850 ° C, the heat transfer medium being at least partially changes to a liquid phase;
  • An electrochemical potential can be generated in step c) and / or in step d).
  • an electrochemical potential difference can occur in step c) and / or in step d), which enables a usable electric current to flow, through which the electrochemical storage medium is formed again.
  • the electrochemical storage medium can take over a function of the thermal storage medium, which is set up to emit thermal energy by solidification from a liquid state to a solid state.
  • Thermal energy can basically be released during solidification and a transition to the solid state.
  • thermal charging basically refers to any process in which heat is supplied to an object. A temperature or temperature distribution of the object can be increased by this process. Step b) can therefore also be referred to as the thermal charging phase.
  • sodium can be in a solid state. This means that the sodium cannot be pumped.
  • the sodium can, for example, be heated to a temperature of at least 90 ° C. and preferably 150 ° C. by trace heating on the thermal energy store.
  • the sodium can then be conveyed to the heating device, in particular to a solar receiver, in order to heat it there to a temperature between 500 ° C. and 850 ° C., preferably 800 to 850 ° C.
  • the fixed bed of particles which have sodium chloride and calcium chloride can be in a solid state at around 150 ° C. in the thermal energy store.
  • the sodium can be in liquid form and used as a fluid covering the free channels of the fixed bed fills.
  • the liquid sodium can be conveyed by the pump from the thermal energy store to the heating device. This can be particularly advantageous since, in principle, no heat exchanger is required to transfer thermal energy from the heating device to the thermal storage medium in the thermal energy store.
  • the device can fundamentally not be set up exclusively for the transport of sodium, but generally for any heat transport media.
  • concentrated sunlight can be directed onto pipelines through which the sodium flows, which can result in an increase in the temperature of the sodium.
  • the sodium can thereby be heated to a temperature between 500 ° C. and 850 ° C., preferably between 510 ° C. and 850 ° C., preferably between 600 ° C. and 850 ° C., and preferably between 800 ° C. and 850 ° C. At this temperature, it is circulated back into the storage tank and re-enters the bottom of the tank, in which the sodium chloride is still at 150 ° C.
  • the sodium can flow through the free channels between the particles and release its thermal energy to the particles.
  • the temperature of the fixed bed can rise.
  • the melting point of the particles can be reached.
  • the particles can become liquid through the sodium. Due to the lower density of sodium compared to sodium chloride and calcium chloride, the molten salt mixture can sink to the bottom of the thermal energy store. Particles which are still solid can sink down and also become liquid there in contact with hot sodium from the heating device.
  • the sodium chloride and the calcium chloride can pass completely or at least almost completely into the liquid phase. In particular, a liquid sodium chloride-calcium chloride phase, on which a sodium phase floats, can form at the bottom of the thermal energy store.
  • Step b) can in particular comprise the following substeps:
  • bl transporting the heat transport medium into the heating device; b2) heating the heat transport medium to a temperature between 500 ° C. to 850 ° C., preferably from 510 ° C. to 850 ° C., preferably from 600 ° C. to 850 ° C., preferably from 620 ° C. to 850 ° C., preferably from 630 ° C to 850 ° C, and particularly preferably from 800 ° C and 850 ° C;
  • the thermal energy store can be heated to a temperature of 120 ° C. to 170 ° C., in particular to 150 ° C., the heat transport medium changing into a liquid phase.
  • the heating can take place in particular electrically and / or by means of a gas burner.
  • step bl the sodium can be transported from the thermal energy store into the heating device by means of the pump.
  • the heating device can absorb solar energy from an environment of the heating device.
  • step b3) the sodium can enter a bottom of the thermal energy store. After step b3), the sodium can give off thermal energy to the sodium chloride after heating.
  • electrochemical conversion basically means any process in which an electrochemical process converts a substance into another substance, in particular through an oxidation or a reduction.
  • the electrochemical storage medium can comprise sodium chloride and step c) can in particular comprise the following substeps:
  • the second electrode being connected as an anode.
  • Step c) can already be started if step b) has not yet been completed. Steps b) and c) can therefore be carried out at least partially at the same time.
  • step c) can be initiated when the sodium chloride is in the liquid state.
  • Step c) can therefore also be referred to as an electrochemical charging phase.
  • the NaCl can preferably be converted electrochemically as soon as the NaCl is liquefied. In principle, there should be as little liquid NaCl as possible. Steps b) and c) can therefore preferably be carried out simultaneously.
  • step c) part of the sodium chloride phase can be fed to the electrochemical toe.
  • the sodium cations at the cathode of the electrochemical toe can react to elemental sodium and at the anode the chloride anions can react to Ck gas.
  • the chlorine gas can then be led into the gas container for storage.
  • the sodium formed can be fed to the thermal energy store.
  • Step c) can basically continue until the sodium chloride has been almost completely converted. Consequently, the thermal energy generated in a solar thermal power plant can be converted to electrical energy during step c) in a thermal power process.
  • a voltage required for storage can in particular depend on a temperature of the electrochemical toe. The voltage can decrease with increasing temperature. Thus, a higher temperature can be aimed for during a charging phase than during a discharging phase:
  • Step d) can also be referred to as the electrochemical discharge phase.
  • an electrochemical back reaction can take place, which denotes a further electrochemical conversion by means of the electrochemical toe, by means of which the storage medium converted in step c) is formed again.
  • a sodium atom can donate an electron and pass into the liquid sodium chloride as a sodium cation.
  • a Ck molecule can take up two electrons from the gas and passes into the electrolyte as two chloride anions.
  • An electrochemical potential can develop, which can be used to generate electricity.
  • the electricity can be fed into a power grid.
  • the back reaction can take place by using the 3-phase electrode.
  • a lower temperature can be aimed for in the electrochemical toe than during the charging phase. This can lead to a discharge of the electrochemical toe over an at least almost entire phase of the discharge at a higher power and thus more electrical energy can be drawn than was necessary for storage.
  • a difference in energy can come from a thermal energy difference, which in particular can ultimately come from energy from the solar power plant. Any thermal energy generated during the discharge can be fed to the thermal energy store and transferred there to the sodium, which functions as the primary heat transport medium. This can transport the thermal energy to the thermal power process, which converts the heat into electrical energy.
  • the storage medium can comprise sodium chloride and step d) can in particular comprise the following substeps:
  • the second electrode is connected as a cathode.
  • Step e) can also be referred to as a thermal discharge phase.
  • step e) can begin.
  • the sodium which is present in the thermal energy store, can release thermal energy to the thermal power process, in particular by means of a pump, and flow into the container at a lower temperature. Drops of sodium chloride and / or calcium chloride can solidify in the container due to the cold sodium in comparison to solid particles and can give off heat of crystallization to the sodium.
  • the sodium can flow cold from a steam generator, in particular from below, into the thermal storage container.
  • the mixture comprising sodium chloride and calcium chloride, which has been formed in the electrochemical cell, can be conveyed to the top of the container by a pump or a mechanism with a conveying effect. There the liquid mixture comprising sodium chloride and calcium chloride can drip down into the cool sodium from a nozzle or from a sieve plate. Individual drops of the mixture can solidify on contact with the sodium due to their small size, can give off their heat of solidification and can solidify against the sodium flow and sink to the bottom of the container, where a layer of particles builds up, especially as it is at the start of the charging process. This heats up the sodium on its way up.
  • the sodium can be used to transport this heat to the thermal power process to generate electricity.
  • the fixed bed can in turn form. As soon as the container is filled with particles, the sodium can continue to dissipate heat until the cogeneration process can no longer be operated economically. Then the discharge phase is finished.
  • Step e) can in particular comprise the following substeps:
  • the electrochemical storage medium in particular from the thermal energy store, can be transported to the electrochemical cell, in particular by means of the first transport device. Furthermore, before performing step c), the electrochemical storage medium can be transported from the container to the electrochemical cell, in particular by means of the fourth transport device.
  • step e) the electrochemical storage medium can be transported into the container by means of the third transport device.
  • the gas in particular chlorine, can be formed during step c).
  • the device can comprise a gas collecting device.
  • the gas collecting device can collect the gas, in particular the gas formed in the electrochemical cell.
  • the gas collecting device can provide the gas, in particular chlorine, in particular in step d), in particular for the electrochemical back reaction.
  • a use of a device as has already been described or will be described below is proposed for storing and for providing thermal energy from solar thermal power plants and / or for storing and for providing electrical energy from wind power plants.
  • Another container for gas can generally be used for the listed uses.
  • Other uses are also conceivable in principle.
  • a concentrating solar thermal power plant in particular a solar thermal tower power plant, with an electrical output of 2.18 MW and a storage for 6 hours is described.
  • the term “concentrating solar thermal power plant” basically designates any solar thermal power plant in which, especially in contrast to a non-concentrating solar thermal absorber, incident sunlight is bundled by optical devices, especially before it hits a thermal absorber. In principle, an energy per surface can be increased and an absorber surface of the thermal absorber can be made smaller by a concentration ratio than for a non-concentrating absorber for the same transferred heat.
  • light is usually bundled using mirrors.
  • tower power plants a light reflected by a large number of mirrors is directed onto an absorber surface located at the top of a tower.
  • the thermal energy store can comprise a source of thermal energy, in particular in order to be brought to an operating temperature.
  • the source can basically be an electric heater, a gas burner or a "solar thermal power plant", as well as other heat sources.
  • a small concentrating solar thermal power plant with a thermal output of 6 MW is assumed.
  • a theoretical maximum electrical power that can be obtained from thermal power can fundamentally depend on a temperature level at which the thermal energy is provided.
  • a temperature of the thermal energy is initially set at 800 ° C. This corresponds approximately to a melting temperature of sodium chloride.
  • the thermal energy store can deliver thermal energy at this temperature to a heat and power process for generating electricity.
  • the maximum electrical power P ei that can be achieved from a thermal power P th according to Camot is:
  • H ⁇ the Camot efficiency and T min and T max each correspond to a minimum and maximum temperature.
  • P e i, reai 2.17 MW.
  • a ratio of electrical to thermal power can therefore be: r el, real
  • Such a solar thermal system can generate 13 MWh (46.8 GJ) of electrical energy for a period of six hours at full load. It is now assumed that the storage tank is already at a temperature of 800 ° C, but that the sodium chloride is still in a solid state. One for storing this amount of energy In this case, the required amount of sodium chloride can be calculated as follows:
  • C NaCi is the mass- specific , electrochemical storage density of sodium chloride, D m H Na ci is the mass-specific melting enthalpy and e is the efficiency with which thermal energy can be converted into electrical energy, taking losses into account.
  • a storage density is defined here as the total amount of electrical energy that can be stored in the thermal storage tank by converting sodium chloride to sodium, based on the mass of sodium chloride present in the system before the electrochemical conversion begins. It is 5.42 MJ / kg (1.5 kWh / kg). The mass just determined can also store the sensitive amount of energy required to raise the storage temperature up to the melting temperature of the salt. After the salt has melted, the process temperature is increased slightly to prevent the salt from solidifying. This further temperature increase is neglected in this example.
  • the sodium in the interstices can accordingly have a volume of slightly more than 1.2 m 3 and a mass of about 1 1.
  • FIG. 5 Further details of this exemplary embodiment are shown in FIG. 5 and are given in the explanations for FIG.
  • a wind power plant with an electrical output of 2 MW and a storage for 6 hours can be implemented.
  • This can be particularly interesting for German locations.
  • the wind turbine can also be replaced by a photovoltaic system with the same electrical output.
  • electrical energy is also used for heating up the thermal energy store and for filling up a latent storage capacity of the thermal energy storage is used, since it may be that the operation of the thermal solar power plant at German locations may not be economical.
  • the electrical output of a wind turbine is 2.17 MW, which is identical to the electrical output of the solar thermal power plant according to the first exemplary embodiment listed above.
  • the operational sequence is therefore largely the same as that from the previous example.
  • the storage content can only be warmed up from 97.8 ° C to 800 ° C with the aid of higher-quality electrical energy and can basically be melted with additional electrical energy. Since these amounts of energy are basically no longer electrical but melting after melting, they can only be converted back into electrical energy with the efficiency assumed here of 36% if a heat engine is provided for this conversion. The heating process using electrical energy is therefore more expensive than in the previous example.
  • the storage density can drop slightly and can then be 1.5 kWh / kg, based on 1 kg of sodium chloride.
  • a concentrating solar thermal power plant with an electrical output of 100 MW and a memory for 18 hours is described below. At least in part, reference can be made to the above statements.
  • the thermal energy store of a Mediterranean solar thermal power plant can generally supply 100 MW of electrical energy for 18 hours. A capacity of 1.8 GWh (6.48 TJ) can therefore be assumed.
  • the following amount of sodium chloride can be used, assuming the same efficiency: el 6480000 MJ
  • thermal energy store This can require a bulk of approx. 660 m 3 volume of the thermal energy store.
  • a height and / or a diameter of the thermal energy store can therefore amount to approximately 9.4 m.
  • the invention can therefore be used for different orders of magnitude of the required storage capacity.
  • the proposed device and the associated method for thermal electrochemical energy storage and energy supply have a number of advantages compared to devices and methods known from the prior art.
  • phase change materials are usually encapsulated, for example in small metal spheres, or in at least almost closed channels or balls.
  • the capsules can represent an additional thermal barrier for the heat transfer to the phase change material and increase investment costs due to the required encapsulation step.
  • the heat transport medium is fundamentally compatible with the storage medium. Encapsulation can be omitted.
  • the heat transport medium and the storage medium can be in direct thermal and chemical contact with one another.
  • Formation of at least almost pure phases and a density difference of the materials used in the context of this invention in combination with, for example, a solar thermal power plant, can allow the fixed bed to be rebuilt by dripping the molten salt into the heat transport medium without significant, disadvantageous mixing of the substances occurring.
  • Electrochemical cells usually have a solid membrane in the electrolysis toe, in particular in order to selectively allow ions of a particular genus to pass through, further in to retain substances in the cell.
  • Each membrane usually represents a barrier to charge transport.
  • the membrane can, for example, be chemically attacked, blocked or form cracks.
  • the device and the method according to the present invention fundamentally make it possible to dispense with such a membrane and to use a mixture of sodium chloride and calcium chloride.
  • Sodium chloride and calcium chloride are generally available in abundance and at low cost on Earth.
  • the electrochemical toe can be made membrane-free. Furthermore, the electrochemical toe can only have a very small amount of different substance species, as a result of which undesired side reactions can be avoided.
  • the electrochemical toe according to the present invention can have a simple configuration. Simultaneous contact of electrode material, electrolyte and chlorine can be made possible on the 3-phase electrode. This enables the electrochemical charging process to be reversed. Furthermore, in the device according to the present invention, the electrochemical toe is coupled directly to the thermal energy store and to the operation of a solar thermal power plant, as a result of which all three systems greatly benefit one another.
  • the storage medium and the heat transport medium are fundamentally inexpensive, so that an inexpensive storage concept can be implemented.
  • the electrochemical reaction basically allows very large amounts of electrical energy to be stored in the formation of chemical products.
  • This process is usually energy intensive, for example in the electrolytic formation of sodium and chlorine itself, since heat, which is necessary to maintain the liquid state of matter, is provided by electrical power.
  • the energy is provided in the present invention by relatively cheap heat from a concentrating solar thermal system. This means that the storage of electrical energy can be significantly cheaper in comparison.
  • the device can also convert its own excess heat into electrical energy in a thermal power process at times when no electrical energy is available for storage from the network and store it in sodium and chlorine gas through the electrolysis reaction. After the thermal energy source, in particular the sun, has failed, the thermal energy from the thermal energy store can still be used in the thermal power process to generate electrical energy.
