WO2020201367A1 - Energieversorgungssystem - Google Patents

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WO2020201367A1
WO2020201367A1 PCT/EP2020/059279 EP2020059279W WO2020201367A1 WO 2020201367 A1 WO2020201367 A1 WO 2020201367A1 EP 2020059279 W EP2020059279 W EP 2020059279W WO 2020201367 A1 WO2020201367 A1 WO 2020201367A1
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thermal energy
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PCT/EP2020/059279
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Martin Schichtel
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NEBUMA GmbH
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    • B60L53/50—Charging stations characterised by energy-storage or power-generation means
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a method for supplying electrical energy and a system for supplying electrical energy, in particular according to the method according to the invention.
  • renewable energies which can only be used to generate electrical energy depending on suitable environmental conditions. These include, for example, wind power and solar energy. Depending on their current ability to generate energy and the modern The mental energy requirement of the consumers supplied, additional electrical energy must be made available or dissipated through supply networks, possibly over great distances.
  • the patent specification DD 252 664 A1 discloses a heat supply system in which heat energy can be transported to decentralized consumers via mobile heat accumulators that are filled with a corresponding heat energy storage medium.
  • the thermal energy storage is charged with unused thermal energy, for example in the context of an energy-related process, and then transported to a consumer where the energy storage is discharged.
  • it is only a system for supplying thermal energy, not a system for supplying electrical energy.
  • FR 25 112 110 A1 relates to a power plant with a multi-stage turbine arrangement.
  • the residual heat from individual turbine stages is temporarily stored and, if necessary, used in other turbine stages. This results in a higher efficiency of conventional power plants with multi-stage turbine arrangements, but the recovery of the residual heat is only possible at the place of its generation.
  • CN 206195367 A and CN 106026296 A disclose mobile gas storage units that can be transported on a truck. The gas can be burned and converted into electrical energy via a generator. The electrical energy can be temporarily stored in a battery. The resulting heat can be used in a heat storage system in order to produce warm water.
  • JP 2013 134033 A discloses a system in which the waste heat from a charging station can be used for an electric motor vehicle.
  • the waste heat generated when the vehicle is being charged at the charging station is either used directly for heating and / or hot water supply to a building or is initially stored in a heat store.
  • the system only provides thermal energy; the supply of electrical energy must be provided elsewhere.
  • JP 03253278 A discloses a possibility of using waste heat initially to generate magnetic fields and in a further step to generate electrical energy. However, it does not disclose a decentralized supply of electrical energy.
  • the object of the present invention is therefore to show a method and a system for the provision of electrical energy, which on the one hand a high flexibility with regard to the supply location and / or the provision time of the electrical energy, and on the other hand a high efficiency with regard to the Consumption of primary energy sources and the climate impact.
  • the object is achieved by a method for supplying electrical energy and an energy supply system for supplying electrical energy with the features of the independent claims.
  • the features of the dependent claims relate to advantageous embodiments.
  • the method according to the invention provides that a heat accumulator is charged with heat energy in a heat charging station. The thermal energy is converted into electrical energy in a conversion station.
  • the method according to the invention provides that the heat accumulator in the heat loading station is charged with heat energy at a first location.
  • the heat store charged with thermal energy is transported to a second location that is different from the first location. At the second location, the thermal energy is converted into electrical energy in the conversion station
  • the method according to the invention achieves two goals in particular: On the one hand, the thermal energy with which the heat storage device is charged at the first location can be made usable. On the other hand, electrical energy can be provided at the second location independently of existing supply networks.
  • the energy supply system for supplying electrical energy is used in particular to carry out the method according to the invention.
  • the energy supply system has a heat charging station for charging a cakesspei chers with thermal energy.
  • the energy supply system also has at least one transportable heat store.
  • the energy supply system according to the invention also has a conversion station for converting the thermal energy stored in the heat storage device into electrical energy.
  • the system has a power generation device for generating electrical energy and is designed to convert electrical energy generated by the power generation device into thermal energy and store it in the heat store. Such a system can now be used to time-decouple the consumption of the electrical energy generated by the energy generating device by temporarily storing the electrical energy in the heat storage device.
  • the energy stored in the heat storage device can be used to provide control power, in particular to provide secondary control power.
  • the energy generating device can be an energy generating device for generating electrical energy from renewable energies. In particular, it can be a wind turbine.
  • the heat charging station can be located at the first location where the energy generating device is located in particular.
  • the conversion station can also be located at the first location and / or at a second location that is different from the first location.
  • stationary heat accumulators can also be used instead of the transportable heat accumulators.
  • the system is used in particular for the time-independent provision of electrical energy and / or thermal energy.
  • the discharged heat accumulators can be transported back to the first location and reloaded if transportable heat accumulators are used.
  • the heat accumulators still have a certain residual temperature after they have been discharged. Thermal energy stored in the heat storage device associated with this residual temperature is not lost, or at least only to a minor extent, but is retained until the heat storage device begins to be recharged - more or less as "preheating". For example, thermal energy from an energy conversion process for generating electrical energy that can no longer be used in this process can also be used to preheat a thermal store. This thermal energy can be the residual heat of a turbine, for example.
  • two different locations is to be understood as meaning, in particular, two locations that are more than 1 km, preferably more than 10 km, are apart.
  • the present invention is particularly advantageous in connection with the supply of electrically powered vehicles with electrical energy. These have accumulators with a comparatively limited range. Therefore, even in structurally weak regions, there must be a comprehensive network of charging stations that is able to provide a certain amount of electrical power.
  • conversion stations can be used to charge batteries of electrically powered vehicles.
  • the supply of the conversion stations, which are coupled with charging stations for the electric vehicles, can in particular be carried out in a simple manner through the transport of the heat storage. This enables a supply that is similar in terms of flexibility to supplying conventional filling stations with tankers. Such a supply is particularly advantageous in regions with a demand that changes depending on the season - for example, with seasonal traffic during a holiday season.
  • a permanently installed energy supply network would have to be designed based on a peak value that is only required at times.
  • remote infrastructures can be easily supplied with electrical energy and / or thermal energy in a self-sufficient manner.
  • these can be remote farms.
  • other types of facilities for example those used for recreational activities and / or tourism, are advantageous fields of application.
  • catering facilities can be operated in remote regions and, according to the present invention, with electric shear energy and / or heat energy are supplied.
  • the invention is similarly advantageous in connection with the supply of, for example, a neighborhood, a campus, a commercial property, a street, a town, a camp and / or a crisis area with electrical energy and / or thermal energy.
  • a particular advantage of the present invention comes into play with only seasonal or temporary utilization of the supplied facility. At peak times, these can be supplied with charged heat storage systems at an increased frequency. In times of low utilization or a temporary or seasonal shutdown of the facility, the supply can be reduced to a minimum or even completely stopped.
  • a conversion station can then be provided on a device to be supplied with electrical energy, in particular to cover peaks in demand.
  • an existing supply from a power grid can also be used. This is particularly useful when the device to be supplied is connected to an electrical power supply network, but the performance of this connection is insufficient.
  • the method according to the invention and / or a system according to the invention is particularly useful where a facility is only set up temporarily, for example for the implementation of a single event.
  • mobile power generators are often used, generate electrical energy by burning fossil fuels.
  • the method according to the invention can replace such conventional mobile and / or transportable generators using a mobile and / or transportable conversion station.
  • the present invention is distinguished in particular by the fact that the nuisance caused by the conventional generators inevitably caused by exhaust gases and / or engine noise is avoided.
  • the conversion of the thermal energy into electrical energy can take place, for example, with a steam turbine and / or in a steam engine.
  • a steam turbine and / or a steam engine is particularly advantageous when the thermal energy is stored at a comparatively high temperature level in the heat store.
  • a Stirling engine can also be used to convert electrical energy into thermal energy.
  • the processes which can advantageously be used for converting the thermal energy into electrical energy in the context of the method according to the invention can be based, for example, on a Clausius-Rankine process or a Carnot process. This includes, for example, the operation of a steam turbine and / or a steam engine as part of a Steam Rankine Cycle (SRC).
  • SRC Steam Rankine Cycle
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • Another advantageous variant of the method for converting the thermal energy into electrical energy within the scope of the method according to the invention is the use of a Kalina process in the conversion station.
  • a mixture of ammonia and water is used to generate steam, with additional thermodynamic effects due to changes in the concentration of ammonia and water in the individual phases.
  • Such a process can achieve higher efficiencies under suitable boundary conditions.
  • thermo energy into a conventional power plant to generate electrical energy.
  • This can be a gas and steam turbine power plant, for example.
  • This power plant then represents the conversion station in the sense of the present invention.
