WO2026017331A1 - Verfahren zur thermischen energiespeicherung und thermischer energiespeicher - Google Patents

Verfahren zur thermischen energiespeicherung und thermischer energiespeicher

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WO2026017331A1
WO2026017331A1 PCT/EP2025/066478 EP2025066478W WO2026017331A1 WO 2026017331 A1 WO2026017331 A1 WO 2026017331A1 EP 2025066478 W EP2025066478 W EP 2025066478W WO 2026017331 A1 WO2026017331 A1 WO 2026017331A1
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WO
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container
heat transfer
transfer medium
containers
filled
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PCT/EP2025/066478
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Stefan Huber
Robert Budi
Frank NICKE
Jörg Döhring
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/0056—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using solid heat storage material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D2020/0065—Details, e.g. particular heat storage tanks, auxiliary members within tanks
    • F28D2020/0082—Multiple tanks arrangements, e.g. adjacent tanks, tank in tank
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention relates to a method for thermal energy storage with at least three containers, each filled with a solid. Furthermore, the invention relates to a thermal energy storage device, in particular for carrying out a method according to the invention.
  • Energy storage is advantageous for compensating for fluctuating electricity generation and consumption. Especially when using different renewable energy sources, energy storage and reserve capacity represent a crucial component of the energy transition in the context of climate change.
  • Energy can be stored in energy storage devices, such as mechanical, chemical, or electrical storage systems.
  • Thermal energy storage devices are also known, which offer advantages over chemical or electrical storage devices, particularly with regard to the cost per unit of energy and the amount of energy stored.
  • thermal energy storage solid-state and liquid storage systems are known from the prior art.
  • temperature-stratified energy storage systems with a thermal oil-based heat transfer medium are also advantageous.
  • the internal pressure caused by saturated steam does not need to be taken into account.
  • Temperature stratification in particular, prevents mixing losses or "exergy losses.”
  • a comparatively long extraction period at a high temperature level can be ensured. that occurs when a corresponding charging or discharging of the energy storage device is implemented.
  • thermal oil can be introduced into the container from bottom to top.
  • a disadvantage is that the cost of thermal oil is many times higher than the cost of solid fill, for example, 10 to 20 times higher, especially when considering the same heat capacity. Therefore, it is desirable to further reduce the thermal energy requirement. In particular, temperature stratification within the energy storage system should still be possible.
  • the present invention aims to provide a method for thermal energy storage and a thermal energy storage device, wherein the amount of heat transfer medium can be further reduced.
  • this problem is solved by a method having the features of claim 1 and/or by a thermal energy storage with the features of claim 13 solved.
  • a thermal energy storage device in particular for carrying out a method according to the invention, comprising at least three containers, each of which is filled with a solid bulk, wherein the containers are connected to each other in such a way that a heat transfer medium for storing and/or releasing thermal energy can be successively introduced or released into the containers in such a way that a heat transfer zone can be sequentially passed through the containers and a continuous charging mass flow or discharging mass flow can be formed.
  • the underlying principle of the present invention is to divide thermal energy storage into several containers, wherein a heat transfer zone can be routed through the containers, particularly sequentially. This allows for a large storage volume compared to a single container, while simultaneously reducing the amount of heat transfer medium required by the individual container volumes.
  • the underlying idea of the present invention is to use a heat transfer medium primarily for heat transport during storage and discharge, wherein three containers are connected in a functional relationship.
  • a heat transfer medium primarily for heat transport during storage and discharge, wherein three containers are connected in a functional relationship.
  • at least three, in particular relatively small, containers are used, which can be charged and discharged sequentially.
  • a small quantity of heat transfer medium is sufficient for energy storage, in particular sufficient to fill only a subset of the containers, for example, one or two containers. This allows the storage volume for the charging and discharging process of a container to be kept small, thereby reducing the volume fraction of the required heat transfer medium, such as, in particular, thermal oil or a salt.
  • the entire thermal energy storage system is divided into at least three containers, which can be filled sequentially with the heat transfer medium. This results in a small volume for each container compared to the total energy storage capacity. Consequently, less heat transfer medium is required to charge or discharge a smaller container, a so-called sub-container, within the overall thermal energy storage system. According to the invention, this significantly reduces costs, particularly because the small volume of the sub-containers results in lower costs for the heat transfer medium.
  • a container can be understood as a separated volume in which a bulk solid is arranged.