  • the device can be used in a number of solar parks or wind turbines located next to one another, which in the most favorable case produce direct current and are coupled to a common storage unit. A coupling of power into a network can then take place centrally via a memory with an essentially constant power output and using a set of transformer and inverter technology. Furthermore, the device can be used as a medium or long-term storage in a network. Other areas of application are also conceivable in principle.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 2A to 2D is a schematic representation of step b) of the invention
  • FIGS. 3A and 3B show a schematic illustration of an electrochemical cell of a device according to the invention (FIG. 3A) and a schematic illustration of a thermal storage container after step c) has been carried out (FIG. 3B);
  • Figure 4 is a schematic representation of process steps d) and e) according to the present invention.
  • Figure 5 is an illustration of processes in a thermal
  • Energy storage according to an embodiment of a concentrating solar thermal power plant with an electrical output of 2 MW and a storage for 6 hours.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of a device 110 according to the invention.
  • the device 110 can be attached to a tower top 112 of a tower 114 of a solar thermal power plant.
  • the device 110 can be irradiated with concentrated sunlight, as schematically represented by arrows 116.
  • FIGS. 2-5 For further details with regard to a structure and a mode of operation of the device 110, reference is made to the explanations relating to FIGS. 2-5.
  • FIGS. 2A to 2D show a schematic representation of step b) of the method according to the invention.
  • a thermal energy store 118 is initially provided.
  • the thermal energy store 118 can in particular be designed as a container 120.
  • the thermal energy storage comprises at least one heat transport medium 121 and at least one storage medium 119 selected from the group consisting of: an electrochemical storage medium, a thermal storage medium.
  • the thermal energy store 118 can comprise sodium chloride, calcium chloride and sodium.
  • the thermal energy store 118 can, as shown in FIG. 2A, initially have a fixed bed 122 made of particles 124.
  • the particles 124 may include sodium chloride and calcium chloride.
  • the calcium chloride can be added to the sodium chloride in order to achieve a melting point of a mixture of calcium chloride and sodium chloride of 560 ° C.
  • Channels 126, in particular free channels 128, can be located between the particles 124.
  • a fluid can flow through the channels 126.
  • Fluid 130 may include sodium.
  • the container can initially have a temperature of 150 ° C. At the temperature of 150 ° C, the sodium can be liquid and used as a fluid that fills the free channels of the fixed bed.
  • the sodium can be transported into a heating device 134 by means of a pump (shown here schematically with arrow 134).
  • the sodium can be heated to a temperature of 560 ° C.
  • the sodium can then be transported back into the thermal energy store 118 (shown here schematically with arrow 136).
  • the sodium can re-enter the bottom 138 of the thermal energy store 118.
  • the sodium can flow through the free channels 128 between the particles 124 and release its thermal energy to the particles 124. With further energy supply, the particles 124 become liquid, as shown in FIGS. 2B to 2D. Due to a lower density of sodium compared to sodium chloride and calcium chloride, the molten salt can sink to a bottom 140 of the container 120.
  • a first phase 142 can be formed, which comprises sodium chloride and calcium chloride.
  • a second phase 144 which comprises sodium, can float on the first phase 142.
  • FIG. 3A shows a schematic illustration of an electrochemical cell 146 of a device 110 according to the invention.
  • the electrochemical cell 146 comprises a gas space 148 and a first electrode 150 and a second electrode 152.
  • the second electrode 152 is designed as a 3-phase electrode 154.
  • the 3-phase electrode 154 comprises at least a first phase boundary 156 to the gas space 148 and at least a second phase boundary 158 to the sodium chloride and calcium chloride.
  • the electrochemical cell 146 can be configured to convert sodium cations of the sodium chloride to elemental sodium and to convert chloride anions of the sodium chloride to chlorine, in particular to chlorine gas.
  • the chlorine gas can pass into the gas space 148.
  • the chlorine gas can then be passed into gas bottles (not shown) for storage.
  • FIG. 3B shows a schematic illustration of a thermal energy store 118 after step c) has been carried out.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of process steps d) and e) according to the present invention.
  • An electrochemical back reaction can take place during step d).
  • the sodium can donate an electron and can pass into the liquid sodium chloride as a sodium cation.
  • a Ch molecule can take up two electrons from the gas and pass into the electrolyte as two chloride anions.
  • An electrochemical potential can develop, which can be used to generate electricity.
  • the back reaction can take place by using the 3-phase electrode 154.
  • step d a lower temperature can be sought in the electrochemical cell 146 than during the charging phase. This can lead to a discharge of the electrochemical cell 146 via at least one almost the entire phase of the discharge can take place at a higher power and thus more electrical energy can be drawn than was necessary for storage.
  • step e) can begin.
  • the sodium which is present in the thermal energy store 118, can release thermal energy to the thermal power process and flow into a container 160 at a lower temperature (shown schematically by arrow 162).
  • Drops of sodium chloride and / or calcium chloride can solidify in the container 160 to solid particles 124 due to the cold sodium and can give off heat of crystallization to the sodium.
  • the sodium can be used to transport this heat to the thermal power process to generate electricity.
  • the fixed bed 122 can in turn form. As soon as the container 160 is filled with particles 124, the sodium can continue to dissipate heat until the cogeneration process can no longer be operated economically.
  • FIG. 5 shows an illustration of processes in a thermal energy store according to an exemplary embodiment of a concentrating solar thermal power plant with an electrical output of 2 MW and a store for 6 hours. This is an illustration of the first exemplary embodiment, which was explained in the above description.
  • a diagram is shown that schematically illustrates a temperature of the thermal energy store 118 and a content of the thermal energy store 118 during the different process phases. It is assumed here that the thermal energy store 118 has a temperature corresponding to an ambient temperature at the beginning (before phase 1 in the diagram). This can be the case, for example, when starting up for the first time or after maintenance work.
  • the amount of sodium that circulates as a heat transport medium between the thermal energy store and the heating device 134 can be in liquid form.
  • the sodium can be heated from 300 K to 372 K, which corresponds to the melting temperature of sodium, and the phase change can be carried out.
  • the amount of sodium chloride present as a solid bed must also be warmed up.
  • phase 2 the liquid sodium and the solid sodium chloride are heated up to a temperature of approx. 800 ° C (phase 2). In cooperation with a solar thermal power plant, this is done by supplying thermal energy. The amount of energy that is thermally stored in this way accounts for approximately 1.1% of the equivalent electrical storage capacity of the storage.
  • the hot, liquid sodium moves upwards, releasing its thermal energy through the NaCl bed in the thermal energy store 118.
  • the melting temperature of the salt mixture drops of molten salt sink to the bottom of the container 120, where they form a liquid phase on which the sodium floats due to its lower density.
  • the thermal charging process (phases 2, 3) is complete as soon as the salt has changed to the liquid state.
  • Liquid salt can then be continuously transported to the electrochemical cell 146 during phase 4, where sodium and chlorine are electrochemically generated using an electrical current.
  • the sodium can be returned to the thermal energy storage 118, where it becomes part of a floating phase.
  • the electrochemical charging process is complete.
  • the thermal energy store 118 is at least almost completely loaded with electrochemical energy. Now, at most, additional thermal energy can be added, which would result in an increase in temperature (not shown in the diagram).
  • the thermal and electrochemical charging process can take place simultaneously.
  • the electrochemical cell is operated with the opposite polarity compared to charging, and it forms Sodium and chlorine liquid sodium chloride.
  • phase 6 thermal energy is withdrawn from the liquid sodium in the thermal energy store 118, so that the sodium temperature drops below the melting temperature of the sodium chloride-calcium chloride mixture.
  • the salt mixture formed in the electrochemical cell 146 can then (in the first half of phase 7) be dropped into the liquid sodium, where it releases its thermal and solidification energy to the sodium.
  • the salt crystallizes in particle 124 and rebuilds the bed.
  • the volume of sodium continuously displaced by the addition of salt is fed to the electrochemical cell. Electrochemical and thermal discharge also take place simultaneously, at least in part. A loading phase can then begin again.
  • the storage can store electrical energy for about 1.3 ct / kWh, based on the raw material costs.
  • energy storage in a storage medium which is currently state of the art in solar thermal energy, costs Solar Salt, based on the raw material costs in solar thermal power plants is currently around 25 € / kWh.
  • the investment costs for the amount of salt required in the thermal energy store 118 are amortized in principle at this assumed electricity and raw material price after only one isothermal charging and discharging cycle. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung (110) zur thermisch-elektrochemischen Energiespeicherung und Energiebereitstellung vorgeschlagen. Die Vorrichtung (110) umfasst: mindestens einen thermischen Energiespeicher (118), wobei der thermische Energiespeicher (118) mindestens ein Wärmetransportmedium (121) und mindestens ein Speichermedium (119) ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem elektrochemischen Speichermedium, einem thermischen Speichermedium umfasst; mindestens eine Aufheizungsvorrichtung (134), wobei die Aufheizungsvorrichtung (134) eingerichtet ist, das Wärmetransportmedium (121) von dem thermischen Energiespeicher (118) aufzunehmen, zu erhitzen und in den thermischen Energiespeicher (118) zurückzuführen; mindestens eine elektrochemische Zelle (146), wobei die elektrochemische Zelle (146) mindestens einen Gasraum (148) umfasst, wobei die elektrochemische Zelle (146) weiterhin mindestens eine erste Elektrode (150) und mindestens eine zweite Elektrode (152) umfasst; wobei die zweite Elektrode (152) als eine 3-Phasen- Elektrode (154) ausgebildet ist, wobei die 3-Phasen-Elektrode (154) mindestens eine erste Phasengrenze (156) zu dem Gasraum (148) und mindestens eine zweite Phasengrenze (158) zu dem elektrochemischen Speichermedium (119) aufweist; wobei die elektrochemische Zelle (146) eingerichtet ist, um das elektrochemische Speichermedium (119) elektrochemisch umzusetzen; und mindestens einen Behälter (160), wobei der Behälter (160) zur Aufnahme eines Vorrats an dem Wärmetransportmediums (119) eingerichtet ist, wobei der Behälter (160) weiterhin eingerichtet ist, das thermische Speichermedium (119) von dem thermischen Energiespeicher (118) aufzunehmen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur thermisch-elektrochemischen Energiespeicherung und Energiebereitstellung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur thermisch elektrochemischen Energiespeicherung und Energiebereitstellung sowie eine Verwendung der Vorrichtung. Die Erfindung ist insbesondere auf dem Gebiet der elektrischen und thermischen Energieerzeugung, -Verteilung und -Speicherung angesiedelt. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein für eine Kurzzeitspeicherung und eine Langzeitspeicherung von elektrischer Energie. Weiterhin kann die Vorrichtung eingerichtet sein für eine Kurzzeitspeicherung, insbesondere eine Kurzzeitspeicherung über einen Zeitraum von kleiner als 48 Stunden von thermischer Energie. Insbesondere kann die Vorrichtung in Solarthermie-Kraftwerken eingesetzt werden.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind bereits Vorrichtungen und Verfahren zur thermisch elektrochemischen Energiespeicherung und Energiebereitstellung bekannt. Energiespeicher dienen grundsätzlich einer Speicherung von Energie für eine spätere Nutzung. Im Bedarfsfälle kann die Energie bereitgestellt werden. Thermische Speicher können grundsätzlich Salzgemische aufweisen. Die Salzgemische können insbesondere Phasenwechselmaterialien sein. Es kann sich dabei um Latentwärmespeicher handeln, welche in der Lage sind, Phasenwechselmaterialien mit einer hohen thermischen Speicherkapazität über einen längeren Zeitraum ober- und/oder unterhalb einer Umgebungstemperatur aufzubewahren. Ihre Funktionsweise beruht insbesondere auf einer Ausnutzung reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums, wie zum Beispiel bei einem Phasenübergang von fest zu flüssig. Das Phasenwechselmaterial kann somit während des thermischen Einspeichems seinen Aggregatzustand ändern und dadurch eine für den Phasenwechsel erforderliche Energie ohne weitere Temperaturerhöhung speichern. Es gibt grundsätzlich eine Vielzahl von für einen Einsatz in thermischen Speichern geeigneten Phasenwechselmaterialien, jedoch kann nicht grundsätzlich eine stoffliche Kompatibilität mit einem primären Wärmetransportmedium, welches im Folgenden näher erläutert wird, bestehen. Üblicherweise stehen daher das Wärmetransport-Medium und das Latentspeicher-Medium in keinem direkten Kontakt, sondern sind durch Barrieren für einen Stofftransport grundsätzlich voneinander getrennt. Dies kann etwa durch eine Einkapselung der Phasenwechselmaterialen oder durch eine Einfassung des Wärmetransport-Fluidstoms, etwa in Rohrleitungen, erfolgen. Diese Kapseln können eine zusätzliche thermische Barriere für den Wärmeübergang an das Phasenwechselmaterial darstehen und Investitionskosten aufgrund eines erforderlichen Arbeitsschritts des Einkapselns erhöhen.
In US 4 421 661 A wird ein Hochtemperatur-Direktkontakt-Wärmeenergiespeicherelement zur Verwendung in einem System zur Speicherung und Rückgewinnung von Wärmeenergie im Bereich von etwa 400° bis etwa 2000° F beschrieben. Die Wärmeenergie wird direkt gespeichert, ohne Wärmeaustauschrohre im latenten Verbundstoff oder Wärmeträgerspeichermedien für fühlbare Wärme, die die Schmelzwärme und Hochtemperaturstabilität von Alkalimetall- und Erdalkalicarbonaten, -Chloriden, -nitraten, - nitriten, -fluoriden, -hydroxiden, -Sulfaten und -gemischen verwenden, die selbst in einem porösen Trägerstrukturmaterial gehalten werden und speicherfähig ist als fühlbare Wärme. Der Wärmeenergiespeicher gemäß der Erfindung kann effektiv zur Speicherung von Wärmeenergie verwendet werden, die von Solar-, Industrieabfall-, Prozesswärme- und Hochtemperatur-Gasreaktor-Energiequellen abgeleitet und für eine große Vielzahl von Anwendungen wie Verbrennungsluft vorerwärmung und Trocknung wiedergewonnen wird, wie Raumheizung, Erwärmung von Prozessgasen und dergleichen.
In US2016/0201995 Al wird ein System zur Speicherung und Rückgewinnung von Wärmeenergie beschrieben. Als Medium wird mindestens ein Phasenwechselmaterial (fest flüssig) und ein fühlbares Wärme-Festmaterial zur Speicherung / Rückgewinnung der von einer externen Quelle stammenden Wärme verwendet. Die vorgenannten Materialien sind ordnungsgemäß in einem einzigen Tank untergebracht, der mindestens zwei Zonen enthält, die sich durch den Temperaturbereich unterscheiden, dem sie ausgesetzt sind. Jede Zone enthält ein anderes Material. Die gebräuchlichste Konfiguration besteht aus drei verschiedenen Zonen, die sich innerhalb des Tanks befinden, nämlich: eine heiße Zone im oberen Teil des Tanks, die ein verkapseltes Phasenwechselmaterial umschließt, das durch eine hohe Schmelztemperatur gekennzeichnet ist; eine kalte Zone, die im unteren Teil des Tanks untergebracht ist und ein Phasenwechselmaterial mit einer niedrigen Schmelztemperatur enthält; und eine mittlere Zone, die ein fühlbares Wärmefestmaterial enthält. In WO 2014/033712 A2 wird ein Energieumwandlungs- und Speichersystem und ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Batteriekatholyt-Zusammensetzung (z. B. nach oder während eines Entladungsvorgangs) durch Erhitzen zersetzt wird, um einen zersetzten Katholyten zu erzeugen und eine Anolyt-Komponente daraus abzutrennen, wodurch die Verwendung des Anolyten ermöglicht wird.