  • the added value of the present invention lies in this case in particular in the utilization of waste heat used.
  • the conversion station can have a thermoelectric generator.
  • a thermoelectric generator or thermogenerator is understood to be a device based on semiconductors that converts thermal energy into electrical energy.
  • the thermoelectric effect used here is also referred to as the Seebeck effect.
  • a thermoelectric material can be used to convert the thermal energy into electrical energy.
  • the conversion station can be operated like a thermal power station.
  • a higher overall efficiency can possibly be achieved in this way than is the case with purely electrical use. This is due to the fact that lower temperature levels can usually be used more sensibly when using heat directly than when converting thermal energy into electrical energy.
  • the thermal energy with which the cherriesspei is loaded can be waste heat.
  • Waste heat is in particular here to understand a heat that is usually not put to any value-adding use according to the prior art.
  • Such waste heat occurs in particular in industrial facilities of any form. This applies in particular to industrial facilities in which materials and / or workpieces are temporarily brought to high temperatures, for example to enable primary and / or Umformpro processes and / or chemical conversions. Examples include facilities in heavy industry, the ceramics industry, the glass industry, the chemical industry and / or the pharmaceutical industry.
  • the thermal energy can be thermal energy that comes from exhaust gases, in particular from flue gases.
  • the thermal energy obtained from the flue gases can in particular, at least in part, already be obtained from the flue gases before the flue gases are fed to a flue gas cleaning system.
  • a thermal energy storage of the medium is preferably heated to an average temperature of at least 200 ° C, particularly preferably at least 300 ° C, and / or at most 1,300 ° C, preferably at most 650 ° C, when charging the heat store with thermal energy.
  • heat accumulators the heat storage media of which have a corresponding temperature, represent a sufficiently hot energy source to enable an economical process of converting the heat into electrical energy.
  • waste heat meströme fall at the above-mentioned temperature levels to a sufficient extent to enable the operation of corresponding heat charging stations and heat accumulators.
  • so-called latent heat stores can be used as heat stores.
  • phase change materials are used as heat-storing media.
  • the latent heat of fusion, heat of solution and / or heat of absorption of such media is significantly greater than the heat that could be stored without using such phase change effects.
  • so-called sensible heat accumulators can be used. Such heat accumulators change their sensible temperature when loading and / or Ent load. In particular, there are no phase transitions with such heat stores.
  • Sensitive heat accumulators are particularly suitable for enabling broad and / or high temperature ranges. Such heat accumulators are described, for example, in EP 3 187 563 A1.
  • the heat-storing medium can comprise solid core particles and at least one phosphorus compound. At least part of the phosphorus compound is an oligomer.
  • the core particles here comprise a shell which comprises shell phosphorus compounds which are bound to the core particles by chemisorption or physisorption.
  • Such a heat-storing medium also includes matrix phosphorus compounds. At least some of the shell phosphorus compounds and / or the matrix phosphorus compounds are oligomers.
  • the solids content of such a heat-storing medium can be in a range from 30 to 60% by weight.
  • the mean diameter of the core particles of such a heat-storing medium can be in a range from 1 to 10 ⁇ m.
  • the surface of the core particles of such a korspei chernden medium can be pretreated with a reactive species.
  • the at least one oligomer of such a heat-storing medium can contain 3 to 50 repeating units.
  • the water of crystallization content in the at least one phosphorus compound of such a heat-storing medium can be in a range from 0 to 20% by weight.
  • the at least one oligomer of the shell-phosphorus compound of such a heat-storing medium can have fewer repeating units than the oligomer of the matrix-phosphorus compound.
  • the composition of such a heat-storing medium can also include fillers.
  • the mean diameter of the filler particles of such a heat storage medium can be in the range from 1 to 50 mm.
  • Such a heat-storing medium can be flowable and most preferably liquid.
  • Such a heat-storing medium can be hardened. In the case of such a hardened heat-storing medium, at least 90% by weight of the water may have been removed.
  • Such a heat-storing medium can be produced in that the at least one at least one oligomer holding phosphorus compound has been mixed with the solid core particles.
  • the heat accumulator can be a part of a power plant converted into a heat accumulator.
  • the combustion chambers of power plants can be filled with heat storage materials and / or replaced by thermal storage in order to provide heat storage with high capacity in a cost-effective manner.
  • thermochemical heat store it can be a so-called thermochemical heat store.
  • silica gels that absorb water vapor as a heat energy storage medium.
  • metal hydrides and / or zeolites for example, can also be used as heat-energy storage media in such heat stores.
  • other reversible chemical processes or reactions also come into consideration.
  • the heat accumulator is compatible with a transport system for freight containers. In this way, existing logistic systems can be used to transport the heat storage. It is particularly advantageous if the heat accumulators are designed to be compatible with TEU-ISO containers and / or FEO-ISO containers. This applies in particular to the dimensions of the cherriesspei cher, their shape and usable for container logistics systems attachment points, especially at the corners of the container-shaped heat storage. Such heat accumulators can then be treated and / or handled logistically like containers. It is advantageous if such heat accumulators have a support structure. The support structure can be arranged in particular in the interior of the heat storage. Such a support structure is used in particular to absorb the static forces generated by the weight of the heat-energy-storing medium.
  • the support structure can in particular be designed in such a way that the areas of the corners and / or fastening points of the container are reinforced. Without such a support structure, there is a risk when using a standard container that the volume of the container cannot be used for filling with heat storage medium due to the maximum load-bearing capacity of the container, and a complete filling would exceed the maximum load-bearing capacity of the container.
  • thermal insulation is provided between the medium storing heat energy and the support structure.
  • the system according to the invention particularly preferably has a plurality of heat accumulators or the method is carried out using a plurality of heat accumulators.
  • the number of heat stores is preferably so high that continuous operation of the heat loading station and / or the conversion station is made possible.
  • Continuous operation of the heat charging station has the advantage that any continuously accumulating heat flow can be used permanently to charge heat stores. For example, a waste heat flow can be used continuously.
  • Continuous use of the conversion station is necessary, for example, when a readiness for supply “around the clock” is to be maintained within the scope of supplying vehicles with electrical energy.
  • at least one of the heat accumulators which still contains at least a sufficient amount of residual heat energy to ensure the security of supply, is always located in the conversion station.
  • Further heat accumulators can be located on the transport route and / or in the heat loading station at the same time in order to enable continuous operation of the conversion station, in particular by replacing a heat accumulator in good time.
  • the system has a plurality of heat stores or the method is carried out using a plurality of heat stores, selective use of the heat stores for the provision of electrical shear energy and / or that for the provision of heat energy depending on the temperature of the respective heat storage possible.
  • the system according to the invention has a plurality, in particular a plurality, of heat accumulators, a plurality, in particular a plurality, of heat charging stations and / or a plurality, in particular a plurality, of conversion stations or that, according to the method according to the invention, one A plurality, in particular a plurality, heat accumulators, a plurality, in particular a plurality, heat charging stations and / or a plurality, in particular a plurality, conversion stations can be used.
  • a supply network can be formed in which the transfer of electrical energy and / or thermal energy via appropriate networks and / or heat energy at the heat charging stations, in particular depending on the respective demand for electrical energy at the conversion stations and / or the incidence of thermal energy at the heat charging stations / or the transport times and / or transport routes between individual heat charging stations and conversion stations are specified.
  • Such a supply network can fulfill the function of a district heating network or, in other words, forms a kind of virtual district heating network. It makes sense here to optimize the transport routes to be covered with regard to the shortest possible routes and thus the most energy-saving transport of the heat storage system. This can be done, for example, by a higher-level controller.
  • the superordinate control system allows in particular operating data of the heat charging station, the conversion station and / or the heat store to be recorded and / or evaluated.
  • the control can also be used to plan and / or coordinate logistical measures that are carried out independently of the direct influence of the control, such as storing the transport of heat, for example by truck.
  • the operating data can be the heat flows and / or quantities at the heat charging stations, the electrical energy demand and / or power demand at the conversion stations and / or the respective position and / or the state of charge of the individual heat accumulators. These operating data can then preferably be used as a basis for the determination and / or calculation of optimized transfers of electrical energy and / or thermal energy in and / or via corresponding networks and / or transport routes and / or transport times for the individual stores.
  • the higher-level control can be implemented using a computer, for example.
  • This can be connected to the heat charging station, the conversion station and / or the heat store, for example by means of a data connection via the Internet and / or a cellular network.
  • the heat accumulator can advantageously be equipped with a GPS receiver.
  • the heat loading station, the conversion station and / or the heat accumulator preferably has a suitable measuring device and / or a sensor in order to record the respective operating data.