  • the at least three containers can be provided within a larger container, whereby the containers may share common partitions, allowing for the separation of different volumes within a larger container into sub-containers. Furthermore, the containers can be arranged side by side, particularly separately from one another, to form an energy storage system.
  • a solid fill can fill a large portion of the volume of any container.
  • the respective container is completely filled with the solid fill.
  • Gravel for example, can be used as the solid fill.
  • the solid packing is formed from bodies arranged at intervals, so that the heat transfer medium can reach the surface of the individual elements of the solid packing.
  • Suitable heat transfer media include thermal oil or a thermal oil-based heat transfer medium.
  • Other fluid media capable of storing energy are also conceivable.
  • all liquid heat transfer media, such as salts, can be used.
  • a continuous loading or unloading mass flow means, in particular, that a heat transfer zone can be passed through the containers sequentially.
  • the heat transfer zone can, for example, be guided through the container from bottom to top or from top to bottom. Once the heat transfer zone has passed through the container, it can be transferred to the next container by initiating a loading or unloading process there.
  • a continuous operation through multiple containers is advantageous in this regard. "Through" is possible, whereby in particular an expansion tank can be dispensed with.
  • the flow direction of the heat transfer medium is, in particular, opposite to the flow direction during loading during unloading.
  • both processes can be carried out in the same system with the same components.
  • the second container is at least partially pre-filled with medium, whereby in one possible embodiment the second container can also be completely or almost completely filled when it is pre-filled with medium.
  • only the container in which the heat transfer zone is located can be completely filled with heat transfer medium. This can be achieved, for example, by allowing each container to be controlled separately and therefore filled independently from another container. Once one container is filled, the next container to be loaded or unloaded can then be filled with the medium. For continuous operation, at least three containers are necessary.
  • the hot heat transfer medium can be supplied uniformly and with minimal turbulence during storage.
  • the supply is particularly effective from the top of the container.
  • pre-filling with cold heat transfer medium from below can be continued, in particular until a suitable and turbulence-free inflow of hot heat transfer medium from above is possible.
  • the container can initially be completely pre-filled with cold heat transfer medium.
  • the interior of the container exhibits the following characteristics during storage, when...
  • hot medium is poured in from the top, initially reaching a higher temperature in the upper area than in the lower area, whereby the heat transfer zone can be guided downwards through the container and subsequently into the next container.
  • the heat transfer zone migrates from bottom to top through the container, with pre-filling with hot medium followed by cold medium being poured in, particularly from the bottom.
  • cold heat transfer medium can be fed from the first container to a heat exchanger, and hot heat transfer medium can be fed from the heat exchanger to the first container, while the heat transfer zone moves through the first container.
  • the heat transfer medium can be fed from a cold side of the container, particularly via at least one line, especially to a pump, and to the heat exchanger.
  • the heat exchanger can, in this case, be called a charging heat exchanger, wherein hot heat transfer medium can be fed from the heat exchanger to a hot side of the container, particularly via at least one line.
  • the heat transfer zone can move within the container from the hot side towards the cold side, particularly until the entire container is charged.
  • hot heat transfer medium can be fed from the first vessel to a heat exchanger, and cold heat transfer medium can be fed from the heat exchanger to the first vessel, while the heat transfer zone moves through the first vessel.
  • the heat transfer medium can be fed from a hot side of the vessel, particularly via at least one line, to the heat exchanger, and especially to a pump.
  • This can be referred to as a heat transfer circuit.
  • the heat exchanger can be described as a discharge heat exchanger, whereby cold heat transfer medium can be supplied from the heat exchanger to a cold side of the container, in particular via at least one line.
  • the heat transfer zone can move within the container from the cold side towards the hot side, in particular until the entire container is discharged.
  • the at least three containers can be connected to the heat exchanger sequentially during storage or discharge.
  • each container can be controlled via lines that have at least one valve.
  • each container is connected at its bottom and top to at least one line, which can be configured as an inlet and an outlet.
  • the lines can be configured as at least one piping system that can have valves which allow or prevent the flow of fluid to or from the respective container.
  • at least one pump can be provided to enable the flow of the heat transfer medium between the containers and the heat exchanger.
  • the at least three containers can be connected to the heat exchanger via valves, with at least one valve being arranged on opposite sides of each container.
  • the heat transfer medium can be directed from the container to the heat exchanger and back to the container. This allows the containers to be loaded and unloaded one after the other, in particular sequentially.
  • pressure equalization can occur between the containers during storage and/or withdrawal. This pressure equalization is achieved, in particular, by connecting the containers to one another.