In Current Opinion in Solid State and Materials Science 16 (2012) 168-177 werden Natrium- und Natriumionen-Energiespeicherbatterien beschrieben. Insbesondere werden die Herausforderungen von aktuellen Hochtemperatur- Natrium-Technologien inklusive NaS und Na-NiCb und flüssigen Natrium Technologien zusammengefasst. Weiterhin werden Entwicklungen in positiven und negativen Elektrodenmaterialien beschrieben, welche für Natrium-Ionen- und hybride Na/Li-Ionen-Zellen geeignet sind.
DE 709741 A bezieht sich auf die Herstellung von Natrium durch Elektrolyse einer schmelzflüssigen Mischung von Chlomatrium und Chlorcalcium in Zellen, welche ein freies Einströmen des Elektrolyten in die Elektrolysierzone ermöglichen, insbesondere in Zellen, bei welchen eine zentral angeordnete Elektrode von der zweiten Elektrode ringförmig umgeben ist und zwischen den Elektroden ein ringförmiges Diaphragma angeordnet ist, wie solche unter der Bezeichnung Downs-Zelle bekannt sind.
In US 9431681 B2 wird eine geschmolzene Natriumsekundärzelle beschrieben, welche sich bei einer hohen Temperatur auflädt und sich bei einer relativ niedrigen Temperatur entlädt. Die Zelle enthält eine Natriumanode und eine Kathode. Eine Natriumionen leitende Feststoffmembran trennt die Kathode von der Natriumanode und transportiert selektiv Natriumionen. Eine Solarenergiequelle umfasst ein Photovoltaiksystem, um der Natriumanode und der Kathode ein elektrisches Ladepotential bereitzustellen, und einen Solarthermie-Konzentrator, um der Kathode und der Katholyt-Zusammensetzung Wärme zuzuführen, damit sich die geschmolzene Natriumsekundärzelle bei einer Temperatur in diesem Bereich auflädt von ungefähr 300 auf 800 °C. Die Zelle hat eine Ladungstemperatur und eine Ladespannung und eine Entladungstemperatur und eine Entladungsspannung. Die Ladungstemperatur ist wesentlich höher als die Entladungstemperatur und die Ladespannung ist niedriger als die Entladungsspannung.
In EP 2 394 321 Bl wird eine elektrochemische Zelle beschrieben, welche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine erste Elektrode, die eine erste Phase enthält, die mit einer zweiten Phase vermischt ist, und ein Netzwerk aus miteinander verbundenen Poren umfasst. Die erste Phase enthält ein keramisches Material und die zweite Phase enthält ein elektrisch leitendes Material, das einen elektrisch zusammenhängenden Weg durch die erste Elektrode bereitstellt. Die elektrochemische Zelle umfasst ferner eine zweite Elektrode, die ein Alkalimetall enthält. Eine im Wesentlichen nicht-poröse alkalimetallionen-selektive keramische Membran, wie eine dichte Nasicon-, Lisicon-, Li-ß -Aluminiumoxid- oder Na-ß- Aluminiumoxid-Membran, ist zwischen den ersten und den zweiten Elektroden angeordnet.
In US 5 186 794 A wird eine Vorrichtung als auch ein Verfahren zur strahlungsverstärkten elektrolytischen Herstellung von Alkalihydroxid, molekularem Halogen und Wasserstoff beschrieben. Die Reduzierung des elektrischen Energiebedarfs wird durch die Verwendung von Strahlung zur Aktivierung lichtempfindlicher metallischer Hexahalogenidionen erreicht, wodurch das Elektrolyseelektrodenpotential verringert wird. Unter Verwendung einer strahlungsverstärkten Elektrolyse wird die herkömmliche Halogenoxidationsreaktion durch Oxidation eines metallischen Hexahalogenids ersetzt, das bei einer niedrigeren Überspannung und einem geringeren reversiblen Zellpotential auftrit. Strahlungsenergie ersetzt somit elektrische Energie zur Herstellung von Alkalihydroxid, molekularem Halogen und Wasserstoff. Da die Einwirkung von Strahlung auf die oxidierte Form des Metallhexahalogenids in Gegenwart eines konzentrierten Halogenidions zur Erzeugung von freiem Halogengas führt, werden die Nettoprodukte nicht durch Verwendung des Metallhexahalogenids modifiziert, sondern der Energiebedarf ist reduziert.
In„Thermo-electro-chemical storage (TECS) of solar energy“, E. Wenger et al.; Applied Energy 190 (2017), S. 788-799, wird ein neuer Ansatz für Solarstromerzeugung und - Speicherung vorgeschlagen basierend auf dem Konzept von thermisch regenerierbaren Batterien.
Nachteilig an bekannten Verfahren ist, dass nicht im Allgemeinen eine stoffliche Kompatibilität mit einem primären Wärmetransportmedium bestehen kann. Zudem kann nicht grundsätzlich aus einem geschmolzenen Festbett aus einem Phasenwechselmaterial nach seiner Abkühlung ein Festbett wieder aufgebaut werden. Aus diesem Grund werden Phasenwechselmaterialien gewöhnlich eingekapselt, beispielsweise in kleine Metallsphären oder in zumindest nahezu geschlossene Rinnen oder Kugeln. Diese Kapseln können eine zusätzlich thermische Barriere für den Wärmeübergang an das Phasenwechselmaterial darstellen und Investitionskosten aufgrund des erforderlichen Arbeitsschritts des Einkapselns erhöhen. Weiterhin weisen elektrochemische Zellen sehr häufig eine Membran auf. Die Membran kann eine zusätzliche Barriere für den Wärme- und Stoff- bzw. Ladungsträgertransport darstellen. Insbesondere kann die Membran chemisch angegriffen werden, verstopfen oder Risse bilden.
Aufgabe der Erfindung Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur thermisch-elektrochemischen Energiespeicherung und Energiebereitstellung sowie eine Verwendung der Vorrichtung bereitzustellen, welche die aufgeführten Nachteile und Einschränkungen des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden.
Insbesondere sollen die Vorrichtung und das Verfahren eine hohe Speicherdichte ermöglichen. Weiterhin soll ein kostengünstiges Speicherkonzept realisierbar sein und eine Anzahl an zusätzlichen Komponenten wie beispielsweise Wärmeübertrager soll reduziert werden. Weiterhin sollen elektrochemische Speichermedien bereitgestellt werden, welche über lange Zeiträume, zum Beispiel nach einer Einspeicherung im Sommer, während dessen aufgrund der vielen Sonnenstunden viel Strom aus Photovoltaik anfällt, bis in den Winter, Energie bereitstellen können. Somit sollen trotz hoher installierter Erzeugerkapazität an Wind- und Photovoltaikanlagen an Tagen im Winter ohne Wind und Sonne entstehende Versorgungslücken reduziert werden können.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur thermisch elektrochemischen Energiespeicherung und Energiebereitstellung sowie durch eine Verwendung der Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Im Folgenden werden die Begriffe "haben", "aufweisen", "umfassen" oder "einschließen" oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck "A hat B", "A weist B auf', "A umfasst B" oder "A schließt B ein" sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe„mindestens ein“ und„ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff„mindestens ein“ oder„ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne dass hierdurch die Möglichkeit eingeschränkt wird, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch„in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch„in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten unangetastet bleiben, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur thermisch elektrochemischen Energiespeicherung und Energiebereitstellung. Die Vorrichtung umfasst:
- mindestens einen thermischen Energiespeicher, wobei der thermische Energiespeicher mindestens ein Wärmetransportmedium und mindestens ein Speichermedium ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem elektrochemischen Speichermedium, einem thermischen Speichermedium umfasst;
- mindestens eine Aufheizungsvorrichtung, wobei die Aufheizungsvorrichtung eingerichtet ist, das Wärmetransportmedium von dem thermischen Energiespeicher aufzunehmen, zu erhitzen und in den thermischen Energiespeicher zurückzuführen;
- mindestens eine elektrochemische Zelle, wobei die elektrochemische Zelle mindestens einen Gasraum umfasst, wobei die elektrochemische Zelle weiterhin mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode umfasst; wobei die zweite Elektrode als eine 3-Phasen-Elektrode ausgebildet ist, wobei die 3-Phasen-Elektrode mindestens eine erste Phasengrenze zu dem Gasraum und mindestens eine zweite Phasengrenze zu dem elektrochemischen Speichermedium aufweist; wobei die elektrochemische Zelle eingerichtet ist, das elektrochemische Speichermedium elektrochemisch umzusetzen; und - mindestens einen Behälter, wobei der Behälter zur Aufnahme eines Vorrats an dem Wärmetransportmedium eingerichtet ist, wobei der Behälter weiterhin eingerichtet ist, das thermische Speichermedium von dem thermischen Energiespeicher aufzunehmen.
Der Begriff „thermisch-elektrochemische Energiespeicherung und Energiebereitstellung“ bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges Konzept zur Speicherung von Energie, insbesondere von Energie, insbesondere für eine spätere Nutzung. Die Energie kann in einem Bedarfsfall grundsätzlich zurückgewandelt werden. Die Energiespeicherung kann grundsätzlich nach einer gespeicherten Energieform klassifiziert werden, wobei jedoch oftmals bei einem Aufladevorgang und/oder bei einem Entladevorgang eine davon abweichende Energieform verwendet werden kann. Hierdurch kann Energie gleichzeitig sowohl als thermische Energie als auch als elektrische Energie gespeichert und bei Bedarf gleichzeitig wieder in Form von thermischer Energie und von elektrischer Energie bereitgestellt werden.
Unter dem Begriff „thermischer Energiespeicher“ ist daher im Rahmen der folgenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Wärmespeicher zu verstehen, welcher thermische Energie speichert. Die strukturellen Merkmale des thermischen Energiespeichers werden im Folgenden näher beschrieben. Der thermische Energiespeicher kann ebenfalls eingerichtet sein um gleichzeitig als Speicher für elektrochemische Energieträger zu dienen.
Die Vorrichtung zur thermisch-elektrochemischen Energiespeicherung und Energiebereitstellung kann ebenfalls eingerichtet sein zur thermisch-elektrochemischen Energieerzeugung und zur thermisch-elektrochemischen Energie Verteilung. Insbesondere kann die Vorrichtung für eine Kurz- und Langzeitspeicherung von elektrischer Energie sowie für eine Kurzzeitspeicherung, insbesondere für eine Speicherung über einen Zeitraum von kleiner als 48 Stunden von thermischer Energie geeignet sein. Die Vorrichtung kann insbesondere in Solarthermie-Kraftwerken eingesetzt werden. Weiterhin kann die Vorrichtung geeignet sein, in einem Netzverbund eine Vielzahl zeitlich dynamischer Produzenten zu einer konstanten Leistungsquelle zusammenzufassen.
Der thermische Energiespeicher kann insbesondere als Behälter ausgebildet sein. Unter einem„Behälter“ kann grundsätzlich ein beliebiges Gefäß zu verstehen sein, welches dazu dient, eine Substanz in dem Gefäß zu lagern oder zu transportieren. Der thermische Energiespeicher kann daher auch als Speicherbehälter bezeichnet werden. Wie oben ausgeführt, umfasst der thermische Energiespeicher mindestens ein Speichermedium und mindestens ein Wärmetransportmedium. Der Begriff„Wärmetransportmedium“ bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen Stoff, welcher geeignet ist, thermische Energie aufzunehmen und anschließend thermische Energie an einen anderen Stoff abzugeben, bzw. zu übertragen. Das Wärmetransportmedium kann insbesondere Natrium sein oder Natrium umfassen. Der Begriff „Speichermedium“ bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen Stoff, welcher geeignet ist Energie zu speichern und die Energie wieder freizugeben. Das Speichermedium kann insbesondere ein elektrochemisches Speichermedium sein. Weiterhin kann das Speichermedium ein thermisches Speichermedium sein. Der Begriff „thermisches Speichermedium“ bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges Speichermedium, welches eingerichtet ist, Energie, insbesondere thermische Energie, insbesondere durch Übergang in einen anderen Aggregatzustand, zu speichern und wieder abzugeben. Insbesondere kann die Vorrichtung das elektrochemische Speichermedium und das thermische Speichermedium umfassen.
Der Begriff„elektrochemisches Speichermedium“ bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges Speichermedium, welches eingerichtet ist, Energie zu speichern und, insbesondere durch eine chemische Umwandlung, die Energie wieder freizugeben. Das elektrochemische Speichermedium kann daher als Wärmetransportmedium eingerichtet sein. Weiterhin kann das elektrochemische Speichermedium als ein Reaktionsprodukt einer elektrochemischen Einspeicherung eingerichtet sein.
Das elektrochemische Speichermedium kann Natrium- Kationen und Chlorid- Anionen, insbesondere in einem flüssigen Aggregatzustand, umfassen. Das thermische Speichermedium kann Natriumchlorid und Calciumchlorid, insbesondere in einem festen Aggregatzustand, umfassen. Das Natriumchlorid kann insbesondere dafür geeignet sein, Energie zu speichern. Das Calciumchlorid kann dem Natriumchlorid beigemengt sein, um einen Schmelzpunkt einer Mischung aus Calciumchlorid und Natriumchlorid einzustellen. Auch Mischungen des Natriumchlorids mit anderen Substanzen als Calciumchorid können eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Mischung von Natriumchlorid, Calciumchlorid und Bariumchlorid eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Mischung aus Natriumchlorid und Strontiumchlorid eingesetzt werden. Auch andere Mischungen sind grundsätzlich denkbar.
Natriumchlorid, Calciumchlorid und Natrium kann in dem thermischen Energiespeicher in den Aggregatzuständen fest und flüssig vorhanden sein. Weiterhin kann der thermische Energiespeicher Chlor aufweisen, welches gasförmig und/oder flüssig ausgebildet sein kann. Der thermische Energiespeicher kann darüber hinaus noch ein oder mehrere Einlässe und/oder Auslässe für Natrium und/oder Natriumchlorid aufweisen. Die Einlässe und/oder die Auslässe können insbesondere an einem Behälterboden des thermischen Energiespeichers angeordnet sein.