  • the higher-level controller can also extrapolate to future expected demand data based on operating data collected in the past. This is particularly useful when the accumulation of thermal energy at a heat charging station and / or the need for electrical energy at a conversion station is subject to fixed time cycles.
  • the higher-level logistic control can preferably recognize such cycles on the basis of collected operating data.
  • the cycles can arise, for example, on the basis of weekly, daily and / or seasonal fluctuations in the demand for electrical energy and / or the accumulation of thermal energy.
  • the higher-level logistic control can then take such cycles into account when evaluating the operating data and calculating or determining the transport times and / or the transport routes based thereon.
  • This enables “predictive” control of the system according to the invention. It is possible that the system and / or the controller controlling the method is designed to convert electrical energy into thermal energy depending on the power generated by the energy supply device and / or the electrical energy requirement of a network supplied with electrical energy by the energy generation device and to store and / or to convert stored thermal energy into electrical energy and to deliver it to the energy supply network.
  • networking for the transmission of data from the system with other devices of an electrical power supply network can take place in particular. This can make it possible in particular to obtain data relating to the current demand and / or the current price of electrical energy and to use this as a basis for the control of the system and / or the method.
  • the invention is used to supply electrically operated vehicles with electrical energy.
  • the conversion station in the example should be able to charge 80 vehicles with 100 kWh of electrical energy each. This is based on 250 operating days per year, which corresponds to a total of 2 GWh of electrical energy per year.
  • this thermal energy can be done, for example, by the daily delivery of the order conversion station with 3 heat accumulators, which correspond to their dimensions in 20-foot containers (TEU-ISO container).
  • 3 heat accumulators which correspond to their dimensions in 20-foot containers (TEU-ISO container).
  • 6 corresponding heat accumulators which are simultaneously in operation, are sufficient.
  • the investments for such a system according to the invention are approx. 30% of the costs that would have to be incurred for a similarly powerful solar system as an alternative to the present invention at the location of the conversion station. 1 shows a simplified process diagram of an exemplary method for supplying electrical energy.
  • the exemplary method for supplying electrical energy is based on a charging station 1 which is located at a first location.
  • heat accumulators 2 can be charged with heat energy.
  • the heat accumulators 2 can be, for example, structures which, with regard to their dimensions, correspond to TEU-ISO containers. In this way, the heat accumulator 2 can be transported in an uncomplicated manner with a transport system for such containers.
  • the heat stores 2 can be latent heat stores. These can have a heat-storing medium which, when charging the heat accumulator 2 in the charging station 1, has an average temperature of 650 ° C.
  • the thermal energy 7 with which the heat store 2 is charged can be waste heat 3 from an industrial facility 4.
  • the heat accumulator 2 charged in this way can then, as shown schematically in FIG. 1, be transported to a conversion station 5. There the heat accumulators 2 can be discharged with a discharge device 6.
  • the thermal energy 7 from the energy stores 2 is first fed in the conversion station 5 to a heat engine 8, for example a steam engine or a Stirling engine. This is coupled to a generator 9.
  • the electrical energy 10 thus generated by the generator 9 can be used, for example, to charge electrically operated vehicles 11.
  • the discharged heat accumulator 2 can be transported back to the heat loading station 1 and reloaded after their discharge from the conversion station 5.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung mit elektrischer Energie (10), wobei ein Wärmespeicher (2) in einer Wärmeladestation (1) mit Wärmeenergie (3) geladen wird, wobei die Wärmeenergie (3) in einer Umwandlungsstation (5) in elektrische Energie (10) umgewandelt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Energieversorgungssystem zur Versorgung mit elektrischer Energie (10), insbesondere nach dem vorgenannten Verfahren, wobei das Energieversorgungssystem mindestens einen Wärmespeicher (2) aufweist, wobei das Energieversorgungssystem eine Wärmeladestation (1) zur Ladung des Wärmespeichers (2) mit Wärmeenergie (3) aufweist. Das Energieversorgungssystem weist eine Umwandlungsstation (5) zur Umwandlung im Wärmespeicher (2) gespeicherter Wärmeenergie (3) in elektrische Energie (10) auf, wobei das System eine Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie (10) aufweist und wobei das System dazu ausgebildet ist, von der Energieerzeugungseinrichtung erzeugte elektrische Energie (10) in Wärmeenergie (3) umzuwandeln und in dem Wärmespeicher (2) zu speichern.

Description

Energieversorgungssystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Versorgung mit elektrischer Energie und ein System zur Versorgung mit elektrischer Energie, insbesondere nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren.
Verfahren und Systeme der in Rede stehenden Art dienen dazu, elektrische Ener gie an einem bestimmten Ort und/oder zu einer bestimmten Zeit bereitzustellen. Die Versorgung mit elektrischer Energie stellt in zivilisatorisch erschlossenen Ge bieten grundsätzlich kein Problem dar. Insbesondere in Industrienationen existie ren weitverzweigte elektrische Versorgungsnetze. Diese sind regelmäßig in der Lage, eine ausreichende flächendeckende Versorgung zu gewährleisten. Dennoch besteht regelmäßig der Bedarf, elektrische Energie unabhängig von bestehenden Netzen zur Übertragung elektrischer Energie an bestimmten Orten bereitzustellen. Beispielsweise ist es möglich, dass die Bereitstellung von elektrischer Energie an einem mit bestehenden Netzen unzureichend erschlossenen Ort durch den Bau neuer Netze unwirtschaftlich wäre.
Weiterhin stellen die erneuerbaren Energien, steigende Rohstoffpreise sowie er höhte Anforderungen an den Klimaschutz zunehmend verstärkte Randbedingun gen an die lokale Bereitstellung elektrischer Energie sowie die Belastbarkeit und Zuverlässigkeit der Netze.
Ein Aspekt in diesem Zusammenhang ist die Elektromobilität. So werden Elektro fahrzeuge in der Zukunft ein vergleichsweise dichtes Netz an Ladestationen benö tigen. Dieses muss auch abgelegene und/oder mit derzeitigen elektrischen Netzen nicht oder nur unzureichend versorgte Regionen abdecken. Aufgrund der - vergli chen mit Verbrennungsmotoren - begrenzten Reichweite von Elektrofahrzeugen muss das Netz aus Ladestationen entsprechend dicht sein.
Ein weiterer Aspekt ist die zunehmende Nutzung erneuerbarer Energien, die nur in Abhängigkeit von geeigneten Umweltbedingungen zur Erzeugung elektrischer Energie nutzbar sind. Hierzu gehören beispielsweise Windkraft und Solarenergie. Abhängig von deren momentaner Fähigkeit zur Energieerzeugung und dem mo- mentanen Energiebedarf der versorgten Verbraucher muss zusätzliche elektrische Energie durch Versorgungsnetze, unter Umständen über große Entfernungen, be reitgestellt oder abgeführt werden.
Weiterhin besteht in zunehmendem Maße der Wunsch, jegliche Form von erzeug ter und/oder anfallender Energie zu nutzen. Die schlechte Speicherbarkeit elektri scher Energie auf der einen Seite und das Fehlen von mit elektrischen Energiever sorgungsnetzen vergleichbaren Netzen für andere Energieformen setzen der Rea lisierung dieses Wunsches nach einer weitgehenden energetischen Ressourcen- ausschöpfung derzeit noch enge Grenzen. Zwar sind beispielsweise Fernwärme netze zum Transport von Wärmeenergie bekannt, doch ist der Betrieb derartiger Netze nur dort sinnvoll, wo auf vergleichsweise engem Raum eine Vielzahl von Abnehmern aus einer entsprechend leistungsstarken Quelle versorgt werden kann. Dabei wird die Wärmeenergie üblicherweise lediglich zu Fleizzwecken verwendet, sodass nur ein begrenzter und oft nur saisonal schwankender Nutzen, insbesonde re während der Fleizperiode, erzielt wird.
So offenbart die Patentschrift DD 252 664 A1 ein Wärmeversorgungssystem, bei dem über mobile Wärmespeicher, die mit einem entsprechenden wärmeenergie speichernden Medium befüllt sind, Wärmeenergie zu dezentralen Abnehmern transportiert werden kann. Hierfür werden die Wärmeenergiespeicher mit nicht ge nutzter, beispielsweise im Rahmen eines energietechnischen Prozesses anfallen der Wärmeenergie geladen und dann zu einem Abnehmer transportiert, bei dem die Entladung des Energiespeichers erfolgt. Es handelt sich jedoch lediglich um ein System zur Versorgung mit Wärmeenergie, nicht um ein System zur Versorgung mit elektrischer Energie.