  • pressure equalization can be achieved by means of a heat transfer medium that can be conveyed directly from one container to at least one other during storage or withdrawal, without passing through the heat exchanger, and especially to the second container.
  • the containers can be interconnected via at least one transfer system, whereby pressure equalization is achieved in particular by the transfer system.
  • pressure equalization between three containers is possible, wherein heat transfer medium is simultaneously taken from a further container, the third container, and supplied to a further container, the second container, in the container to be unloaded or loaded, in particular called the first container.
  • at least two circuits can be formed, wherein a first circuit can be designed for transporting hot heat transfer medium, and a second circuit for transporting cold heat transfer medium.
  • the containers can therefore be interconnected via two transfer systems, a first transfer system being filled with cold heat transfer medium and a second transfer system being filled with hot heat transfer medium.
  • Each transfer system can form a circuit and, in particular, include a pump.
  • the flow direction can be opposite to the flow direction during discharge.
  • hot heat transfer medium can be introduced from the bottom of the third container into the top of the first container, and simultaneously cold heat transfer medium can be introduced into the first container.
  • the heat transfer medium is introduced from the bottom of the first container into the bottom of the second container, with the heat transfer zone passing through the first container from top to bottom.
  • three containers are connected in such a way that the volume of heat storage medium can be equalized between the containers. This connection can be established by at least one, and in particular two, transfer pump systems.
  • the next container to be loaded can be pre-filled with cold medium, whereby the medium can be supplied from another container.
  • cold heat transfer medium can be introduced from the bottom of the second container into the first container, and simultaneously hot heat transfer medium can be introduced from the top of the first container into the third container, with the heat transfer zone passing through the first container from bottom to top.
  • hot heat transfer medium can be introduced from the top of the first container into the third container, with the heat transfer zone passing through the first container from bottom to top.
  • the second container can be loaded or unloaded analogously to the first container, whereby heat transfer medium is supplied to or removed from the first and a fourth container, and subsequently, the fourth container can be loaded.
  • the process can thus be carried out continuously for a large number of containers, whereby any number of containers can be loaded or unloaded.
  • the required amount of heat transfer medium can be applied to the surface using a method according to the invention.
  • the volume of two containers can be reduced.
  • the remaining containers are preferably filled only with the solid material in both the loaded and unloaded states. This allows for a significantly lower requirement of heat transfer medium, depending on the number of containers.
  • a volume of heat transfer medium equivalent to two containers can be stored. This is particularly possible with a driving mode as described above, where only one container is completely filled with heat transfer medium. It is also conceivable to store a quantity of three or four containers of heat transfer medium, whereby, for example, two containers can be loaded or unloaded simultaneously.
  • three to fifteen containers in particular five to ten containers, can be included, with the heat transfer zone being routed through all containers.
  • the heat transfer zone being routed through all containers.
  • the number of containers can be adjusted as needed, depending on the desired or possible capacity, and is not limited to the numbers specified here. For example, up to one hundred or several hundred containers can be used; there is no limit to the number.
  • a protective gas can be used, for example. Nitrogen, in particular, can be used to prevent oxidative effects on the heat transfer medium or other structural components. Avoid.
  • a gas phase can be formed by a portion of vaporized heat transfer medium. This gas phase can be discharged from the respective container.
  • volume equalization can take place, for example, between the containers, with the containers being connected, in particular, by an equalization line.
  • an equalization tank or a storage tank can be provided, which can temporarily store the protective gas. In this way, for example, an overpressure or underpressure of a protective gas, which exists depending on the state of the energy storage system, can be equalized.
  • a closed system can exist in a charged or discharged state, whereby the protective gas is either under overpressure or under underpressure.
  • the containers preferably have thermal insulation to limit heat loss.
  • the invention further relates to a thermal energy storage device.
  • the thermal energy storage device can be used, in particular, to implement the method according to the invention. Accordingly, the same features and advantages apply to the thermal energy storage device as described with respect to the method.
  • the at least three containers can each be connected to a heat exchanger via at least two valves, so that cold heat transfer medium can be drawn from one side of each container and hot heat transfer medium can be introduced into the opposite side, or vice versa.
  • This allows, in particular, continuous operation with a continuous charging flow, and eliminates the need for a buffer tank for the heat transfer medium.
  • Fig. 1 shows a thermal energy storage device in one possible design form during a charging process
  • Fig. 2 shows a thermal energy storage device in one possible design form during a discharge process
  • Fig. 3 shows a temperature profile in a container as a binary storage medium.