Der thermische Energiespeicher kann ein Festbett aus Partikeln aufweisen. Die Partikel können Natriumchlorid und Calciumchlorid umfassen. Der Begriff„Festbett“ bezeichnet grundsätzlich eine beliebige Aufschüttung von Partikeln. Insbesondere können sich Einzelpartikel der Aufschüttung berühren, insbesondere durch Punktkontakte und zwischen den Partikeln können sich Kanäle befinden, insbesondere freie Kanäle. Die Kanäle, insbesondere die freien Kanäle können von einem Fluid durchströmt werden. Das Calciumchlorid kann eingerichtet sein, um einen Schmelzpunkt einzustellen. Insbesondere kann das Calciumchlorid dem Natriumchlorid beigemengt sein, um einen Schmelzpunkt einer Mischung aus Calciumchlorid und Natriumchlorid von unterhalb von 560°C zu erzielen. Das Festbett kann je nach dem Mischungsverhältnis von Natriumchlorid und Calciumchlorid einen Schmelzpunkt im Intervall zwischen 500 °C bis 805°C, insbesondere von 510 °C bis 805 °C, aufweisen, wenn diese als Reinstoffe vorliegen. Insbesondere kann das Festbett einen Schmelzpunkt von 550 °C bis 650 °C, insbesondere von 580 °C bis 630 °C, insbesondere von 590 °C bis 610 °C, insbesondere von 600 °C, insbesondere von 600 °C bis 650 °C, aufweisen. Wie in„Dermination of the Solidus Curve by a Tracer Technique. The System CaCb-NaCl“, A. Seltveit, H. Flood; Acta Chemica Scandinavica 12 (1958) No. 5, 1030-1041 beschrieben, kann ein Gemisch aus Natriumchlorid und Calciumchlorid in einem entsprechenden Mischungsverhältnis bereits bei etwa 500 °C schmelzen. Insbesondere kann ein Gemisch aus Natriumchlorid und Calciumchlorid mit einem recht geringen Anteil von Natriumchlorid einen Schmelzpunkt von 500 °C aufweisen. Dieses Gemisch kann eine geringe Speicherkapazität aufweisen. Bei einer Steigerung eines Anteils von Natriumchlorid in dem Gemisch aus Natriumchlorid und Calciumchlorid kann grundsätzlich die Speicherkapazität erhöht werden. Dadurch kann der Schmelzpunkt des Gemisches aus Natriumchlorid und Calciumchlorid steigen, insbesondere auf eine Schmelztemperatur von 5 lO°C und 805°C.
Das Natriumchlorid und das Calciumchlorid können bei einer Temperatur von 120 °C bis 170 °C, insbesondere bei einer Temperatur von 150 °C, in einem festen Aggregatzustand vorliegen. Das Festbett kann eingerichtet sein, um sich bei Energiezufuhr zu verflüssigen.
Das Festbett kann insbesondere als Phasenwechselmaterial ausgebildet sein. Der Begriff „Phasenwechselmaterial“ bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges Material, welches als Latentwärmespeicher ausgebildet ist. Der Latentwärmespeicher kann eingerichtet sein um einen hohen Anteil von Wärme- und Kälteenergie über eine lange Zeit speichern zu können und zumindest nahezu verlustfrei wieder abgeben zu können. Eine Funktionsweise des Latentwärmespeichers kann insbesondere auf eine Ausnutzung von reversiblen thermodynamischen Zustandsänderungen eines Speichermediums beruhen, wie zum Beispiel bei einem Phasenübergang von fest zu flüssig. Das Phasenwechselmaterial kann somit während des thermischen Einspeichems seinen Aggregatzustand ändern und dadurch eine für den Phasenwechsel erforderliche Energie ohne weitere Temperaturerhöhung speichern.
Bei einer Temperatur von 120 °C bis 170 °C, insbesondere bei einer Temperatur von 150 °C, kann das Natrium in einem flüssigen Aggregatzustand vorliegen. Das Natrium kann daher als Fluid verwendet werden. Insbesondere kann das Natrium die freien Kanäle des Festbetts ausfüllen.
Wie oben bereits ausgeführt, umfasst die Vorrichtung die Aufheizvorrichtung. Der Begriff „Aufheizungsvorrichtung“ bezeichnet grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung, welche eingerichtet ist, ein anderes Objekt zu erwärmen, also dem anderen Objekt Wärme zuzuführen. Die Aufheizungsvorrichtung kann insbesondere als Durchlauferhitzer ausgestaltet sein. Dabei kann kontinuierlich Wärme abgegeben werden. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, um das Natrium, insbesondere flüssiges Natrium von dem thermischen Energiespeicher mittels einer Pumpe zu der Aufheizungsvorrichtung zu fordern. Die Aufheizungsvorrichtung kann eingerichtet sein um das Natrium zu erhitzen. Die Aufheizungsvorrichtung kann beispielsweise als Solarthermie-Turmkraftwerk ausgebildet sein. Die Vorrichtung kann weiterhin mindestens einen Turm mit mindestens einer Turmspitze umfassen und die Aufheizungsvorrichtung kann an der Turmspitze angebracht sein.
Die Aufheizungsvorrichtung kann eingerichtet sein, um Sonnenenergie von einer Umgebung der Aufheizungsvorrichtung aufzunehmen. Weiterhin kann die Aufheizungsvorrichtung eingerichtet sein, das Natrium mittels Sonnenlicht, insbesondere konzentriertem Sonnenlicht zu erwärmen. Dadurch kann ein Temperaturanstieg des Natriums erfolgen. Die Aufheizungsvorrichtung kann eingerichtet sein, das Natrium auf eine Temperatur von mindestens 500 °C, vorzugsweise mindestens 510 °C, vorzugsweise mindestens 600 °C, vorzugsweise mindestens 620 °C, und besonders bevorzugt mindestens 630 °C, und höchstens 850°C zu erhitzen, vorzugsweise auf 850°C. Die Vorrichtung kann weiterhin eingerichtet sein, das Natrium mit einer Temperatur von mindestens 500 °C, vorzugsweise mindestens 510 °C, vorzugsweise mindestens 600 °C, vorzugsweise mindestens 620 °C, und besonders bevorzugt mindestens 630 °C, und bevorzugt höchstens 850°C in den thermischen Speicherbehälter zurückzubefördem. Die Vorrichtung kann weiterhin mindestens eine Pumpe umfassen. Die Pumpe kann eingerichtet sein, um das Natrium von dem thermischen Energiespeicher in die Aufheizungsvorrichtung zu transportieren. Die Aufheizvorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, das Wärmetransportmedium auf eine Temperatur von 500 °C bis 850 °C, vorzugsweise von 510 °C bis 850 °C, vorzugsweise von 600 °C bis 850 °C, vorzugsweise von 620 °C bis 850 °C, und besonders bevorzugt von 630 °C bis 850 °C, zu erhitzen. Die Aufheizvorrichtung kann allgemein eingerichtet sein, das Wärmetransportmedium auf eine Temperatur in einem Intervall zwischen einem Schmelzpunkt des Wärmetransportmediums und 850 °C zu erhitzen. Insbesondere kann das Erhitzen des Wärmetransportmediums bei einer Temperatur von mindestens 20 °C, insbesondere von mindestens 30 °C, über dem Schmelzpunkt des Wärmetransportmediums erfolgen. Dadurch kann insbesondere ein ungewolltes Erstarren des Wärmetransportmediums an kühlen Stellen vermieden oder zumindest reduziert werden.
Der Begriff„elektrochemische Zelle“ bezeichnet grundsätzlich eine beliebige Zelle, welche mindestens zwei Elektroden sowie mindestens einen Elektrolyten umfasst. Die elektrochemische Zelle kann eingerichtet sein, um durch Anlegen einer äußeren Spannung eine Redoxreaktion zu erzwingen. Die elektrochemische Zelle kann eine Gleichspannungsquelle umfassen, welche eingerichtet ist, um elektrische Energie zu liefern. Dabei kann die elektrische Energie eingerichtet sein, zumindest teilweise in chemische Energie umgewandelt zu werden. Die elektrochemische Zelle kann insbesondere als elektrochemische Speicherzelle ausgebildet sein. Die elektrochemische Speicherzelle kann eingerichtet sein, um elektrische Energie zu speichern oder bei Bedarf wieder bereitzustellen. Die Vorrichtung zur elektrochemischen Energiespeicherung kann weiterhin mindestens eine Transportvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, das Speichermedium zu der elektrochemischen Zelle zu transportieren.
Wie bereits oben ausgeführt, umfasst die elektrochemische Zelle die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode. Die Bezeichnungen„erste Elektrode“ und„zweite Elektrode“ sind als rein beschreibend und als reine Bezeichnungen anzusehen, ohne eine Rangfolge anzugeben und beispielsweise ohne die Möglichkeit auszuschließen, dass mehrere Arten von ersten Elektroden und mehrere Arten von zweiten Elektroden oder jeweils genau eine Art vorgesehen sein kann. Weiterhin können zusätzliche Elektroden, beispielsweise dritte Elektroden, vorhanden sein. Der Begriff „Elektrode“ bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen Elektronenleiter, welcher eingerichtet ist, in einem Zusammenspiel mit einer Gegenelektrode mit einem zwischen beiden Elektroden befindlichen Medium, insbesondere einem Elektrolyten, in Wechselwirkung zu stehen. Die Elektrode kann ganz oder zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sein, insbesondere aus einem metallischen Material. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode können jeweils schaltbar als Kathode bzw. als Anode ausgebildet sein. Die erste Elektrode kann beispielsweise zunächst als Anode ausgebildet sein und die zweite Elektrode kann zunächst als Kathode ausgebildet sein. Durch Umschaltung des elektrischen Stroms kann die erste Elektrode als Kathode ausgebildet sein und die zweite Elektrode kann als Anode ausgebildet sein. Der Begriff„Anode“ bezeichnet grundsätzlich eine beliebige Elektrode, welche eingerichtet ist, um aus einem Elektrolyten unter einer Elektronenaufhahme Anionen zu entladen oder Kationen zu erzeugen. Die Anode ist also eingerichtet, um Oxidationsreaktionen stattfinden zu lassen. Der Begriff „Kathode“ bezeichnet hingegen grundsätzlich eine beliebige Elektrode, welche eingerichtet ist, Elektronen auszunehmen. Die Kathode ist also eingerichtet, um Reduktionsreaktionen stattfinden zu lassen.
Die elektrochemische Zelle kann eingerichtet sein, um Natrium-Kationen des Natriumchlorids zu elementarem Natrium umzuwandeln und Chlorid-Anionen des Natriumchlorids zu Chlor, insbesondere zu Chlor-Gas, umzuwandeln.
Wie bereits oben ausgeführt, ist die zweite Elektrode als 3-Phasen-Elektrode ausgebildet. Der Begriff„3-Phasen-Elektrode“ bezeichnet grundsätzlich eine beliebige Elektrode welche eine gemeinsame Phasengrenze zu einem Gasraum, insbesondere zu einem Gasraum einer elektrochemischen Zelle, sowie zu einem Elektrolyten aufweist. Der Begriff„Phasengrenze“ bezeichnet grundsätzlich eine beliebige Grenzfläche zwischen zwei oder mehr verschiedenen Phasen. Insbesondere kann die Grenzfläche zwischen einer flüssigen Phase und einer gasförmigen Phase angeordnet sein. Die flüssige Phase kann insbesondere den Elektrolyten, insbesondere die Mischung umfassend Natrium und Natriumchlorid umfassen. Unter einem„Gasraum“ ist grundsätzlich ein beliebiges Volumen zu verstehen, welches eingerichtet ist, Gas, insbesondere das Chlor-Gas, aufzunehmen. Die 3-Phasen-Elektrode kann insbesondere aus Stahl hergestellt sein. Weiterhin kann die 3-Phasen-Elektrode aus Eisen und/oder aus Graphit hergestellt sein. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar. Insbesondere kann die 3-Phase-Elektrode eine große Oberfläche aufweisen.
Der thermische Energiespeicher und die elektrochemische Zelle können fluidisch miteinander verbunden sein, insbesondere mittels mindestens einer ersten Rohrleitung. Die erste Rohrleitung kann insbesondere eingerichtet sein, eine fluidische Verbindung zwischen dem thermischen Energiespeicher und der elektrochemischen Zelle herzustellen. Weiterhin kann die erste Rohrleitung eingerichtet sein, Fluide zwischen dem thermischen Energiespeicher und der elektrochemischen Zelle zu befördern. Insbesondere kann die erste Rohrleitung mindestens eine erste Teilrohrleitung und mindestens eine zweite Teilrohrleitung aufweisen. Die erste Teilrohrleitung kann eingerichtet sein, einen Transport des Speichermediums und/oder des Wärmetransportmediums von dem elektrochemischen Energiespeicher zu der elektrochemischen Zelle zu ermöglichen. Die zweite Teilrohrleitung kann eingerichtet sein, einen Transport des Speichermediums und/oder des Wärmetransportmediums von der elektrochemischen Zelle zu dem elektrochemischen Energiespeicher zu ermöglichen.
Die Vorrichtung kann insbesondere mindestens eine erste Transportvorrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, das Wärmetransportmedium und/oder das Speichermedium, insbesondere das elektrochemische Speichermedium und/oder das thermische Speichermedium, zu der elektrochemischen Zelle zu transportieren. Insbesondere kann die erste Transportvorrichtung eingerichtet sein, das Wärmetransportmedium und/oder das Speichermedium, insbesondere das elektrochemische Speichermedium und/oder das thermische Speichermedium, von dem thermischen Energiespeicher, insbesondere von dem Behälter des thermischen Energiespeichers, zu der elektrochemischen Zelle zu transportieren. Die erste Transportvorrichtung kann insbesondere mindestens eine erste Pumpe sein oder umfassen. Die erste Transportvorrichtung kann eingerichtet sein, insbesondere je nach einem Betriebsmodus der Vorrichtung, das Speichermedium und/oder das Wärmetransportmedium aus dem thermischen Energiespeicher, insbesondere von dem Behälter des thermischen Energiespeichers, zu der elektrochemischen Zelle zu transportieren. Alternativ kann die erste Transportvorrichtung eine erste Teilvorrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, das Speichermedium aus dem thermischen Energiespeicher zu der elektrochemischen Zelle zu transportieren und eine zweite Teilvorrichtung, welche eingerichtet ist, das Wärmetransportmedium aus dem thermischen Energiespeicher zu der elektrochemischen Zelle zu transportieren. Die erste Teilvorrichtung und die zweite Teilvorrichtung können als separate Elemente ausgebildet sein, insbesondere als zwei separat ausgebildete Pumpen.
Die Vorrichtung kann insbesondere weiterhin mindestens eine zweite Transportvorrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, das Wärmetransportmedium und/oder das Speichermedium, insbesondere das elektrochemische Speichermedium und/oder das thermische Speichermedium, von der elektrochemischen Zelle zu dem thermischen Energiespeicher, insbesondere zu dem Behälter des thermischen Energiespeichers, zu transportieren. Die zweite Transportvorrichtung kann insbesondere mindestens eine zweite Pumpe sein oder umfassen. Die zweite Transportvorrichtung kann eingerichtet sein, insbesondere je nach einem Betriebsmodus der Vorrichtung, das Speichermedium und/oder das Wärmetransportmedium von der elektrochemischen Zelle zu dem thermischen Energiespeicher, zu transportieren. Alternativ kann die zweite Transportvorrichtung eine dritte Teilvorrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, das Speichermedium von der elektrochemischen Zelle zu dem thermischen Energiespeicher zu transportieren und eine vierte Teilvorrichtung, welche eingerichtet ist, das Wärmetransportmedium von der elektrochemischen Zelle zu dem thermischen Energiespeicher zu transportieren. Die dritte Teilvorrichtung und die vierte Teil Vorrichtung können als separate Elemente ausgebildet sein, insbesondere als zwei separat ausgebildete Pumpen. Die erste Transportvorrichtung und die zweite Transportvorrichtung können als separate Vorrichtungen ausgebildet sein. Alternativ können die erste Transportvorrichtung und die zweite Transportvorrichtung einstückig ausgebildet sein, d.h. die erste Transportvorrichtung kann eingerichtet sein, das Wärmetransportmedium und/oder das Speichermedium, insbesondere das elektrochemische Speichermedium und/oder das thermische Speichermedium, von dem thermischen Energiespeicher, insbesondere von dem Behälter des thermischen Energiespeichers, zu der elektrochemischen Zelle zu transportieren und kann weiterhin eingerichtet sein, das Wärmetransportmedium und/oder das Speichermedium, insbesondere das elektrochemische Speichermedium und/oder das thermische Speichermedium, von der elektrochemischen Zelle zu dem thermischen Energiespeicher, insbesondere zu dem Behälter des thermischen Energiespeichers, zu transportieren.