Die FR 25 112 110 A1 betrifft ein Kraftwerk mit einer mehrstufigen Turbinenanord nung. Hierbei wird die Restwärme einzelner Turbinenstufen zwischengespeichert und bei Bedarf in anderen Turbinenstufen verwertet. Flierdurch ergibt sich zwar ein höherer Wirkungsgrad konventioneller Kraftwerke mit mehrstufigen Turbinenanord nungen, die Verwertung der Restwärme ist jedoch lediglich am Ort ihrer Erzeugung möglich. Die CN 206195367 A und die CN 106026296 A offenbaren mobile, auf einem LKW transportable Gasspeichereinheiten. Das Gas kann verbrannt und über einen Ge nerator in elektrische Energie umgewandelt werden. Die elektrische Energie kann in einer Batterie zwischengespeichert werden. Die hierbei entstehende Wärme kann in einem Wärmespeicher verwertet werden, um warmes Wasser zu produzie ren. Ein derartiges System ermöglicht zwar eine dezentrale Versorgung mit elektri scher Energie, die hierbei eingesetzte Abwärmenutzung zur Warmwassererzeu gung stellt jedoch lediglich einen geringen energetischen Mehrwert gegenüber dem Einsatz konventioneller mobiler Stromerzeugungseinrichtungen dar. Im Grunde handelt es sich hier lediglich um eine Art mobiles Blockheizkraftwerk.
Die JP 2013 134033 A offenbart ein System, bei dem die Abwärme einer Ladesta tion für ein elektrisches Kraftfahrzeug nutzbar gemacht wird. Hierbei wird die beim Laden des Fahrzeugs an der Ladestation entstehende Abwärme entweder direkt für die Beheizung und/oder Warmwasserversorgung eines Gebäudes genutzt oder zunächst in einem Wärmespeicher gespeichert. Das System stellt jedoch lediglich Wärmeenergie zur Verfügung, die Versorgung mit elektrischer Energie muss an derweitig bereitgestellt werden.
Die JP 03253278 A offenbart eine Möglichkeit, Abwärme zunächst zur Erzeugung von Magnetfeldern und in einem weiteren Schritt zur Erzeugung von elektrischer Energie zu nutzen. Sie offenbart jedoch keine dezentrale Versorgung mit elektri scher Energie.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und ein Sys tem zur Bereitstellung von elektrischer Energie aufzuzeigen, welches zum einen eine hohe Flexibilität hinsichtlich des Bereitstellungsortes und/oder der Bereitstel lungszeit der elektrischen Energie, und zum anderen eine hohe Effizienz hinsicht lich des Verbrauchs an Primärenergieträgern und der Klimabelastung aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Versorgung mit elektrischer Ener gie und ein Energieversorgungssystem zur Versorgung mit elektrischer Energie mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Merkmale der abhängigen An sprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass ein Wärmespeicher in einer Wärmeladestation mit Wärmeenergie geladen wird. Die Wärmeenergie wird in ei ner Umwandlungsstation in elektrische Energie umgewandelt. Insbesondere sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass der Wärmespeicher in der Wärmela destation an einem ersten Ort mit Wärmeenergie geladen wird. Der mit Wärme energie geladene Wärmespeicher wird an einen von dem ersten Ort verschiedenen zweiten Ort transportiert. An dem zweiten Ort wird die Wärmeenergie in der Um wandlungsstation in elektrische Energie umgewandelt
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden insbesondere zwei Ziele erreicht: Zum einen kann die Wärmeenergie, mit der der Wärmespeicher am ersten Ort ge laden wird, nutzbar gemacht werden. Zum anderen kann an dem zweiten Ort elekt rische Energie unabhängig von bestehenden Versorgungsnetzen bereitgestellt werden.
Das Energieversorgungssystem zur Versorgung mit elektrischer Energie dient ins besondere der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Energie versorgungssystem weist eine Wärmeladestation zur Ladung eines Wärmespei chers mit Wärmeenergie auf. Weiter weist das Energieversorgungssystem mindes tens einen transportierbaren Wärmespeicher auf. Das erfindungsgemäße Energie versorgungssystem weist darüber hinaus eine Umwandlungsstation zur Umwand lung der im Wärmespeicher gespeicherten Wärmeenergie in elektrische Energie auf. Das System weist eine Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektri scher Energie auf und ist dazu ausgebildet, von der Energieerzeugungseinrichtung erzeugte elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln und in dem Wärme speicher zu speichern. Ein derartiges System kann nun dazu dienen, den Ver brauch der von der Energieerzeugungseinrichtung erzeugten elektrischen Energie zeitlich zu entkoppeln, indem die elektrische Energie im Wärmespeicher zwischen gespeichert wird. Insbesondere dann, wenn das Energieversorgungssystem an ein elektrisches Energieversorgungsnetz angeschlossen ist, kann die im Wärmespei cher gespeicherte Energie zum Bereitstellen von Regelleistung, insbesondere zum Bereitstellen von Sekundärregelleistung, dienen. Bei der Energieerzeugungseinrichtung kann es sich um eine Energieerzeugungs einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus erneuerbaren Energien han deln. Es kann sich insbesondere um eine Windkraftanlage handeln.
Die Wärmeladestation kann sich an dem ersten Ort befinden, an dem sich insbe sondere auch die Energieerzeugseinrichtung befindet. Die Umwandlungsstation kann sich ebenfalls an dem ersten Ort und/oder an einem vom ersten Ort ver schiedenen zweiten Ort befinden. Im ersteren Fall können statt den transportierba ren Wärmespeichern auch stationäre Wärmespeicher verwendet werden. In die sem Fall dient das System insbesondere zur zeitunabhängigen Bereitstellung von elektrischer Energie und/oder Wärmeenergie. Im zweiten Fall ist es möglich, den Wärmespeicher am ersten Ort mit Wärmeenergie zu laden und nach dem Trans port des Wärmespeichers an den zweiten Ort die gespeicherte Wärmeenergie - zumindest zum Teil - in elektrische Energie umzuwandeln und diese so an dem zweiten Ort bereitzustellen.
Die entladenen Wärmespeicher können im Fall der Verwendung transportierbarer Wärmespeicher zum ersten Ort zurücktransportiert und neu geladen werden.
Ebenso können sie an einen anderen Ort gebracht, dort geladen und so weiter verwendet werden. Abhängig vom aktuellen Bedarf an Wärmespeichern und/oder anfallender, speicherbarer Energie können so die jeweils günstigsten Transport wege gewählt werden, um entladene Energiespeicher für die erneute Aufladung bereit zu stellen. Es versteht sich, dass die Wärmespeicher nach ihrer Entladung noch eine gewisse Resttemperatur aufweisen. Mit dieser Resttemperatur verbun dene, im Wärmespeicher gespeicherte Wärmeenergie geht nicht oder zumindest lediglich in geringfügigem Maße verloren, sondern bleibt bis zum Beginn des er neuten Ladens des Wärmespeichers - quasi als„Vorwärme“ - erhalten. Auch kann beispielsweise Wärmeenergie aus einem Energieumwandlungsprozess zur Erzeu gung elektrischer Energie, die in diesem nicht mehr nutzbar ist, zum Vorwärmen eines Wärmespeichers genutzt werden. Bei dieser Wärmeenergie kann es sich beispielsweise um die Restwärme einer Turbine handeln.
In diesem Zusammenhang ist unter“zwei voneinander verschiedenen Orten“ ins besondere zwei Orte zu verstehen, die mehr als 1 km, bevorzugt mehr als 10 km, voneinander entfernt sind.
Besonders vorteilhaft ist die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit der Ver sorgung elektrisch angetriebener Fahrzeuge mit elektrischer Energie. Diese verfü gen über Akkumulatoren mit einer vergleichsweise begrenzten Reichweite. Daher muss auch in strukturschwachen Regionen ein flächendeckendes Netz an La destationen vorhanden sein, welches in der Lage ist, eine gewisse elektrische Leis tung zur Verfügung zu stellen.
Im Fall der vorliegenden Erfindung können Umwandlungsstationen zur Ladung von Akkumulatoren elektrisch angetriebener Fahrzeuge verwendet werden. Die Beliefe rung der Umwandlungsstationen, die mit Ladestationen für die elektrischen Fahr zeuge gekoppelt sind, kann so insbesondere in einfacher Weise durch den Trans port der Wärmespeicher erfolgen. Damit ist eine Versorgung möglich, die hinsicht lich der Flexibilität der Versorgung konventioneller Tankstellen mit Tankfahrzeugen ähnelt. Gerade in Regionen mit saisonabhängig wechselndem Bedarf - beispiels weise bei saisonalem Verkehrsaufkommen im Rahmen einer Urlaubssaison - ist eine derartige Versorgung vorteilhaft. Ein fest installiertes Energieversorgungsnetz müsste nach einem lediglich zeitweise benötigten Spitzenwert orientiert ausgelegt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, mehr oder weniger häufig mit Wärmeenergie aufgeladene Wärmespeicher zu der Umwandlungsstation zu transportieren. Auf diese Weise kann sehr flexibel auf den jeweiligen Bedarf reagiert werden.