  • FIGS 1 and 2 show a thermal energy storage device 10 in one possible embodiment.
  • the thermal energy storage device 10 has five containers 1a, 1b, 1c, 1d, 1le, although a different number is possible.
  • Each of the containers 1a, 1b, 1c, 1d, 1le is filled with a solid bed 2.
  • the containers 1 are connected via several lines 8 such that a heat transfer medium for storing and/or releasing thermal energy can be successively introduced into or removed from the containers 1a, 1b, 1c, 1d, 1le in such a way that a heat transfer zone 4 is sequentially guided through the containers 1a, 1b, 1c, 1d, 1le and thus through the solid bed 2, thereby creating a continuous charging mass flow.
  • the designation of the containers from a to d is arbitrary, and the arrangement can be in any order.
  • the heat transfer zone 4 is located in the first container 1a and can be transferred to the second container 1b in a subsequent loading step.
  • container 1a in which the heat transfer zone 4 is located, is completely filled with heat transfer medium 3.
  • the containers 1a, 1b, 1c, 1d, and 1e are each connected to the heat transfer circuit 13 via two lines 8, one line in the upper region of each container 1a, 1b, 1c, 1d, and the other line 8 in the lower region of each container 1a, 1b, 1c, 1d, and 1e connect the respective container 1a, 1b, 1c, 1d, and 1e to the heat transfer circuit 13.
  • a valve 6 is provided in each line 8, so that the containers 1a, 1b, 1c, 1d, and 1e can be connected to the heat transfer circuit 13. They can be controlled one after the other and/or in parallel to each other.
  • the heat transfer medium 3 can be extracted from the thermally charged containers 1 and fed into a heat transfer circuit 13. Simultaneously, the next container 1 to be loaded can be pre-filled with cold heat transfer medium 12, see Fig. 1.
  • the heat transfer zone 4 can be passed through the containers 1a, 1b, 1c, 1d, 1le sequentially, in any order, in particular from left to right in the illustration.
  • the order in which the containers 1a, 1b, 1c, 1d, 1le are loaded or unloaded is arbitrary, provided that at least three of the containers 1a, 1b, 1c, 1d, 1le are used simultaneously.
  • this operating mode eliminates the need for an expansion tank for the heat transfer medium 3. Furthermore, it advantageously enables a continuous loading mass flow.
  • the use of the costly heat transfer medium 3 can be further reduced by using several containers 1a, 1b, 1c, 1d, le, ... if only container 1, which contains the heat transfer zone 4, is completely filled with the medium. This corresponds to the first container 1a in Fig. 1.
  • container 1a, 1c, 1b are required for continuous operation.
  • Fig. 1 shows a possible embodiment, in which in particular the number of containers 1 can be adapted to a desired capacity.
  • a loading process for saving data can proceed as follows:
  • the heat transfer zone 4 is located in container 1a in the illustrated state.
  • the heat transfer medium 3 flows from the cold side of container 1a (lower region of container 1a) via lines 8, in particular pipes, a pump 9, through a heat exchanger 5, which is designed as a charging and discharging heat exchanger, and is returned to the hot side of container 1a (upper region of container 1a).
  • the heat transfer zone 3 moves from top to bottom through container 1a or through the solid bed 2, which can be, for example, granules or similar. Heat is transferred from the heat transfer medium 3 to the solid bed 2.
  • only one container is used for the heat transfer medium 3.
  • the heat transfer medium 3 is supplied to another container 1, in the illustration, the second container 1b.
  • the second container 1b which is subsequently to be thermally charged, is pre-filled via the pumping system 7a with cold heat transfer medium 3, 12, which is taken from the cold side of the first container 1a.
  • the second container 1b can be partially or completely pre-filled.
  • the quantity taken from the first container 1a is extracted from the previously fully thermally charged container 1c below and fed to the first container 1a currently in operation at the top. This is done via the transfer pumping system 7b.
  • all further containers 1 there is preferably only the solid fill 2 and no heat transfer medium 3.
  • the solid fill 2 of the further containers 1 is either thermally charged, as in container I1, or discharged, as in container Id.
  • the described procedure allows for continuous loading and unloading without interruption.
  • the required amount of heat transfer medium 3 can be reduced to a minimum.
  • the required amount corresponds to the volume of two containers 1, minus the volume of the solid fill.
  • the order in which the existing containers 1, or container segments, are loaded can be chosen arbitrarily.