Wie oben bereits ausgeführt, weist die Vorrichtung weiterhin den Behälter auf. Der Behälter ist eingerichtet zur Aufnahme eines Vorrats an dem Wärmetransportmedium, insbesondere Natrium. Weiterhin ist der Behälter eingerichtet zur Aufnahme des Speichermediums von dem thermischen Energiespeicher. Der Behälter kann daher mit dem thermischen Energiespeicher fluidisch verbunden sein, insbesondere mittels mindestens einer zweiten Rohrleitung. Die zweite Rohrleitung kann insbesondere eingerichtet sein, eine fluidische Verbindung zwischen dem Behälter und der elektrochemischen Zelle herzustellen. Weiterhin kann die zweite Rohrleitung eingerichtet sein, Fluide zwischen dem Behälter und der elektrochemischen Zelle zu befördern. Insbesondere kann die zweite Rohrleitung mindestens eine dritte Teilrohrleitung und mindestens eine vierte Teilrohrleitung aufweisen. Die dritte Teilrohrleitung kann eingerichtet sein, einen Transport des Speichermediums und/oder des Wärmetransportmediums von dem Behälter zu der elektrochemischen Zelle zu ermöglichen. Die vierte Teilrohrleitung kann eingerichtet sein, einen Transport des Speichermediums und/oder des Wärmetransportmediums von der elektrochemischen Zelle zu dem Behälter zu ermöglichen.
Der Behälter kann insbesondere ein weiterer thermischer Energiespeicher sein oder einen weiteren thermischen Energiespeicher umfassen. Weiterhin kann die Vorrichtung mindestens einen Gasbehälter umfassen, insbesondere mindestens eine Gasflasche. Der Gasbehälter kann eingerichtet sein, um das Chlor-Gas aufzunehmen.
Die Vorrichtung kann weiterhin mindestens eine dritte Transportvorrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, das Wärmetransportmedium und/oder das Speichermedium, insbesondere das elektrochemische Speichermedium und/oder das thermische Speichermedium, aus der elektrochemischen Zelle zu dem Behälter zu transportieren. Wie im vorhergehenden Absatz näher ausgeführt, kann der Behälter ein thermischer Energiespeicher, insbesondere ein weiterer thermischer Energiespeicher sein. Die erste Transportvorrichtung und die dritte Transportvorrichtung können daher verschiedene Transportvorrichtungen sein. Die dritte Transportvorrichtung kann insbesondere mindestens eine dritte Pumpe sein oder umfassen. Die dritte Transportvorrichtung kann eingerichtet sein, insbesondere je nach einem Betriebsmodus der Vorrichtung, das Speichermedium und/oder das Wärmetransportmedium von der elektrochemischen Zelle zu dem Behälter zu transportieren. Alternativ kann die dritte Transportvorrichtung eine fünfte Teilvorrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, das Speichermedium von der elektrochemischen Zelle zu dem Behälter zu transportieren und eine sechste Teilvorrichtung, welche eingerichtet ist, das Wärmetransportmedium von der elektrochemischen Zelle zu dem Behälter zu transportieren. Die fünfte Teilvorrichtung und die sechste Teilvorrichtung können als separate Elemente ausgebildet sein, insbesondere als zwei separat ausgebildete Pumpen.
Die Vorrichtung kann insbesondere weiterhin mindestens eine vierte Transportvorrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, das Wärmetransportmedium und/oder das Speichermedium, insbesondere das elektrochemische Speichermedium und/oder das thermische Speichermedium, von dem Behälter zu der elektrochemischen Zelle zu transportieren. Die vierte Transportvorrichtung kann insbesondere mindestens eine vierte Pumpe sein oder umfassen. Die vierte Transportvorrichtung kann eingerichtet sein, insbesondere je nach einem Betriebsmodus der Vorrichtung, das Speichermedium und/oder das Wärmetransportmedium von dem Behälter zu der elektrochemischen Zelle zu transportieren. Alternativ kann die vierte Transportvorrichtung eine siebte Teilvorrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, das Speichermedium von dem Behälter zu der elektrochemischen Zelle zu transportieren und eine achte Teilvorrichtung, welche eingerichtet ist, das Wärmetransportmedium von dem Behälter zu der elektrochemischen Zelle zu transportieren. Die siebte Teilvorrichtung und die achte Teilvorrichtung können als separate Elemente ausgebildet sein, insbesondere als zwei separat ausgebildete Pumpen. Die dritte Transportvorrichtung und die vierte Transportvorrichtung können als separate Vorrichtungen ausgebildet sein. Alternativ können die dritte Transportvorrichtung und die vierte Transportvorrichtung einstückig ausgebildet sein, d.h. die dritte Transportvorrichtung kann eingerichtet sein, das Wärmetransportmedium und/oder das Speichermedium, insbesondere das elektrochemische Speichermedium und/oder das thermische Speichermedium, von dem Behälter zu der elektrochemischen Zelle zu transportieren und kann weiterhin eingerichtet sein, das Wärmetransportmedium und/oder das Speichermedium, insbesondere das elektrochemische Speichermedium und/oder das thermische Speichermedium, von dem Behälter zu der elektrochemischen Zelle zu transportieren.
Darüber hinaus kann die Vorrichtung weiterhin eine Gasauffangvorrichtung umfassen. Die Gasauffangvorrichtung kann eingerichtet sein, Gas, insbesondere in der elektrochemischen Zelle gebildetes Gas, aufzufangen. Insbesondere kann das Gas bei einer elektrochemischen Umsetzung des elektrochemischen Speichermediums mittels der elektrochemischen Zelle gebildet werden. Die Gasauffangvorrichtung kann weiterhin eingerichtet sein, das Gas der elektrochemischen Zelle, insbesondere einer elektrochemischen Rückreaktion mittels der elektrochemischen Zelle bereitzustellen. Die Gasauffangvorrichtung kann insbesondere den Gasraum umfassen, wie er bereits beschrieben wurde oder im Folgenden noch beschrieben wird. Insbesondere kann die Gasauffangvorrichtung einen Gasauffangbehälter umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann ein chemischer Prozess erfolgen basierend auf einer chemischen Reaktion des Gases, insbesondere von Chlor. Weiterhin kann das Gas, insbesondere Chlor, wieder bereitgestellt werden, insbesondere durch eine chemische Rückreaktion, insbesondere in einem Bedarfsfall.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur thermisch elektrochemischen Energiespeicherung und Energiebereitstellung vorgeschlagen. Das Verfahren kann die Verfahrensschritte, welche im Folgenden beschrieben werden, umfassen. Die Verfahrensschritte können beispielsweise in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Eine andere Reihenfolge ist jedoch ebenfalls denkbar. Weiterhin können ein oder mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder alle der Verfahrensschritte einfach oder auch wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren kann darüber hinaus noch weitere Verfahrensschritte umfassen.
Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
a) Bereitstellen einer Vorrichtung wie sie bereits beschrieben wurde oder im
Folgenden noch beschrieben wird;
b) Thermische Aufladung des thermischen Energiespeichers, wobei das
Wärmetransportmedium mittels der Aufheizungsvorrichtung auf eine Temperatur von 500 °C bis 850 °C, vorzugsweise von 510 °C bis 850 °C, vorzugsweise von 600 °C bis 850 °C, vorzugsweise von 620 °C bis 850 °C, vorzugsweise von 630 °C bis 850 °C, und besonders bevorzugt von 800 °C bis 850 °C, erhitzt wird, wobei das Wärmetransportmedium zumindest teilweise in eine flüssige Phase übergeht;
c) Elektrochemische Umsetzung des elektrochemischen Speichermediums mittels der elektrochemischen Zelle;
d) Elektrochemische Rückreaktion mittels der elektrochemischen Zelle, wobei sich das elektrochemische Speichermedium wieder ausbildet; und
e) Strömen des elektrochemischen Speichermediums in den Behälter, wobei das elektrochemische Speichermedium in ein thermisches Speichermedium übergeht, wobei Wärmeenergie freigesetzt wird.
In Schritt c) und/oder in Schritt d) kann ein elektrochemisches Potential erzeugt werden. Insbesondere kann in Schritt c) und/oder in Schritt d) eine elektrochemische Potenzialdifferenz auftreten, die ein Fließen eines nutzbaren elektrischen Stroms ermöglicht, durch welchen das elektrochemische Speichermedium wieder ausgebildet wird.
Insbesondere kann in Schritt e) das elektrochemische Speichermedium eine Funktion des thermischen Speichermediums übernehmen, welches eingerichtet ist, durch Erstarren von einem flüssigen Aggregatzustand in einen festen Aggregatzustand thermische Energie abzugeben. Eine Freisetzung von thermischer Energie kann grundsätzlich beim Erstarren und einem Übergang in den festen Aggregatzustand geschehen.
Der Begriff„thermische Aufladung“ bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen Vorgang, bei welchem einem Objekt Wärme zugeführt wird. Eine Temperatur oder Temperaturverteilung des Objekts kann durch diesen Vorgang erhöht werden. Schritt b) kann daher auch als thermische Ladephase bezeichnet werden. Zu Beginn kann Natrium in einem festen Aggregatzustand vor liegen. Dadurch kann das Natrium grundsätzlich nicht gepumpt werden. Das Natrium kann beispielsweise durch eine Begleitheizung am thermischen Energiespeicher auf eine Temperatur von mindestens 90°C und bevorzugt l50°C erwärmt werden. Anschließend kann das Natrium zu der Aufheizungsvorrichtung, insbesondere zu einem Solarreceiver, gefordert werden, um es dort auf eine Temperatur zwischen 500°C und 850°C, bevorzugt 800 bis 850°C zu erwärmen.
Zu Beginn der Ladephase kann sich in dem thermischen Energiespeicher das Festbett aus Partikeln, welche Natriumchlorid und Calciumchlorid aufweisen, in einem festem Aggregatzustand bei ca. 150 °C befinden. Bei der Temperatur von 150 °C kann das Natrium flüssig vorliegen und als Fluid verwendet werden, das die freien Kanäle des Festbetts ausfüllt. Das flüssige Natrium kann durch die Pumpe aus dem thermischen Energiespeicher zu der Aufheizungsvorrichtung gefördert werden. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, da hierbei grundsätzlich kein Wärmeübertrager erforderlich ist, um thermische Energie von der Aufheizvorrichtung an das thermische Speichermedium im thermischen Energiespeicher zu übertragen.
Auch andere Ausgestaltungen der Vorrichtung sind jedoch grundsätzlich denkbar. Es ist grundsätzlich möglich, Wärme durch ein weiteres Wärmetransportmedium an das Natrium in dem Behälter zu übertragen, etwa durch flüssiges Solarsalz aus einem Solarthermiekraftwerk. Demnach kann die Pumpe grundsätzlich nicht ausschließlich für den Transport von Natrium eingerichtet sein, sondern allgemein für beliebige Wärmetransportmedien.
In der Aufheizungsvorrichtung kann konzentriertes Sonnenlicht auf von dem Natrium durchströmte Rohrleitungen gerichtet werden, was einen Temperaturanstieg des Natriums zur Folge haben kann. Das Natrium kann dadurch auf eine Temperatur zwischen 500 °C und 850 °C, vorzugsweise zwischen 510 °C und 850 °C, vorzugsweise zwischen 600 °C und 850 °C, und bevorzugt zwischen 800 °C und 850°C erhitzt werden. Mit dieser Temperatur wird es im Kreislauf in den Speicherbehälter zurückbefördert und tritt am Boden wieder in den Behälter ein, in welchem sich das Natriumchlorid noch bei 150 °C befindet. Das Natrium kann die freien Kanäle zwischen den Partikeln durchströmen und seine thermische Energie an die Partikel abgeben. Bei einer anhaltenden Energiezufuhr, insbesondere durch die Sonne, an Natrium und von Natrium an das Festbett kann die Temperatur des Festbetts ansteigen. Bei knapp oberhalb von 500 °C, insbesondere bei knapp oberhalb von 510 °C, insbesondere bei knapp oberhalb von 600 °C, bis knapp oberhalb 800°C (je nach vorhandenem Anteil von Calciumchlorid) kann der Schmelzpunkt der Partikel erreicht werden. Die Partikel können nach weiterer Energiezufuhr durch das Natrium flüssig werden. Aufgrund einer im Vergleich zu Natriumchlorid und Calciumchlorid geringeren Dichte von Natrium kann das geschmolzene Salzgemisch auf den Grund des thermischen Energiespeichers sinken. Noch feste Partikel können nach unten sinken und dort in Kontakt mit heißem Natrium aus der Aufheizungsvorrichtung ebenfalls flüssig werden. Das Natriumchlorid und das Calciumchlorid können vollständig oder zumindest nahezu vollständig in die flüssige Phase übergehen. Insbesondere kann sich am Grund des thermischen Energiespeichers eine flüssige Natriumchlorid-Calciumchlorid-Phase ausbilden, auf welcher eine Natrium-Phase schwimmt.
Schritt b) kann insbesondere die folgenden Teilschritte umfassen:
bl) Transportieren des Wärmetransportmediums in die Aufheizungsvorrichtung; b2) Erhitzen des Wärmetransportmediums auf eine Temperatur zwischen 500 °C bis 850 °C, vorzugsweise von 510 °C bis 850 °C, vorzugsweise von 600 °C bis 850 °C, vorzugsweise von 620 °C bis 850 °C, vorzugsweise von 630 °C bis 850 °C, und besonders bevorzugt von 800 °C und 850°C;
b3) Transportieren des Wärmetransportmediums in den thermischen
Energiespeicher.
Vor Durchführung des Schritts bl) kann ein Erhitzen des thermischen Energiespeichers auf eine Temperatur von 120 °C bis 170 °C, insbesondere auf 150 °C, erfolgen, wobei das Wärmetransportmedium in eine flüssige Phase übergeht. In diesem Schritt kann das Erhitzen insbesondere elektrisch und/oder durch einen Gasbrenner erfolgen.
In Schritt bl) kann das Natrium von dem thermischen Energiespeicher in die Aufheizungsvorrichtung mittels der Pumpe transportiert werden. In Schritt b2) kann die Aufheizungsvorrichtung Sonnenenergie von einer Umgebung der Aufheizungsvorrichtung aufnehmen. In Schritt b3) kann das Natrium an einem Boden des thermischen Energiespeichers eintreten. Nach Schritt b3) kann das Natrium nach dem Erhitzen thermische Energie an das Natriumchlorid abgeben.
Der Begriff„elektrochemische Umwandlung“ bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen Vorgang, bei welchem durch einen elektrochemischen Vorgang ein Stoff in einen anderen Stoff umgewandelt wird, insbesondere durch eine Oxidation oder durch eine Reduktion.
Das elektrochemische Speichermedium kann Natriumchlorid umfassen und Schritt c) kann insbesondere die folgenden Teilschritte umfassen:
cl) Anlegen eines elektrischen Stroms an die elektrochemische Zelle;
c2) Umwandeln von Natrium-Kationen des Natriumchlorids in Natrium an der ersten Elektrode, wobei die erste Elektrode als Kathode geschaltet ist; und c3) Umwandeln von Chlorid- Anionen des Natriumchlorids in Chlor an der
zweiten Elektrode, wobei die zweite Elektrode als Anode geschaltet ist.