Neben der Versorgung elektrischer Fahrzeuge gibt es weitere besonders vorteil hafte Anwendungsgebiete für die vorliegende Erfindung im Hinblick auf vorteilhafte Aufstellungssorte von erfindungsgemäßen Umwandlungsstationen. So können bei spielsweise, insbesondere abgelegene, Infrastrukturen in einfacher Weise autark mit elektrischer Energie und/oder Wärmeenergie versorgt werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um abgelegene landwirtschaftliche Betriebe handeln. Aber auch, insbesondere abgelegene, Einrichtungen anderer Art, beispielsweise solche, die der Freizeitgestaltung und/oder dem Tourismus dienen, stellen vorteilhafte An wendungsfelder dar. So können beispielsweise gastronomische Einrichtungen in abgelegenen Regionen betrieben und nach der vorliegenden Erfindung mit elektri- scher Energie und/oder Wärmeenergie versorgt werden. Ähnlich vorteilhaft ist die Erfindung im Zusammenhang mit der Versorgung beispielsweise eines Quartiers, eines Campus, einer Gewerbeimmobilie, eines Straßenzugs, einer Ortschaft, eines Camps und/oder eines Krisengebiets mit elektrischer Energie und/oder Wärme energie.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung kommt bei lediglich saisonaler bzw. temporärer Auslastung der versorgten Einrichtung zum Tragen. Diese können in Spitzenzeiten in erhöhter Frequenz mit aufgeladenen Wärmespeichern versorgt werden. In Zeiten geringerer Auslastung oder einer temporären bzw. saisonalen Stilllegung der Einrichtung kann die Versorgung auf ein Minimum reduziert bzw. sogar ganz eingestellt werden.
Es ist möglich, das erfindungsgemäße Verfahren und/oder ein erfindungsgemäßes System zur ergänzenden Energieversorgung zu verwenden. An einer mit elektri scher Energie zu versorgenden Einrichtung kann dann eine Umwandlungsstation vorgesehen werden, um insbesondere Bedarfsspitzen zu decken. In solchen An wendungssituationen kann ergänzend auf eine bestehende Versorgung durch ein Stromnetz zurückgegriffen werden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn eine Anbindung der zu versorgenden Einrichtung an ein elektrisches Energieversor gungsnetz zwar vorhanden ist, die Leistungsfähigkeit dieser Anbindung jedoch nicht ausreicht.
Alternativ ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren und/oder ein erfin dungsgemäßes System zur Bereitstellung einer netzunabhängigen Energieversor gung zu nutzen. Dies ist insbesondere in Fällen sinnvoll, in denen noch keine An bindung an ein bestehendes Energieversorgungsnetz vorhanden ist. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die zu versorgende Einrichtung neu, insbe sondere in einem abgelegenen Gebiet, errichtet wird.
In diesem Zusammenhang ist das erfindungsgemäße Verfahren und/oder ein er findungsgemäßes System insbesondere da sinnvoll, wo eine Einrichtung nur tem porär, beispielsweise für die Durchführung einer einzelnen Veranstaltung, errichtet wird. In derartigen Fällen kommen häufig mobile Stromgeneratoren zum Einsatz, die elektrische Energie durch die Verbrennung fossiler Kraftstoffe erzeugen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann unter Verwendung einer mobilen und/oder transportierbaren Umwandlungsstation derartige konventionelle mobile und/oder transportierbare Generatoren ersetzen. Hierbei zeichnet sich die vorliegende Erfin dung insbesondere auch dadurch aus, dass die durch die konventionellen Genera toren unvermeidbar auftretende Belästigung durch Abgase und/oder Motorenge räusche vermieden wird.
Die Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie kann beispielsweise mit einer Dampfturbine und/oder in einem Dampfmotor erfolgen. Die Verwendung ei ner Dampfturbine und/oder eines Dampfmotors ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Wärmeenergie auf einem vergleichsweise hohen Temperaturniveau in dem Wärmespeicher gespeichert wird. Alternativ und/oder ergänzend kann auch ein Stirlingmotor zur Umwandlung elektrische Energie in Wärmeenergie verwendet werden.
Die in vorteilhafter Weise zur Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Ener gie im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens anwendbaren Prozesse kön nen beispielsweise auf einem Clausius-Rankine-Prozess oder einem Carnot- Prozess beruhen. Hierzu zählt beispielsweise der Betrieb einer Dampfturbine und/oder eines Dampfmotors im Rahmen eines Steam-Rankine-Cycle (SRC).
Alternativ und/oder ergänzend ist es möglich, dass die Umwandlung der Wärme energie in elektrische Energie durch einen sogenannten Organic-Rankine-Cycle (ORC) erfolgt. Hierbei handelt es sich um einen Prozess, der zum Betrieb einer Dampfturbine und/oder eines Dampfmotors statt des Wasserdampfs ein organi sches Medium nutzt. Dessen Siedetemperatur bei Normaldruck liegt bevorzugt unterhalb der von Wasser. Dies ist insbesondere in Verbindung mit der Nutzung von Wärmespeichern, die auf einem niedrigen und/oder mittleren Temperaturni veau arbeiten, von Vorteil.
Eine weitere vorteilhafte Verfahrensvariante für die Umwandlung der Wärmeener gie in elektrische Energie im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt die Nutzung eines Kalina-Prozesses in der Umwandlungsstation dar. Bei diesen Pro- zessen wird ein Gemisch aus Ammoniak und Wasser zur Dampferzeugung ge nutzt, wobei zusätzlich thermodynamische Effekte aufgrund der Konzentrationsän derungen des Ammoniaks bzw. des Wassers in den einzelnen Phasen genutzt werden. Unter geeigneten Randbedingungen können mit einem derartigen Prozess höhere Wirkungsgrade erzielt werden.
Alternativ und/oder ergänzend besteht die Möglichkeit, die Wärmeenergie in ein konventionelles Kraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie einzuspeisen. Hier bei kann es sich beispielsweise um ein Gas- und Dampfturbinenkraftwerk handeln. Dieses Kraftwerk stellt dann die Umwandlungsstation im Sinne der vorliegenden Erfindung dar. Der Mehrwert der vorliegenden Erfindung liegt in diesem Fall insbe sondere in der Nutzbarmachung eingesetzter Abwärme.
Alternativ und/oder ergänzend kann die Umwandlungsstation einen thermoelektri schen Generator aufweisen. Unter einem thermoelektrischen Generator oder auch Thermogenerator versteht man eine auf Halbleitern basierende Einrichtung, die Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt. Der hierbei ausgenutzte thermo elektrische Effekt wird auch als Seebeck-Effekt bezeichnet. Alternativ und/oder als Bestandteil eines thermoelektrischen Generators kann ein thermoelektrisches Ma terial zur Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie verwendet wer den.
Ebenfalls ist es möglich, dass zumindest ein Teil der in dem Wärmespeicher ge speicherten Wärmeenergie direkt, beispielsweise zu Heizzwecken und/oder zur Warmwasseraufbereitung, verwendet wird. Auf diese Weise kann die Umwand lungsstation nach Art eines Heizkraftwerks betrieben werden. Bei der Energiever sorgung abgelegener Einrichtungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich auf diese Weise ggf. ein höherer Gesamtwirkungsgrad erzielen, als es bei rein elektrischer Nutzung der Fall ist. Dies liegt daran, dass bei der direkten Wärmenut zung üblicherweise niedrigere Temperaturniveaus sinnvoller genutzt werden kön nen als bei der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie.
In vorteilhafter Weise kann es sich bei der Wärmeenergie, mit der der Wärmespei cher geladen wird, um Abwärme handeln. Unter Abwärme ist hierbei insbesondere eine Wärme zu verstehen, die nach dem Stand der Technik für gewöhnlich keiner wertschöpfenden Verwendung zugeführt wird. Derartige Abwärme fällt insbesonde re in Industrieeinrichtungen jeglicher Form an. Dies gilt insbesondere für solche Industrieeinrichtungen, in denen Materialien und/oder Werkstücke zeitweise auf hohe Temperaturen gebracht werden, beispielsweise um Ur- und/oder Umformpro zesse und/oder chemische Umwandlungen zu ermöglichen. Beispielhaft zu nennen sind Einrichtungen der Schwerindustrie, der Keramikindustrie, der Glasindustrie, der chemischen Industrie und/oder der pharmazeutischen Industrie.