Dabei kann das Chlor in dem Gasbehälter aufgenommen werden. Schritt c) kann bereits begonnen werden, wenn Schritt b) noch nicht abgeschlossen ist. Die Schritte b) und c) können daher zumindest teilweise zeitgleich durchgeführt werden. Insbesondere kann Schritt c) eingeleitet werden, wenn das Natriumchlorid im flüssigen Aggregatzustand vorliegt. Schritt c) kann daher auch als elektrochemische Ladephase bezeichnet werden. Vorzugsweise kann das NaCl elektrochemisch umgesetzt werden, sobald das NaCl verflüssigt ist. Es soll grundsätzlich möglichst wenig flüssiges NaCl vorhegen. Daher können die Schritte b) und c) vorzugsweise zeitgleich durchgeführt werden.
In Schritt c) kann ein Teil der Natriumchlorid-Phase der elektrochemischen Zehe zugeführt werden. Durch Zufuhr von elektrischem Strom können die Natrium- Kationen an der Kathode der elektrochemischen Zehe zu elementarem Natrium reagieren und an der Anode können die Chlorid- Anionen zu Ck-Gas reagieren.
Das Chlorgas kann anschließend in den Gasbehälter geleitet werden zur Aufbewahrung. Das gebildete Natrium kann dem thermischen Energiespeicher zugeführt werden. Schritt c) kann grundsätzlich andauem bis das Natriumchlorid nahezu vollständig umgesetzt worden ist. Folglich kann die in einem Solarthermiekraftwerk anfallende thermische Energie während Schritt c) in einem Wärme-Kraft-Prozess zu elektrischer Energie umgesetzt werden. Eine zur Einspeicherung erforderliche Spannung kann insbesondere von einer Temperatur der elektrochemischen Zehe abhängig sein. Die Spannung kann sich mit steigender Temperatur verringern. Somit kann während einer Ladephase eine höhere Temperatur angestrebt werden als während einer Entladephase:
Schritt d) kann auch als elektrochemische Entladephase bezeichnet werden. Während Schritt d) kann eine elektrochemische Rückreaktion erfolgen, welche eine weitere elektrochemische Umsetzung mittels der elektrochemischen Zehe bezeichnet, durch welche das in Schritt c) umgesetzte Speichermedium wieder gebildet wird. Ein Natrium-Atom kann ein Elektron abgeben und als Natriumkation in das flüssige Natriumchlorid übergehen. An der zweiten Elektrode kann ein Ck-Molekül aus dem Gas zwei Elektronen aufhehmen und geht als zwei Chlorid-Anionen in den Elektrolyten über. Es kann sich ein elektrochemisches Potential ausbilden, welches zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Der Strom kann in ein Stromnetz eingespeist werden. Durch eine Verwendung der 3-Phasen-Elektrode kann die Rückreaktion erfolgen. Während des Schritts d) kann in der elektrochemischen Zehe eine geringere Temperatur als während der Ladephase angestrebt werden. Dies kann dazu führen, dass eine Entladung der elektrochemischen Zehe über eine zumindest nahezu gesamte Phase der Entladung bei einer höheren Leistung ablaufen kann und somit mehr elektrische Energie entnommen werden kann, als zur Einspeicherung vonnöten gewesen ist. Eine Differenz der Energie kann aus einer thermischen Energiedifferenz stammen, die insbesondere letztlich von einer Energie aus dem Solarkraftwerk stammen kann. Eine während der Entladung gegebenenfalls entstehende thermische Energie kann dem thermischen Energiespeicher zugeführt werden und dort an das als primäres Wärmetransportmedium arbeitende Natrium übertragen werden. Dieses kann die thermische Energie zum Wärme-Kraft-Prozess transportieren, welcher die Wärme in elektrische Energie umwandelt. Das Speichermedium kann Natriumchlorid umfassen und Schritt d) kann insbesondere die folgenden Teilschritte umfassen:
dl) Abgreifen eines elektrischen Stroms von der elektrochemischen Zelle;
d2) Umwandeln des Natriums in die Natrium-Kationen an der ersten Elektrode, wobei die erste Elektrode als Anode geschaltet ist; und
d3) Umwandeln des Chlors in die Chlor- Anionen an der zweiten Elektrode,
wobei die zweite Elektrode als Kathode geschaltet ist.
Schritt e) kann auch als thermische Entladephase bezeichnet werden. Sobald das Chlorgas zumindest nahezu vollständig wieder in die Elektrolytlösung umgewandelt ist, kann Schritt e) beginnen. Das Natrium, welches im thermischen Energiespeicher vorliegt, kann thermische Energie an den Wärmekraft-Prozess abgeben, insbesondere mittels einer Pumpe, und bei geringerer Temperatur in den Behälter einströmen. Tropfen des Natriumchlorids und/oder des Calciumchlorids können in dem Behälter erstarren aufgrund des im Vergleich kalten Natriums zu festen Partikeln und können dabei Kristallisationswärme an das Natrium abgeben. Das Natrium kann kalt von einem Dampferzeuger kommend, insbesondere von unten, in den thermischen Speicherbehälter einströmen. Die Mischung umfassend Natriumchlorid und Calciumchlorid, welche in der elektrochemischen Zelle gebildet worden ist, kann etwa durch eine Pumpe oder einen Mechanismus mit einer Förderwirkung an eine Oberseite des Behälters gefördert werden. Dort kann die flüssige Mischung umfassend Natriumchlorid und Calciumchlorid aus einer Düse oder von einem Siebboden in das kühle Natrium herabtropfen. Einzeltropfen der Mischung können aufgrund ihrer geringen Größe bei Kontakt mit dem Natrium erstarren, können dabei ihre Erstarrungswärme abgeben und können erstarrt entgegen der Natriumströmung auf den Grund des Behälters sinken, wo sich eine Partikelschicht aufbaut, insbesondere so wie sie zu Beginn des Ladeprozesses vorliegt. Dadurch wird das Natrium auf seinem Weg nach oben erwärmt.
Durch das Natrium kann diese Wärme an den Wärmekraftprozess zur Stromerzeugung transportiert werden. Es kann sich wiederum das Festbett ausbilden. Sobald der Behälter mit Partikeln ausgefüllt ist, kann das Natrium weiterhin Wärme abführen bis der Kraft- Wärmeprozess sich nicht mehr wirtschaftlich betreiben lässt. Dann ist die Entladephase beendet.
Schritt e) kann insbesondere die folgenden Teilschritte umfassen:
el) Erstarren des thermischen Speichermediums zu festen Partikeln;
e2) Freisetzen von Kristallisationswärme;
e3) Aufnehmen der Kristallisationswärme durch das Natrium des Behälters; und e4) Transportieren der Kristallisationswärme an einen Wärmekraftprozess.
Vor Durchführung des Schritts c) kann das elektrochemische Speichermedium, insbesondere von dem thermischen Energiespeicher, zu der elektrochemischen Zelle transportiert werden, insbesondere mittels der ersten Transportvorrichtung. Weiterhin kann vor Durchführung des Schritts c) das elektrochemische Speichermedium von dem Behälter zu der elektrochemischen Zeller transportiert werden, insbesondere mittels der vierten T ransportvorrichtung .
In Schritt e) kann ein Transport des elektrochemischen Speichermediums in den Behälter mittels der dritten Transportvorrichtung erfolgen.
Während des Schritts c) kann das Gas, insbesondere Chlor, ausgebildet werden. Wie bereits oben ausgeführt, kann die Vorrichtung eine Gasauffangvorrichtung umfassen. Die Gasauffangvorrichtung kann das Gas, insbesondere das in der elektrochemischen Zelle gebildete Gas, auffangen. Die Gasauffangvorrichtung kann das Gas, insbesondere Chlor, insbesondere in Schritt d) bereitstellen, insbesondere für die elektrochemische Rückreaktion.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Verwendung einer Vorrichtung wie sie bereits beschrieben wurde oder im Folgenden noch beschrieben wird, vorgeschlagen zur Speicherung und zur Bereitstellung thermischer Energie aus Solarthermie-Kraftwerken und/oder zur Speicherung und zur Bereitstellung elektrischer Energie aus Windkraftanlagen. Für die aufgelisteten Verwendungen kann grundsätzlich ein weiterer Behälter für Gas eingesetzt werden. Auch andere Verwendungen sind grundsätzlich denkbar.
Ausführungsbeispiele
Für folgende Beispiele werden überschlägige Stoffwerte und vereinfachende Annahmen verwendet; die Beispiele dienen dazu, die Größenordnungen der Systemeigenschaften zu zeigen.
Als erstes Beispiel wird ein konzentrierendes Solarthermiekraftwerk, insbesondere ein solarthermisches Turmkraftwerk, mit einer elektrischen Leistung von 2,18 MW und einem Speicher für 6 Stunden beschrieben. Der Begriff„konzentrierendes Solarthermiekraftwerk“ bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges Solarthermiekraftwerk, bei welchem, insbesondere in einem Unterschied zu einem nicht konzentrierenden solarthermischen Absorber, einfallendes Sonnenlicht durch optische Einrichtungen gebündelt wird, insbesondere bevor es auf einen thermischen Absorber auftrifft. So kann grundsätzlich eine Energie pro Fläche erhöht werden und eine Absorberfläche des thermischen Absorber für eine gleiche übertragene Wärme um ein Konzentrationsverhältnis kleiner gestaltet werden, als bei einem nicht konzentrierenden Absorber. In konzentrierenden Solarthermie-Kraftwerken wird eine Bündelung des Lichts üblicherweise durch Spiegel erreicht. In Turmkraftwerken wird ein von einer Vielzahl von Spiegeln reflektiertes Licht auf einen an einer Spitze eines Turms befindliche Absorberfläche ausgerichtet. Der thermische Energiespeicher kann eine Quelle für thermische Energie umfassen, insbesondere um auf eine Betriebstemperatur gebracht zu werden. Die Quelle kann grundsätzlich ein elektrischer Heizer sein, ein Gasbrenner oder ein „solarthermisches Kraftwerk“, sowie weitere Wärmequellen.
Im vorliegenden Beispiel wird ein kleines konzentrierendes solarthermisches Kraftwerk mit einer thermischen Leistung von 6 MW angenommen. Eine theoretisch maximale elektrische Leistung, die aus thermischer Leistung gewonnen werden kann, kann grundsätzlich von einem Temperatumiveau abhängen, auf dem die thermische Energie bereitgestellt wird. Eine Temperatur der thermischen Energie wird in diesem Beispiel auf zu Beginn 800 °C festgesetzt. Diese entspricht etwa einer Schmelztemperatur von Natriumchlorid. Der thermische Energiespeicher kann thermische Energie bei dieser Temperatur an einen Wärme-Kraft-Prozess zur Stromerzeugung abgeben. Anhand einer Temperatur der Wärmebereitstellung ist die maximale elektrische Leistung Pe i, die aus einer thermischen Leistung Pth nach Camot erreicht werden kann:
298.15 K
el.max Pth Vc 6 MW 1 = 4,33 MW
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1073.15 K
Dabei entspricht h<: dem Camotwirkungsgrad sowie Tmin und Tmax jeweils einer minimalen bzw. maximalen Temperatur. Um zu berücksichtigen, dass dieser ideale Wert in Realität nicht erreicht werden kann, wird konservativ im Folgenden als real erzielbare elektrische Leistung lediglich die Hälfte der ideal erzielbaren Leistung angenommen, also Pei,reai = 2,17MW. Ein Verhältnis aus elektrischer zu thermischer Leistung kann demnach betragen: r el,real
Figure imgf000025_0002
0,36
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Während einer Dauer von sechs Stunden auf Volllast kann eine solche Solarthermie- Anlage 13 MWh (46,8 GJ) elektrische Energie generieren. Es wird nun angenommen, dass sich der Speicher bereits auf einer Temperatur von 800°C befindet, das Natriumchlorid allerdings noch im festen Aggregatzustand vorliegt. Eine zur Speicherung dieser Energiemenge erforderliche Menge an Natriumchlorid kann für diesen Fall folgendermaßen berechnet werden:
46797 MJ
8,3 t
Figure imgf000026_0001
5,42 «Z + 0 ,36 (0,52)«Z
CNaCi ist die massenspezifische, elektrochemische Speicherdichte von Natriumchlorid, D mHNaci die massenspezifische Schmelzenthalpie und e der Wirkungsgrad, mit dem thermische in elektrische Energie unter Berücksichtigung von Verlusten umgewandelt werden kann. Eine Speicherdichte ist hier definiert als eine insgesamt im thermischen Speichertank durch Umwandlung von Kochsalz zu Natrium speicherbare elektrische Energiemenge bezogen auf die vor Beginn der elektrochemischen Umsetzung im System vorhandene Masse von Natriumchlorid. Sie beträgt 5,42 MJ/kg (1,5 kWh/kg). Die eben ermittelte Masse kann darüber hinaus also noch die sensible Energiemenge speichern, die zur Anhebung der Speichertemperatur bis auf die Schmelztemperatur vom Salz erforderlich ist. Nach Aufschmelzen des Salzes wird die Prozesstemperatur etwas erhöht, um Erstarren von Salz zu vermeiden. Diese weitere Temperaturanhebung wird in diesem Beispiel vernachlässigt.
Bei einer Dichte von Natriumchlorid von 2,16 g/cm3 werden demnach ca. 3,9 m3 Tankvolumen benötigt. Da Natriumchlorid grundsätzlich zu Beginn als eine Schüttung vorliegt, welche zwischen einzelnen Salzpartikeln Hohlräume aufweist, kann der Tank noch etwa 30% größer sein, nämlich 5,0 m3. Ein zylindrischer Tank, bei welchem eine Höhe einem Durchmesser entspricht, kann eine Höhe und Durchmesser von H=D= y (4E/p)=1,86 m aufweisen. Das sich in den Zwischenräumen befindliche Natrium kann demnach ein Volumen von etwas mehr als 1.2 m3 und eine Masse von etwa 1 1 aufweisen.
Weitere Details dieses Ausführungsbeispiels sind in Figur 5 dargestellt und in den Erläuterungen zu Figur 5 angegeben.
Als weiteres Ausführungsbeispiel kann eine Windkraftanlage mit einer elektrischen Leistung von 2 MW und einem Speicher für 6 Stunden realisiert werden. Dies kann insbesondere für deutsche Standorte interessant sein. Die Windkraftanlage kann grundsätzlich auch durch eine Photovoltaik-Anlage der gleichen elektrischen Leistung ersetzt werden. Statt wie im vorigen Beispiel thermische Energie von der Sonne zu einzuspeichem, wird hier angenommen, dass elektrische Energie auch für das Aufwärmen des thermischen Energiespeichers und für das Auffüllen einer latenten Speicherkapazität des thermischen Energiespeichers verwendet wird, da es sein kann, dass der Betrieb des thermischen Solarkraftwerks ggf. an deutschen Standorten nicht wirtschaftlich ist.
Die elektrische Leistung einer Windkraftanlage betrage 2,17 MW, also identisch zu der elektrischen Leistung des Solarthermiekraftwerks gemäß des oben aufgeführten ersten Ausführungsbeispiels. Der Betriebsablauf gleicht damit weitestgehend demjenigen aus dem vorherigen Beispiel. Der Speicherinhalt kann im Lalle der Windkraftanlage anstelle thermischer nur mit Hilfe von höherwertiger elektrischer Energie von 97,8 °C auf 800 °C aufgewärmt werden und mit zusätzlicher elektrischer Energie grundsätzlich aufgeschmolzen werden. Da diese Energiemengen nach dem Aufschmelzen grundsätzlich nicht mehr elektrisch, sondern thermisch vorliegt, kann sie beim Ausspeichem nur wieder mit dem hier angenommenen Wirkungsgrad von 36% in elektrische Energie umgewandelt werden, sofern eine Wärmekraftmaschine für diese Umwandlung vorgesehen ist. Der Aufheizvorgang ist demnach unter Aufwendung elektrischer Energie teurer als im vorangehenden Beispiel.
Im Solarthermiekraftwerk kann demnach ein zusätzlicher Gewinn während des Ausspeichems aus dem thermischen Energiespeicher erwirtschaftet werden, sobald der Strompreis über die Marke steigt, die während des Einspeichems zu erzielen war. Eine daher sinnvolle Betriebsweise des thermisch-elektrochemische Energiespeichers ist eine mit stets geschmolzenem Salzinhalt, sodass nur dessen elektrochemische Kapazität genutzt wird. Dann kann sich allerdings die Kapazität des Speichers auf etwa den elektrisch speicherbaren Anteil beziehen und für den thermischen Energiespeicher wird gmndsätzlich eine größere Menge Salz gegenüber dem oben betrachteten Speicher für ein Solarthermiekraftwerk vorgesehen, um die erforderliche Kapazität bereitzustellen: Naci = Eei/Cxaci = (46797 MJ/5,4 MJ/kg) = 8,7 1.
Eine um 0,4t größere Menge an Natriumchlorid ist demnach erforderlich.
Die Speicherdichte kann dadurch geringfügig sinken und kann dann 1,5 kWh/kg betragen, bezogen auf 1 Kilogramm Natriumchlorid.
Als weiteres Ausführungsbeispiel wird im Folgenden ein konzentrierendes Solarthermiekraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 100 MW und einem Speicher für 18 Stunden beschrieben. Es kann zumindest teilweise auf obige Ausführungen verwiesen werden. Der thermische Energiespeicher eines mediterranen Solarthermiekraftwerks kann gmndsätzlich 18 Stunden lang 100 MW elektrische Energie liefern. Es ist daher eine Kapazität von 1,8 GWh (6,48 TJ) anzunehmen. Dazu kann die folgende Menge Natriumchlorid eingesetzt werden, unter Annahme eines gleichen Wirkungsgrads: el 6480000 MJ
mNaCl 1096 t
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Dies kann eine Schüttung von ca. 660 m3 Volumen des thermischen Energiespeichers erfordern. Eine Höhe und/oder ein Durchmesser des thermischen Energiespeichers kann sich daher auf ca. 9,4 m belaufen. Ca. 1,25 TJ können dabei grundsätzlich thermisch eingespeichert werden, eine restliche Energiemenge kann grundsätzlich elektrisch sein. Die Erfindung kann demnach für verschiedene Größenordnungen der erforderlichen Speicherkapazität hinweg eingesetzt werden.
Vorteile der Erfindung
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das zugehörige Verfahren zur thermisch elektrochemischen Energiespeicherung und Energiebereitstellung weisen, im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren, eine Reihe von Vorteilen auf.
Es gibt grundsätzlich eine Vielzahl von potentiell für den Einsatz in thermischen Energiespeichem geeigneten Phasenwechselmateriahen, jedoch besteht in der Regel keine stoffliche Kompatibilität mit einem primären Wärmetransportmedium. Üblicherweise werden Phasenwechselmateriahen eingekapselt, beispielsweise in kleine Metallsphären, oder in zumindest nahezu geschlossenen Rinnen oder Kugeln. Die Kapseln können eine zusätzliche thermische Barriere für den Wärmeübergang an das Phasenwechselmaterial darstehen und Investitionskosten aufgrund des erforderlichen Arbeitsschrittes des Einkapselns erhöhen. Bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Wärmetransportmedium mit dem Speichermedium grundsätzlich kompatibel. Eine Einkapselung kann entfallen. Das Wärmetransportmedium und das Speichermedium können in einem direkten thermischen und chemischen Kontakt miteinander stehen. Eine Ausbildung zumindest nahezu reiner Phasen und eine Dichtedifferenz der im Rahmen dieser Erfindung verwendeten Materialien kann es im Zusammenspiel beispielsweise mit einem Solarthermiekraftwerk erlauben, das Festbett durch Eintropfen der Salzschmelze in das Wärmetransportmedium wieder aufzubauen, ohne dass sich eine signifikante, nachteilige Vermischung der Stoffe einsteht.
Elektrochemische Zellen weisen üblicherweise eine feste Membran in der Elektrolysezehe auf, insbesondere um selektiv Ionen einer speziellen Gattung passieren zu lassen, weitere in der Zelle befindliche Substanzen jedoch zurückzuhalten. Jede Membran stellt üblicherweise für einen Ladungstransport eine Barriere dar. Die Membran kann beispielsweise chemisch angegriffen werden, verstopfen oder Risse bilden. Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erlauben grundsätzlich einen Verzicht einer derartigen Membran sowie eine Verwendung einer Mischung von Natriumchlorid und Calciumchlorid. Natriumchlorid und Calciumchlorid sind grundsätzlich im Überfluss und zu geringen Kosten auf der Erde verfügbar.
Die elektrochemische Zehe kann membranfrei ausgestaltet sein. Weiterhin kann die elektrochemische Zehe lediglich eine sehr geringe Menge an unterschiedlichen Stoff- Spezies aufweisen, wodurch ungewünschte Nebenreaktionen vermieden werden können. Die elektrochemische Zehe gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine einfache Ausgestaltung aufweisen. An der 3-Phasen-Elektrode kann ein gleichzeitiger Kontakt von Elektrodenmaterial, Elektrolyt und Chlor ermöglicht werden. Dadurch kann eine Umkehrung des elektrochemischen Ladevorgangs realisiert werden. Weiterhin sind in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die elektrochemische Zehe direkt an den thermischen Energiespeicher und an den Betrieb eines Solarthermiekraftwerks gekoppelt, wodurch sich alle drei Systeme stark gegenseitig begünstigen. Das Speichermedium und das Wärmetransportmedium ist grundsätzlich preiswert, sodass ein günstiges Speicherkonzept realisiert werden kann.
In der elektrochemischen Zehe mit der 3-Phasen-Elektrode kann die chemische Reaktion von Natriumchlorid zu Natrium und Chlorgas in beide Richtungen ablaufen. Dadurch können Natrium und Chlor als elektrochemische Speichermedien genutzt werden. Da diese als elementar reine Stoffe anfallen, können sie grundsätzlich unbegrenzt lange gelagert werden - zum Beispiel nach einer Einspeicherung im Sommer, während dessen aufgrund von vielen Sonnenstunden viel Strom aus Photovoltaik anfällt bis in den Winter. Somit kann solch thermischer Energiespeicher zur Lösung des Problems beitragen, dass trotz einer hohen installierten Erzeugerkapazität an Wind- und Photovoltaik- Anlagen an Tagen im Winter ohne Wind und Sonne große Versorgungslücken entstehen. Diese Lösung macht somit möglicherweise die Technologie der konzentrierenden Solarthermie für ihren Einsatz in Deutschland wirtschaftlich attraktiv.
Die elektrochemische Reaktion erlaubt es grundsätzlich, sehr große Mengen elektrischer Energie in der Bildung chemischer Produkte zu speichern. Dieser Vorgang ist für gewöhnlich, beispielsweise in der elektrolytischen Bildung von Natrium und Chlor selbst, energieintensiv da Wärme, die zur Aufrechterhaltung des flüssigen Aggregatzustandes vonnöten ist, durch elektrische Leistung bereitgestellt wird. Diese teure und wertvolle Form der Energie wird in der vorliegenden Erfindung durch relativ günstige Wärme aus einer konzentrierenden solarthermischen Anlage bereitgestellt. Damit kann die Einspeicherung der elektrischen Energie im Vergleich deutlich günstiger sein. Die Vorrichtung kann darüber hinaus auch in Zeiten, zu denen keine elektrische Energie zur Einspeicherung aus dem Netz zur Verfügung steht, seine eigene, überschüssige Wärme in einem Wärmekraftprozess in elektrische Energie umwandeln und diese durch die Elektrolysereaktion in Natrium und Chlorgas einspeichem. Nach Ausfall der thermischen Energiequelle, insbesondere der Sonne, kann im Wärmekraftprozess noch die thermische Energie aus dem thermischen Energiespeicher zur Gewinnung von elektrischer Energie genutzt werden.
Die Vorrichtung kann eingesetzt werden in mehreren, beieinander liegenden Solarparks oder Windkraftanlagen, welche im günstigsten Falle Gleichstrom produzieren und an einen gemeinsamen Speicher gekoppelt sind. Eine Einkopplung von Leistung in ein Verbundnetz kann dann zentral über einen Speicher mit einer im Wesentlichen zeitlich konstanten Leistungsabgabe und unter einer Verwendung von einem Satz Umspann- und Wechselrichtertechnik erfolgen. Weiterhin kann die Vorrichtung als Mittel- oder Langfristspeicher in einem Verbundnetz eingesetzt werden. Auch andere Anwendungsgebiete sind grundsätzlich denkbar.
Im Einzelnen zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figuren 2A bis 2D eine schematische Darstellung des Schritts b) des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
Figuren 3A und 3B eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (Figur 3A) und eine schematische Darstellung eines thermischen Speicherbehälters nach Durchführung von Schritt c) (Figur 3B);
Figur 4 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte d) und e) gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Figur 5 eine Illustration von Vorgängen in einem thermischen
Energiespeicher gemäß eines Ausführungsbeispiels einer konzentrierenden Solarthermiekraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 2 MW und einem Speicher für 6 Stunden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110. Die Vorrichtung 110 kann an einer Turmspitze 112 eines Turms 114 eines Solarthermiekraftwerks angebracht sein. Die Vorrichtung 110 kann mit konzentriertem Sonnenlicht, wie schematisch mit Pfeilen 116 dargestellt, bestrahlt werden. Für weitere Einzelheiten hinsichtlich eines Aufbaus und einer Funktionsweise der Vorrichtung 110 wird auf die Ausführungen zu den Figuren 2-5 verwiesen.
Figuren 2A bis 2D zeigen eine schematische Darstellung des Schritts b) des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Es wird zunächst ein thermischer Energiespeicher 118 bereitgestellt. Der thermische Energiespeicher 118 kann insbesondere als Behälter 120 ausgebildet sein. Der thermische Energiespeicher umfasst mindestens ein Wärmetransportmedium 121 und mindestens ein Speichermedium 119 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem elektrochemischen Speichermedium, einem thermischen Speichermedium. Insbesondere kann der thermische Energiespeicher 118 Natriumchlorid, Calciumchlorid und Natrium umfassen.
Der thermische Energiespeicher 118 kann zunächst, wie in Figur 2A dargestellt, ein Festbett 122 aus Partikeln 124 aufweisen. Die Partikel 124 können Natriumchlorid und Calciumchlorid umfassen. Insbesondere kann das Calciumchlorid dem Natriumchlorid beigemengt sein, um einen Schmelzpunkt einer Mischung aus Calciumchlorid und Natriumchlorid von 560 °C zu erzielen. Zwischen den Partikeln 124 können sich Kanäle 126 befinden, insbesondere freie Kanäle 128. Die Kanäle 126 können von einem Fluid durchströmt werden. Das Fluid 130 kann Natrium umfassen. Der Behälter kann zunächst eine Temperatur von 150 °C aufweisen. Bei der Temperatur von 150 °C kann das Natrium flüssig vorliegen und als Fluid verwendet werden, das die freien Kanäle des Festbetts ausfüllt. Das Natrium kann mittels einer Pumpe in eine Aufheizungsvorrichtung 134 transportiert werden (hier schematisch mit Pfeil 134 dargestellt). In der Aufheizungsvorrichtung 134 kann das Natrium auf eine Temperatur von 560 °C erhitzt werden. Anschließend kann das Natrium wieder in den thermischen Energiespeicher 118 zurücktransportiert werden (hier schematisch mit Pfeil 136 dargestellt). Insbesondere kann das Natrium am Boden 138 des thermischen Energiespeichers 118 wieder eintreten. Das Natrium kann die freien Kanäle 128 zwischen den Partikeln 124 durchströmen und seine thermische Energie an die Partikel 124 abgeben. Bei weiterer Energiezufuhr werden die Partikel 124 flüssig, wie in den Figuren 2B bis 2D dargestellt. Aufgrund einer im Vergleich zu Natriumchlorid und Calciumchlorid geringeren Dichte von Natrium kann das geschmolzene Salz auf einen Grund 140 des Behälters 120 sinken.
Wie in Figur 2D dargestellt, können das Natriumchlorid und das Calciumchlorid zumindest nahezu vollständig in einen flüssigen Aggregatszustand übergehen. Es kann sich eine erste Phase 142 ausbilden, welche Natriumchlorid und Calciumchlorid umfasst. Auf der ersten Phase 142 kann eine zweite Phase 144 schwimmen, welche Natrium umfasst.
In Figur 3A ist eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle 146 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 dargestellt. Die elektrochemische Zelle 146 umfasst einen Gasraum 148 sowie eine erste Elektrode 150 und eine zweite Elektrode 152. Die zweite Elektrode 152 ist als 3-Phasen-Elektrode 154 ausgebildet. Die 3-Phasen-Elektrode 154 umfasst mindestens eine erste Phasengrenze 156 zu dem Gasraum 148 und mindestens eine zweite Phasengrenze 158 zu dem Natriumchlorid und Calciumchlorid. Die elektrochemische Zelle 146 kann eingerichtet sein, um Natrium- Kationen des Natriumchlorids zu elementarem Natrium umzuwandeln und Chlorid-Anionen des Natriumchlorids zu Chlor, insbesondere zu Chlor-Gas, umzuwandeln. Das Chlor-Gas kann in den Gasraum 148 übergehen. Anschließend kann das Chlorgas in Gasflaschen (nicht dargestellt) geleitet werden zur Aufbewahrung.
In Figur 3B ist eine schematische Darstellung eines thermischen Energiespeichers 118 nach Durchführung von Schritt c) dargestellt. Nach der elektrochemischen Umwandlung von Natriumchlorid in Natrium und Chlor mittels der elektrochemischen Zelle 146 kann ein Großteil des Natriumchlorids umgesetzt worden sein.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte d) und e) gemäß der vorliegenden Erfindung. Während Schritt d) kann eine elektrochemische Rückreaktion erfolgen. Das Natrium kann ein Elektron abgeben und kann als Natriumkation in das flüssige Natriumchlorid übergehen. An der zweiten Elektrode 152 kann ein Ch-Molekül aus dem Gas zwei Elektronen aufnehmen und als zwei Chlorid-Anionen in den Elektrolyten übergehen. Es kann sich ein elektrochemisches Potential ausbilden, welches zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Durch eine Verwendung der 3-Phasen-Elektrode 154 kann die Rückreaktion erfolgen. Während des Schritts d) kann in der elektrochemischen Zelle 146 eine geringere Temperatur als während der Ladephase angestrebt werden. Dies kann dazu führen, dass eine Entladung der elektrochemischen Zelle 146 über eine zumindest nahezu gesamte Phase der Entladung bei einer höheren Leistung ablaufen kann und somit mehr elektrische Energie entnommen werden kann, als zur Einspeicherung vonnöten gewesen ist.