Alternativ und/oder ergänzend kann es sich bei der Wärmeenergie um Wärme energie handeln, die aus Abgasen, insbesondere aus Rauchgasen, stammt. Die aus Rauchgasen gewonnene Wärmeenergie kann dabei insbesondere, zumindest zum Teil, bereits aus den Rauchgasen gewonnen werden, bevor die Rauchgase einer Rauchgasreinigung zugeführt werden.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein wärmeenergiespeichern des Medium beim Laden des Wärmespeichers mit Wärmeenergie bevorzugt auf eine mittlere Temperatur von wenigstens 200 °C, besonders bevorzugt wenigstens 300 °C, und/oder höchstens 1.300 °C, vorzugsweise höchstens 650 °C, erwärmt.
Es hat sich gezeigt, dass diese Temperaturbereiche in der Praxis besonders sinn voll eingesetzt werden können. Zum einen stellen Wärmespeicher, deren Wärme speichermedien eine entsprechende Temperatur aufweisen, eine ausreichend hei ße Energiequelle dar, um einen wirtschaftlichen Umwandlungsprozess der Wär meenergie in elektrische Energie zu ermöglichen. Zum anderen fallen Abwär meströme auf den vorstehend genannten Temperaturniveaus in ausreichendem Maße an, um den Betrieb entsprechender Wärmeladestationen und Wärmespei cher zu ermöglichen.
Als Wärmespeicher können insbesondere sogenannte Latentwärmespeicher zum Einsatz kommen. In derartigen Wärmespeichern werden Phasenwechselmateria lien als wärmespeichernde Medien eingesetzt. Die latente Schmelzwärme, Lö sungswärme und/oder Absorptionswärme solcher Medien ist wesentlich größer als die Wärme, die ohne Nutzung derartiger Phasenumwandlungseffekte gespeichert werden könnte. Alternativ und/oder ergänzend können sogenannte sensible Wärmespeicher zum Einsatz kommen. Derartige Wärmespeicher verändern beim Laden und/oder Ent laden ihre fühlbare Temperatur. Insbesondere kommt es bei derartigen Wärme speichern nicht zu Phasenübergängen. Sensible Wärmespeicher eignen sich ins besondere gut, um breite und/oder hohe Temperaturbereiche zu ermöglichen. Derartige Wärmespeicher sind beispielsweise in der EP 3 187 563 A1 beschrieben.
Das wärmespeichernde Medium kann feste Kernpartikel und wenigstens eine Phosphorverbindung umfassen. Dabei ist wenigstens ein Teil der Phosphorverbin dung ein Oligomer. Dabei umfassen die Kernpartikel eine Schale, die Schalen- Phosphorverbindungen umfasst, welche durch Chemisorption oder Physisorption an den Kernpartikeln gebunden sind. Weiter umfasst ein solches wärmespeichern de Medium dabei Matrix-Phosphorverbindungen. Dabei ist wenigstens ein Teil der Schalen-Phosphorverbindungen und/oder der Matrix-Phosphorverbindungen Oli gomere sind. Der Feststoffgehalt eines solchen wärmespeichernden Mediums kann in einem Bereich von 30 bis 60 Gew.-% liegen. Der mittlere Durchmesser der Kernpartikel eines solchen wärmespeichernden Mediums kann in einem Bereich von 1 bis 10 pm liegen. Die Oberfläche der Kernpartikel eines solchen wärmespei chernden Mediums kann mit einer reaktiven Spezies vorbehandelt sein. Das we nigstens eine Oligomer eines solchen wärmespeichernde Mediums kann 3 bis 50 Repetiereinheiten enthalten. Der Kristallwassergehalt in der wenigstens einen Phosphorverbindung eines solchen wärmespeichernden Mediums kann in einem Bereich von 0 bis 20 Gew.-% liegen. Das wenigstens eine Oligomer der Schalen- Phosphorverbindung eines solchen wärmespeichernden Mediums kann weniger Repetiereinheiten als das Oligomer der Matrix-Phosphorverbindung aufweisen. Die Zusammensetzung eines solchen wärmespeichernden Mediums kann auch Füll mittel umfasst. Der mittlere Durchmesser der Füllmittelpartikel eines solchen wär mespeichernden Mediums kann im Bereich von 1 bis 50 mm liegen. Ein solches wärmespeicherndes Medium kann fließfähig und am meisten bevorzugt flüssig sein. Ein solches wärmespeicherndes Medium kann gehärtet sein. Bei einem sol chen gehärteten wärmespeichernden Medium kann wenigstens 90 Gew.-% des Wassers entfernt worden sein. Ein solches wärmespeicherndes Medium kann dadurch hergestellt sein, dass die wenigstens eine wenigstens ein Oligomer ent- haltende Phosphorverbindung mit den festen Kernpartikeln vermischt worden ist.
Alternativ und/oder ergänzend kann es sich bei dem Wärmespeicher um einen zu einem Wärmespeicher umgebauten Teil eines Kraftwerkes handeln. Insbesondere die Brennräume von Kraftwerken können mit Wärmespeichermaterialien befüllt und/oder durch thermische Speicher ersetzt werden, um in kostengünstiger Weise Wärmespeicher mit hoher Kapazität bereitzustellen.
Alternativ und/oder ergänzend kann es sich um sogenannten thermochemischen Wärmespeicher handeln. Diese nutzen beispielsweise Silikagele, die Wasserdampf absorbieren, als wärmeenergiespeicherndes Medium. Alternativ und/oder ergän zend können auch beispielsweise Metallhydride und/oder Zeolithe als wärmeener giespeichernde Medien in derartigen Wärmespeichern verwendet werden. Es kommen aber auch andere reversible chemische Prozesse bzw. Reaktionen in Be tracht.
Es ist von Vorteil, wenn der Wärmespeicher kompatibel zu einem Transportsystem für Frachtbehälter ist. Auf diese Weise können bestehende logistische Systeme zum Transport der Wärmespeicher genutzt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wärmespeicher kompatibel zu TEU-ISO-Containern und/oder FEO-ISO- Containern gestaltet sind. Dies betrifft insbesondere die Ausmaße der Wärmespei cher, deren Form sowie für Containerlogistiksystemen nutzbare Befestigungspunk te, insbesondere an den Ecken der containerförmigen Wärmespeicher. Derartige Wärmespeicher können dann logistisch wie Container behandelt und/oder ge- handhabt werden. Es ist vorteilhaft, wenn derartige Wärmespeicher eine Stütz struktur aufweisen. Die Stützstruktur kann insbesondere im Inneren des Wärme speicher angeordnet sein. Eine derartige Stützstruktur dient insbesondere dazu, die durch das Gewicht des wärmeenergiespeichernden Mediums erzeugten stati schen Kräfte aufzunehmen. Durch die wechselnden Temperaturen im Wärmespei cher werden die Werkstoffe des Wärmespeicher zusätzlich belastet. Die thermi schen und mechanischen Belastungen können zu Wechselwirkungen in den Werk stoffen führen, bei denen sich die einzelnen Effekte, die die Werkstoffe belasten, gegenseitig verstärken. Man spricht in diesem Zusammenhang vom Thermal Ratcheting. Die Stützstruktur kann insbesondere derart gestaltet sein, dass die Bereiche der Ecken und/oder Befestigungspunkte des Containers verstärkt sind. Ohne eine der artige Stützstruktur besteht bei der Verwendung eines Standardcontainers das Ri siko, dass aufgrund der maximalen Tragfähigkeit des Containers das Volumen des Containers für die Befüllung mit Wärmespeicher Medium nicht ausgenutzt werden kann, dabei einer vollständigen Befüllung die maximale Tragfähigkeit des Contai ners überschritten würde.
Es ist vorteilhaft, wenn eine thermische Isolierung zwischen dem wärmeenergie speichernden Medium und der Stützstruktur vorgesehen ist.
Besonders bevorzugt weist das erfindungsgemäße System eine Mehrzahl Wärme speicher auf bzw. wird das Verfahren unter Verwendung einer Mehrzahl Wärme speicher durchgeführt. Die Anzahl der Wärmespeicher ist dabei bevorzugt so hoch, dass ein kontinuierlicher Betrieb der Wärmeladestation und/oder der Umwand lungsstation ermöglicht ist. Ein kontinuierlicher Betrieb der Wärmeladestation hat den Vorteil, dass ein gegebenenfalls ebenfalls kontinuierlich anfallender Wär mestrom permanent zum Laden von Wärmespeichern genutzt werden kann. Damit kann beispielsweise ein Abwärmestrom kontinuierlich genutzt werden. Eine konti nuierliche Nutzung der Umwandlungsstation ist beispielsweise dann notwendig, wenn im Rahmen der Versorgung von Fahrzeugen mit elektrischer Energie eine Bereitschaft zur Versorgung„rund um die Uhr“ aufrechterhalten werden soll. In die sem Fall ist es von Vorteil, dass sich immer wenigstens einer der Wärmespeicher, der zumindest noch eine hinreichende Menge an Restwärmeenergie enthält, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten, in der Umwandlungsstation befindet. Weitere Wärmespeicher können sich gleichzeitig auf dem Transportweg und/oder in der Wärmeladestation befinden um, insbesondere durch einen rechtzeitigen Austausch eines Wärmespeichers, einen kontinuierlichen Betrieb der Umwand lungsstation zu ermöglichen.
Darüber hinaus ist, wenn das System eine Mehrzahl Wärmespeicher aufweist bzw. das Verfahren unter Verwendung einer Mehrzahl Wärmespeicher durchgeführt wird, eine selektive Verwendung der Wärmespeicher für die Bereitstellung elektri- scher Energie und/oder der für die Bereitstellung von Wärmeenergie in Abhängig keit von der Temperatur des jeweiligen Wärmespeichers möglich. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass beispielsweise die Wärmeenergie in einem ersten Wärmespeicher, der insbesondere ein vergleichsweise hohes Temperaturniveau aufweist, zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird, die beispielsweise in ein elektrisches Versorgungsnetz eingespeist wird, während die Wärmeenergie in ei nem zweiten Wärmespeicher, der ein niedrigeres Temperaturniveau aufweist als der erste Wärmespeicher, zur Bereitstellung von Wärmeenergie, beispielsweise über eine Wärmeverteilernetz, genutzt wird.
Es ist darüber hinaus auch möglich, dass das erfindungsgemäße System eine Mehrzahl, insbesondere eine Vielzahl, Wärmespeicher, eine Mehrzahl, insbeson dere eine Vielzahl, Wärmeladestationen und/oder eine Mehrzahl, insbesondere eine Vielzahl, Umwandlungsstationen aufweist bzw. dass nach dem erfindungsge mäßen Verfahren eine Mehrzahl, insbesondere eine Vielzahl, Wärmespeicher, eine Mehrzahl, insbesondere eine Vielzahl, Wärmeladestationen und/oder eine Mehr zahl, insbesondere eine Vielzahl, Umwandlungsstationen genutzt werden. Auf die se Weise kann ein Versorgungsnetzwerk gebildet werden, bei dem insbesondere abhängig von dem jeweiligen Bedarf nach elektrischer Energie an den Umwand lungsstationen und/oder dem Anfallen von Wärmeenergie an den Wärmeladestati onen die Transfers von elektrischer Energie und/oder Wärmeenergie über entspre chende Netze und/oder die Transportzeiten und/oder Transportwege zwischen einzelnen Wärmeladestationen und Umwandlungsstationen festgelegt werden. Ein derartiges Versorgungsnetzwerk kann die Funktion eines Fernwärmenetzes erfül len oder bildet mit anderen Worten eine Art virtuelles Fernwärmenetz. Sinnvoller weise können hierbei die zurückzulegenden Transportwege im Hinblick auf mög lichst kurze Strecken und damit einen möglichst energiesparenden Transport der Wärmespeicher optimiert werden. Dies kann beispielsweise durch eine übergeord nete Steuerung geschehen. Durch die übergeordnete Steuerung können insbe sondere Betriebsdaten der Wärmeladestation, der Umwandlungsstation und/oder des Wärmespeichers erfasst und/oder ausgewertet werden. Durch die Steuerung können insbesondere auch logistische Maßnahmen, die unabhängig von dem di rekten Einfluss der Steuerung durchgeführt werden, wie der Transport von Wärme speichern, z.B. per LKW, geplant und/oder koordiniert werden. Bei den Betriebsdaten kann es sich um die an den Wärmeladestationen anfallen den Wärmeströme und/oder Mengen, den elektrische Energiebedarf und/oder Leis tungsbedarf an den Umwandlungsstationen und/oder die jeweilige Position und/oder den Ladezustand der einzelnen Wärmespeicher handeln. Diese Be triebsdaten können dann bevorzugt als Grundlage für die Ermittlung und/oder Be rechnung optimierter Transfers von elektrischer Energie und/oder Wärmeenergie in und/oder über entsprechende Netze und/oder Transportwege und/oder Transport zeiten für die einzelnen Speicher genutzt werden.
Die übergeordnete Steuerung kann beispielsweise unter Verwendung eines Com puters realisiert werden. Dieser kann beispielsweise mittels einer Datenverbindung über das Internet und/oder ein Mobilfunknetz mit der Wärmeladestation, der Um wandlungsstation und/oder dem Wärmespeicher verbunden sein. Zur Ermittlung seines aktuellen Standorts kann der Wärmespeicher in vorteilhafter weise mit ei nem GPS-Empfänger ausgestattet sein. Bevorzugt weist die Wärmeladestation, die Umwandlungsstation und/oder der Wärmespeicher eine geeignete Messeinrich tung und/oder einen Sensor auf, um die jeweiligen Betriebsdaten zu erfassen.
In diesem Zusammenhang kann durch die übergeordnete Steuerung auch eine Extrapolation auf zukünftig zu erwartende Bedarfsdaten aufgrund von in der Ver gangenheit gesammelten Betriebsdaten vorgenommen werden. Dies ist insbeson dere dann sinnvoll, wenn der Anfall von Wärmeenergie an einer Wärmeladestation und/oder der Bedarf nach elektrischer Energie an einer Umwandlungsstation fes ten zeitlichen Zyklen unterworfen ist. Die übergeordnete logistische Steuerung kann derartige Zyklen bevorzugt anhand gesammelter Betriebsdaten erkennen.
Die Zyklen können sich beispielsweise aufgrund von wöchentlichen, täglichen und/oder saisonalen Schwankungen des Bedarfs an elektrischer Energie und/oder des Anfallens von Wärmeenergie ergeben. Die übergeordnete logistische Steue rung kann dann derartige Zyklen bei der Auswertung der Betriebsdaten und der darauf basierenden Berechnung bzw. Ermittlung der Transportzeiten und/oder der Transportwege berücksichtigen. Hierdurch wird eine„vorausschauende“ Steuerung des erfindungsgemäßen Systems möglich. Es ist möglich, dass das System und/oder die das Verfahren steuernde Steuerung dazu ausgebildet ist, abhängig von der von der Energieversorgungseinrichtung erzeugten Leistung und/oder dem Bedarf an elektrischer Energie eines von der Energieerzeugungseinrichtung mit elektrischer Energie versorgten Netzes elektri sche Energie in Wärmeenergie umzuwandeln und zu speichern und/oder gespei cherte Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln und an das Energiever sorgungsnetz abzugeben. Hierdurch kann insbesondere die Nutzung der Erfindung für das Bereitstellen von Regelleistung begünstigt werden. In diesem Zusammen hang kann insbesondere eine Vernetzung zur Übertragung von Daten des Systems mit anderen Einrichtungen eines elektrischen Energieversorgungsnetzes erfolgen. Dies kann es insbesondere ermöglichen, Daten betreffend die momentane Nach frage und/oder den momentanen Preis elektrischer Energie zu beziehen und der Steuerung des Systems und/oder des Verfahrens zugrunde zu legen.
Nach einem praktischen Ausführungsbeispiel wird die Erfindung zur Versorgung von elektrisch betriebenen Fahrzeugen mit elektrischer Energie genutzt. Die bei spielhafte Umwandlungsstation soll zum Laden von 80 Fahrzeugen mit jeweils 100 kWh elektrischer Energie genutzt werden können. Hierbei werden 250 Betriebsta ge im Jahr zugrunde gelegt, was einer Gesamtmenge von 2 GWh elektrische Energie im Jahr entspricht.
Bei einem zugrunde gelegten Wirkungsgrad von 15 % bei der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie bedeutet dies, dass pro Tag 56 MWh thermi scher Energie von einer Wärmeladestation zur Umwandlungsstation befördert bzw. an dieser bereitgestellt werden müssen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann diese Wärmeenergie beispielsweise durch die tägliche Belieferung der Um wandlungsstation mit 3 Wärmespeichern, die hinsichtlich ihrer Abmessungen 20- Fuß-Containern (TEU-ISO Container) entsprechen, erfolgen. Um eine kontinuierli che Betriebsbereitschaft der Umwandlungsstation zu gewährleisten, reichen in ei nem solchen Fall 6 entsprechende Wärmespeicher, die sich gleichzeitig im Betrieb befinden, aus. Die Investitionen für ein derartiges erfindungsgemäßes System lie gen bei ca. 30 % der Kosten, die für eine ähnlich leistungsfähige Solaranlage als Alternative zur vorliegenden Erfindung am Ort der Umwandlungsstation aufzubrin gen wären. Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Verfahrensschema eines beispielhaften Verfahrens zur Versorgung mit elektrischer Energie.