Sobald das Chlorgas zumindest nahezu vollständig wieder in die Elektrolytlösung umgewandelt ist, kann Schritt e) beginnen. Das Natrium, welches im thermischen Energiespeicher 118 vorliegt, kann thermische Energie an den Wärmekraft-Prozess abgeben und bei geringerer Temperatur in einen Behälter 160 einströmen (schematisch mit Pfeil 162 dargestellt). Tropfen des Natriumchlorids und/oder des Calciumchlorids können in dem Behälter 160 zu festen Partikeln 124 erstarren aufgrund des im Vergleich kalten Natriums und können dabei Kristallisationswärme an das Natrium abgeben. Durch das Natrium kann diese Wärme an den Wärmekraftprozess zur Stromerzeugung transportiert werden. Es kann sich wiederum das Festbett 122 ausbilden. Sobald der Behälter 160 mit Partikeln 124 ausgefüllt ist, kann das Natrium weiterhin Wärme abführen bis der Kraft-Wärmeprozess sich nicht mehr wirtschaftlich betreiben lässt.
Figur 5 zeigt eine Illustration von Vorgängen in einem thermischen Energiespeicher gemäß eines Ausführungsbeispiels eines konzentrierenden Solarthermiekraftwerks mit einer elektrischen Leistung von 2 MW und einem Speicher für 6 Stunden. Es handelt sich dabei um eine Illustration des ersten Ausführungsbeispiels, welches in der obigen Beschreibung erläutert wurde.
Es ist ein Diagramm gezeigt, das eine Temperatur des thermischen Energiespeichers 118 und einen Inhalt des thermischen Energiespeichers 118 während der verschiedenen Prozessphasen schematisch illustriert. Es wird hier davon ausgegangen, dass der thermische Energiespeicher 118 zu Beginn (vor Phase 1 im Diagramm) eine Temperatur entsprechend einer Umgebungstemperatur aufweist. Dies kann beispielsweise bei einer ersten Inbetriebnahme oder nach Wartungsarbeiten der Fall sein. Während der Phase 1 im Diagramm kann die Menge an Natrium, die als Wärmetransportmedium zwischen dem thermischen Energiespeicher und der Aufheizungsvorrichtung 134 zirkuliert, flüssig vorliegen. Dazu kann, insbesondere elektrisch, das Natrium von 300 K auf 372 K, was der Schmelztemperatur von Natrium entspricht, aufgewärmt werden und der Phasenwechsel durchlaufen werden. Ebenfalls muss die als feste Schüttung vorliegende Menge Natriumchlorid aufgewärmt werden. Da diese Energie als thermische Energie eingespeichert wird, welche danach erst wieder in elektrische zurückgewandelt werden muss, fällt dieser Vorgang in Bezug auf die elektrische Speicherkapazität grundsätzlich nur geringfügig ins Gewicht, da diese Wärme auf sehr niedrigem Niveau vorliegt. Ein An- und Abfahrprozess ist nur gelegentlich erforderlich und die Anlage wird in der Regel auf einem Temperatumiveau oberhalb des Schmelzpunktes von Natrium gehalten wird. Dies wird durch hinreichende thermische Isolation dazu führen, dass grundsätzlich nur eine kleine elektrische Leistung zum Halten dieser Temperatur erforderlich ist. Beim Ab fahren kann ein Teil dieser thermischen Energiemenge noch in elektrische Energie umgewandelt werden. Dabei sinkt kontinuierlich die Temperatur und der Wirkungsgrad bei der Umwandlung verschlechtert sich, sodass nicht mehr mit dem bisher verwendeten Wirkungsgrad gerechnet werden kann. Unter der Annahme, dass der Wirkungsgrad nur ein Viertel dessen beträgt, der in den Ausführungsbeispielen als e = 0,36 festgelegt wurde, macht diese Energiemenge etwa 0,1% der insgesamt speicherbaren elektrischen Energiemenge aus (in der Abbildung mit 0,1 % angemerkt).
Anschließend werden das nun flüssig vorliegende Natrium und das fest vorliegende Natriumchlorid bis auf eine Temperatur von ca. 800°C erwärmt (Phase 2). In Zusammenspiel mit einem Solarthermiekraftwerk geschieht dies durch Zufuhr thermischer Energie. Die dadurch thermisch eingespeicherte Energiemenge macht etwa 1,1% der äquivalenten elektrischen Speicherkapazität des Speichers aus.
Sobald die Temperatur von 800 °C erreicht ist, beginnt eine isotherme Betriebsphase (= Betrieb bei konstanter Temperatur, Phasen 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11). Das heiße, flüssige Natrium bewegt sich unter Abgabe seiner thermischen Energie durch die NaCl-Schüttung im thermischen Energiespeicher 118 nach oben. Sobald die Schmelztemperatur von dem Salzgemisch erreicht ist, sinken Tropfen geschmolzenen Salzes auf den Grund des Behälters 120, wo sie eine flüssige Phase ausbilden, auf welcher das Natrium aufgrund seiner geringeren Dichte aufschwimmt. Der thermische Ladevorgang (Phasen 2, 3) ist abgeschlossen, sobald das Salz in den flüssigen Aggregatzustand übergegangen ist. Für das Aufschmelzen wird eine Energiemenge benötigt, die unter der Annahme von e = 0.36 Äquivalent zu etwas weniger als 4% der elektrischen Speicherkapazität des Speichers ist. Flüssiges Salz kann dann während Phase 4 kontinuierlich in die elektrochemische Zelle 146 transportiert werden, wo unter Aufwendung eines elektrischen Stroms elektrochemisch Natrium und Chlor erzeugt werden. Das Natrium kann in den thermischen Energiespeicher 118 zurückgeführt werden, wo es Teil einer schwimmenden Phase wird. Sobald das Natriumchlorid im Behälter in Natrium und Chlor umgewandelt ist, ist der elektrochemische Ladeprozess abgeschlossen. Der thermische Energiespeicher 118 ist zumindest nahezu komplett mit elektrochemischer Energie beladen. Nun kann allenfalls noch weitere thermische Energie hinzugefügt werden, die ein Ansteigen der Temperatur zur Folge hätte (im Diagramm nicht dargestellt). Der thermische und elektrochemische Ladeprozess können simultan ablaufen. Zum elektrochemischen Entladen (Phase 5) wird die elektrochemische Zelle mit im Vergleich zum Laden umgekehrter Polung betrieben und es bildet sich aus Natrium und Chlor flüssiges Natriumchlorid. Danach (Phase 6 oder gleichzeitig) wird dem flüssigen Natrium in dem thermischen Energiespeicher 118 thermische Energie entzogen, sodass die Natriumtemperatur unter die Schmelztemperatur des Natriumchlorid- Calciumchlorid-Gemisches abfällt. Das in der elektrochemischen Zelle 146 gebildete Salzgemisch kann dann (erste Hälfte Phase 7) in das flüssige Natrium eingetropft werden, wo es seine thermische und Erstarrungs-Energie an das Natrium abgibt. Das Salz kristallisiert in Partikel 124 aus und baut die Schüttung neu auf. Das durch die Zugabe von Salz kontinuierlich verdrängte Volumen an Natrium wird der elektrochemischen Zelle zugeführt. Elektrochemische und thermische Entladung geschehen also ebenfalls, zumindest teilweise, simultan. Danach kann wieder eine Beladungsphase beginnen.
Sobald ein Teil der Salzmischung flüssig vorliegt, kann elektrische Energie aus dem Wärme- Kraft-Prozess des Solarkraftwerks elektrochemisch eingespeichert werden. Dazu werden die feste Ausgangsmasse Natriumchlorid elektrochemisch zu 38% in Natrium und zu 62% in Chlorgas umgewandelt. Letzteres erfordert z.B. einen Druckbehälter, in dem das Cl2 bei Raumtemperatur und größer als 7,5 bar flüssig aufbewahrt werden kann. Durch Ablaufen der Rückreaktion wird diese elektrische Energie zurückgewonnen. Sobald die elektrochemische Rück-Reaktion beim Entladen begonnen hat, wird Natriumchlorid gebildet. Dieses wird im thermischen Energiespeicher in kühles, flüssiges Natrium eingetropft, wobei sich Salzkristalle bilden und auf den Grund sinken. So wird die Feststoffschüttung erneuert. Bei der Kristallisation wird Wärme frei. Sobald der thermische Energiespeicher 118 wieder mit der Salzschüttung gefüllt ist, ist die isotherme Entladephase abgeschlossen. Es kann nun noch der gesamte thermische Energiespeicher 118 bis knapp oberhalb der Schmelztemperatur des Natriums thermisch entladen werden.
Wenn ein erzielbarer Strompreis von 6ct/kWh angenommen wird und für eine Kostenannahme für Natriumchlorid von etwa 2ct/kg, kann der Speicher elektrische Energie für etwa 1,3 ct/kWh speichern, bezogen auf die Rohstoffkosten. Im Vergleich kostet eine Energiespeicherung in einem Speichermedium, welches aktuell Stand der Technik in der Solarthermie ist, Solar Salt, auf die Rohstoffkosten bezogen in solarthermischen Kraftwerken ist derzeit etwa 25€/kWh. Die Investitionskosten für die im thermischen Energiespeicher 118 benötigte Menge Salz amortisiert sich grundsätzlich bei diesem angenommenen Strom- und Rohstoffpreis nach nur einem isothermen Lade- und Entladezyklus. Bezugszeichenliste
Vorrichtung
Turmspitze
Turm
Pfeil
thermischer Energiespeicher
Speichermedium
Behälter
Wärmetransportmedium
Festbett
Partikel
Kanal
freier Kanal
Fluid
Pfeil
Aufheizungsvorrichtung
Pfeil
Boden
Grund
erste Phase
zweite Phase
elektrochemische Zelle
Gasraum
erste Elektrode
zweite Elektrode
3 -Phasen-E lektrode
erste Phasengrenze
zweite Phasengrenze
Behälter
Pfeil

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (110) zur thermisch-elektrochemischen Energiespeicherung und Energiebereitstellung, umfassend
- mindestens einen thermischen Energiespeicher (118), wobei der thermische Energiespeicher (118) mindestens ein Wärmetransportmedium (121) und mindestens ein Speichermedium (119) ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem elektrochemischen Speichermedium, einem thermischen Speichermedium umfasst;
- mindestens eine Aufheizungsvorrichtung (134), wobei die Aufheizungsvorrichtung (134) eingerichtet ist, das Wärmetransportmedium (121) von dem thermischen Energiespeicher (118) aufzunehmen, zu erhitzen und in den thermischen Energiespeicher (118) zurückzuführen;
- mindestens eine elektrochemische Zelle (146), wobei die elektrochemische Zelle (146) mindestens einen Gasraum (148) umfasst, wobei die elektrochemische Zelle (146) weiterhin mindestens eine erste Elektrode (150) und mindestens eine zweite Elektrode (152) umfasst; wobei die zweite Elektrode (152) als eine 3- Phasen-Elektrode (154) ausgebildet ist, wobei die 3-Phasen-Elektrode (154) mindestens eine erste Phasengrenze (156) zu dem Gasraum (148) und mindestens eine zweite Phasengrenze (158) zu dem elektrochemischen Speichermedium (119) aufweist; wobei die elektrochemische Zelle (146) eingerichtet ist, um das elektrochemische Speichermedium (119) elektrochemisch umzusetzen; und
- mindestens einen Behälter (160), wobei der Behälter (160) zur Aufnahme eines Vorrats an dem Wärmetransportmedium (119) eingerichtet ist, wobei der Behälter (160) weiterhin eingerichtet ist, das thermische Speichermedium (119) von dem thermischen Energiespeicher (118) aufzunehmen.
2. Vorrichtung (110) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das thermische Speichermedium (119) Natriumchlorid und Calciumchlorid in fester Form umfasst, wobei das elektrochemische Speichermedium (119) Natrium- Kationen und Chlorid- Anionen in flüssiger Form umfasst, und wobei das Wärmetransportmedium (121) Natrium umfasst.
3. Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das thermische Speichermedium (119) eingerichtet ist, ein Festbett (122) auszubilden.
4. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufheizungsvorrichtung (134) eingerichtet ist, um Sonnenenergie von einer Umgebung der Aufheizungsvorrichtung (134) aufzunehmen.
5. Verfahren zur thermisch-elektrochemischen Energiespeicherung und Energiebereitstellung, umfassend die Verfahrensschritte:
a) Bereitstellen einer Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden
Ansprüche;
b) Thermische Aufladung des thermischen Energiespeichers (118), wobei das Wärmetransportmedium (121) mittels der Aufheizungsvorrichtung (134) auf eine Temperatur von 500 °C bis 850 °C erhitzt wird, wobei das
Wärmetransportmedium (121) zumindest teilweise in eine flüssige Phase übergeht;
c) Elektrochemische Umsetzung des elektrochemischen Speichermediums (119) mittels der elektrochemischen Zelle;
d) Elektrochemische Rückreaktion mittels der elektrochemischen Zelle (146), wobei sich das elektrochemische Speichermedium (121) wieder ausbildet; und e) Strömen des elektrochemischen Speichermediums (119) in den Behälter (160), wobei das elektrochemische Speichermedium (121) in ein thermisches Speichermedium (119) übergeht, wobei Wärmeenergie freigesetzt wird.
6. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei Schritt b) die folgenden Teilschritte umfasst: bl) Transportieren des Wärmetransportmediums (121) in die
Aufheizungsvorrichtung (134);
b2) Erhitzen des Wärmetransportmediums (121) auf eine Temperatur zwischen 500 °C bis 850 °C;
b3) Transportieren des Wärmetransportmediums (121) in den thermischen
Energiespeicher (118).
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Wärmetransportmedium (121) nach dem Erhitzen thermische Energie an das thermische Speichermedium (119) abgibt.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden, das Verfahren betreffenden Ansprüche, wobei Schritt e) die folgenden Teilschritte umfasst:
el) Erstarren des thermischen Speichermediums (119) zu Partikel (124);
e2) Freisetzen von Kristallisationswärme;
e3) Aufnehmen der Kristallisationswärme durch das Wärmetransportmedium
(121) des Behälters (160); und
e4) Transportieren der Kristallisationswärme an einen Wärmekraftprozess.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden, das Verfahren betreffenden Ansprüche, wobei das Speichermedium (119) Natriumchlorid umfasst, wobei Schritt c) die folgenden Teilschritte umfasst:
cl) Anlegen eines elektrischen Stroms an die elektrochemische Zelle (146);
c2) Umwandeln von Natrium-Kationen des Natriumchlorids in Natrium an der ersten Elektrode (142), wobei die erste Elektrode (142) als Kathode geschaltet ist;
c3) Umwandeln von Chlorid- Anionen des Natriumchlorids in Chlor an der
zweiten Elektrode (144), wobei die zweite Elektrode (144) als Anode geschaltet ist. 10. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei Schritt d) die folgenden
Teilschritte umfasst:
dl) Abgreifen eines elektrischen Stroms von der elektrochemischen Zelle (146); d2) Umwandeln des Natriums in die Natrium-Kationen an der ersten Elektrode (142), wobei die erste Elektrode (142) als Anode geschaltet ist; d3) Umwandeln des Chlors in die Chlor-Anionen an der zweiten Elektrode (144), wobei die zweite Elektrode (144) als Kathode geschaltet ist.
11. Verwendung einer Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden, die Vorrichtung (110) betreffenden Ansprüche zur Speicherung und zur Bereitstellung thermischer Energie aus Solarthermie-Kraftwerken und/oder zur Speicherung und zur Bereitstellung elektrischer Energie aus Windkraftanlagen.
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