Das beispielhafte Verfahren zur Versorgung mit elektrischer Energie beruht auf einer Ladestation 1 , die sich an einem ersten Ort befindet. In der Wärmeladestation 1 können Wärmespeicher 2 mit Wärmeenergie geladen werden.
Bei den Wärmespeichern 2 kann es sich beispielsweise um Gebilde handeln, die im Hinblick auf ihre Abmessungen TEU-ISO Containern entsprechen. Auf diese Weise können die Wärmespeicher 2 in unkomplizierter Weise mit einem Trans portsystem für derartige Container transportiert werden.
Bei den Wärmespeichern 2 kann es sich um Latentwärmespeicher handeln. Diese können ein wärmespeicherndes Medium aufweisen, welches beim Laden des Wärmespeichers 2 in der Ladestation 1 eine mittlere Temperatur von 650 °C er reicht. Bei der Wärmeenergie 7, mit der der Wärmespeicher 2 geladen wird, kann es sich um Abwärme 3 aus einer Industrieeinrichtung 4 handeln.
Die so geladenen Wärmespeicher 2 können dann, wie in Fig. 1 schematisch dar gestellt, zu einer Umwandlungsstation 5 transportiert werden. Dort können die Wärmespeicher 2 mit einer Entladeeinrichtung 6 entladen werden. Die Wärme energie 7 aus den Energiespeichern 2 wird in der Umwandlungsstation 5 zunächst einer Wärmekraftmaschine 8, beispielsweise einem Dampfmotor oder einem Stir- lingmotor, zugeführt. Dieser ist mit einem Generator 9 gekoppelt.
Die so durch den Generator 9 erzeugte elektrische Energie 10 kann beispielsweise zum Aufladen elektrisch betriebener Fahrzeuge 11 genutzt werden.
Die entladenen Wärmespeicher 2 können nach ihrer Entladung von der Umwand lungsstation 5 zurück zur Wärmeladestation 1 transportiert und erneut geladen werden.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprü chen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in belie- bigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
Bezugszeichenliste
1 Wärmeladestation
2 Wärmespeicher
3 Wärme/Wärmeenergie
4 Industrieeinrichtung
5 Umwandlungsstation
6 Entladeeinrichtung
7 Wärmeenergie
8 Wärmekraftmaschine
9 Generator
10 elektrische Energie
1 1 elektrisch betriebenes Fahrzeug

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Versorgung mit elektrischer Energie (10), wobei ein Wärme speicher (2) in einer Wärmeladestation (1 ) mit Wärmeenergie (3) geladen wird, wobei die Wärmeenergie (3) in einer Umwandlungsstation (5) in elektri sche Energie (10) umgewandelt wird, wobei der Wärmespeicher (2) in der Wärmeladestation (1 ) an einem ersten Ort mit Wärmeenergie (3) geladen wird, an einen vom ersten Ort verschiedenen zweiten Ort transportiert wird, wobei die Wärmeenergie (3) in der Umwandlungsstation (5) an dem zweiten Ort in elektrische Energie (10) umgewandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie (10), vorzugsweise im Bereich der Umwandlungsstation (5), zur Ver sorgung elektrisch angetriebener Fahrzeuge (11 ) mit elektrischer Energie (10), insbesondere zur Ladung von Akkumulatoren elektrisch angetriebener Fahrzeuge (11 ), verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung der Wärmeenergie (3) in elektrische Energie (10) mittels ei ner Dampfturbine, eines Stirlingmotors (8), eines thermoelektrischen Materi als, eines thermoelektrischen Generators, eines Kalina-Prozesses und/oder eines Organic-Rankine-Cycle-Prozesses und/oder Steam-Rankine-Cycle- Prozesses erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Wärmeenergie (3), mit der der Wärmespeicher (2) geladen wird, um Abwärme (3), insbesondere aus einer Industrieeinrichtung (4), han delt.
5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein wärmeenergiespeicherndes Medium des Wärmespeichers (2) beim Laden des Wärmespeichers (2) mit Wärmeenergie (3) eine mittlere Temperatur von wenigstens 200 °C, vorzugsweise wenigstens 300 °C, und/oder höchstens
1.300 °C, vorzugsweise höchstens 650 °C, erreicht.
6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmespeichernde Medium feste Kernpartikel und wenigstens eine Phosphorverbindung umfasst, wobei wenigstens ein Teil der Phosphorver bindung ein Oligomer ist, wobei das wärmespeichernde Medium Kernpartikel mit einer Schale umfasst, wobei die Schale Schalen-Phosphorverbindungen umfasst, welche durch Chemisorption oder Physisorption an den Kernparti keln gebunden sind, wobei das wärmespeichernde Medium Matrix- Phosphorverbindungen umfasst, wobei wenigstens ein Teil der Schalen- Phosphorverbindungen und/oder der Matrix-Phosphorverbindungen Oligome re sind.
7. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Betriebsdaten der Wärmeladestation (1 ), der Umwandlungsstation (5) und/oder des Wärmespeichers (2) erfasst und durch eine übergeordnete lo gistische Steuerung ausgewertet werden, wobei insbesondere durch die übergeordnete logistische Steuerung Transportwege und/oder Transportzei ten des Wärmespeichers (2) auf Grundlage der erfassten Betriebsdaten be rechnet und/oder festgelegt werden.
8. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (2) kompatibel zu einem, vorzugsweise standardisierten, Transportsystem für Frachtbehälter, insbesondere TEU-ISO Container und/oder FEU-ISO Container gestaltet ist, insbesondere wobei der Wärme speicher eine innere Stützstruktur aufweist.
9. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Wärmespeicher (2) um einen Latentwärmespeicher, insbe sondere einen thermochemischen Wärmespeicher, handelt.
10. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Wärmespeicher (2) um einen sensiblen Wärmespeicher han delt.
11. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Verwendung einer Mehrzahl, insbesondere einer Viel zahl, Wärmespeicher (2) durchgeführt wird, wobei vorzugsweise die Anzahl der Wärmespeicher (2) wenigstens so gewählt ist, dass ein kontinuierlicher Betrieb der Wärmeladestation (1 ), insbesondere einer Mehrzahl oder einer Vielzahl Wärmeladestationen (1 ), und/oder der Umwandlungsstation (5), ins besondere einer Mehrzahl oder einer Vielzahl Umwandlungsstationen (5) ermöglicht ist, insbesondere wobei Versorgungsnetzwerk gebildet wird, dass die Funktion eines Fernwärmenetzes erfüllt.
12. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der im Wärmespeicher gespeicherten Wärmeenergie (3) an ein Wär meversorgungsnetz abgegeben wird.
13. Energieversorgungssystem zur Versorgung mit elektrischer Energie (10) nach einem Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Energiever sorgungssystem mindestens einen Wärmespeicher (2) aufweist, wobei das Energieversorgungssystem eine Wärmeladestation (1 ) zur Ladung des Wär mespeichers (2) mit Wärmeenergie (3) aufweist, wobei das Energieversor gungssystem eine Umwandlungsstation (5) zur Umwandlung im Wärmespei cher (2) gespeicherter Wärmeenergie (3) in elektrische Energie (10) aufweist wobei das System eine Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektri scher Energie (10) aufweist und wobei das System dazu ausgebildet ist, von der Energieerzeugungseinrichtung erzeugte elektrische Energie (10) in Wär meenergie (3) umzuwandeln und in dem Wärmespeicher (2) zu speichern.
14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie (10) auf weist und wobei das System dazu ausgebildet ist, von der Energieerzeu gungseinrichtung erzeugte elektrische Energie (10) in Wärmeenergie (3) um zuwandeln und in dem Wärmespeicher (2) zu speichern, wobei es sich bei der Energieerzeugungseinrichtung um eine Energieerzeugungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie (10) aus erneuerbaren Energien, insbe- sondere um eine Windkraftanlage handelt.
15. System nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu ausgebildet ist, abhängig von der von der Energiever- sorgungseinrichtung erzeugten Leistung und/oder dem Bedarf an elektrischer
Energie (10) eines von der Energieerzeugungseinrichtung mit elektrischer Energie (10) versorgten Netzes elektrische Energie (10) in Wärmeenergie (3) umzuwandeln und zu speichern und/oder gespeicherte Wärmeenergie (3) in elektrische Energie (10) umzuwandeln und an das Energieversorgungsnetz abzugeben.
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