  • the flow direction of the heat transfer circuit 13 is preferably reversed. Accordingly, the flow direction of the pumping systems 7a, 7b can also change.
  • Fig. 1b shows an energy storage device 10 during discharge in one possible embodiment.
  • a discharge process for storing energy can proceed as follows:
  • the heat transfer zone 4 is located in the first container 1a.
  • the heat transfer medium 3 flows from the hot side (upper region of container 1a) of the first container 1a via lines 8, in particular pipes, to the pump 9, through the heat exchanger 5, which is designed as a charging and discharging heat exchanger, and is returned to the cold side of the first container 1a (lower region of container 1a).
  • the heat transfer zone 3c moves from bottom to top through container 1a, or rather through the solid bed 2. In this process, heat is transferred from the solid bed 2 to the heat transfer medium 3.
  • the heat transfer medium 2 is supplied to another container 1, in Fig. 2 to the second container 1b.
  • the container 1b which is to be thermally discharged, is pre-filled from below with hot heat transfer medium 3, 11 via the transfer system 7b.
  • This medium is taken from the hot side (upper region) of the container 1a currently being processed, via the hot system 7b.
  • the quantity taken from the container 1a currently being processed is drawn from the bottom of the previously completely thermally discharged container 1c and fed to the bottom of the container 1a currently being processed. This is done via the transfer system 7a.
  • all other containers 1 preferably contain only the solid bulk material 2 and no heat transfer medium 3.
  • the solid bulk material 2 is either thermally loaded (container Id.) or unloaded (container Id.).
  • a volume equalization can take place, for example, between the containers, wherein the containers are in particular connected by an equalization line 14, Fig. 1.
  • Fig. 3 shows a temperature profile in a container 1, which is designed as a two-component storage tank.
  • a solid bed is arranged in the container (not shown).
  • the cold medium 12 is located in the lower part of the container 1, and the hot medium 11 in the upper part.
  • the heat transfer zone 4 is located between them.
  • the right-hand side of the illustration shows an example of a temperature distribution T over a height H.
  • the present invention has been fully described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto, but can be modified in a variety of ways.
  • the number of containers 1 can vary, and especially three to one hundred containers 1 can be used. Other numbers are also conceivable.
  • the piping system or the The lines 8 and/or the heat transfer circuit and/or the pumping systems may be designed differently from the representation in Fig. 1 and Fig. 2.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur thermischen Energiespeicherung mit zumindest drei Behältern, die jeweils mit einer Feststoffschüttung gefüllt sind, wobei in einem ersten Behälter ein Wärmeübertragungsmedium zum Einspeichern oder Ausspeichern von thermischer Energie eingebracht wird, wobei ein zweiter Behälter vor einem Einspeichern mit kaltem Wärmeübertragungsmedium aus dem ersten Behälter zumindest teilweise vorgefüllt wird oder vor einem Ausspeichern mit heißem Wärmeübertragungsmedium aus dem ersten Behälter zumindest teilweise vorgefüllt wird, wobei dem ersten Behälter beim Einspeichern heißes Wärmeübertragungsmedium oder beim Ausspeichern kaltes Wärmeübertragungsmedium aus einem dritter Behälter zugeführt wird, wobei eine Wärmeübergangszone während des Einspeicherns oder Ausspeicherns durch den ersten Behälter geleitet wird, und nach vollständigem Einspeichern oder Ausspeichern von dem ersten Behälter in den zweiten Behälter weitergeleitet wird, wobei ein kontinuierlicher Belademassenstrom oder Entlademassestrom ermöglicht wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen thermischen Energiespeicher.

Description

Verfahren zur thermischen Energiespeicherung und thermischer Energie spei eher
Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Verfahren zur thermischen Energiespeicherung mit zumindest drei Behältern, die j eweils mit einer Feststof f schüttung gefüllt sind . Des Weiteren betri f ft die Erfindung einen thermischen Energiespeicher, insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens .
TECHNISCHER HINTERGRUND
Um schwankende elektrische Erzeugungsleistungen sowie Verbrauchsleistungen zu kompensieren, ist eine Speicherung von Energie vorteilhaft . Insbesondere bei Verwendung unterschiedlicher erneuerbarer Energien stellt die Speicherung sowie die Vorhaltung der Energie einen wichtigen Baustein für die Energiewende im Zeichen des Klimawandels dar .
Energie kann in Energiespeichern gespeichert werden, wobei beispielsweise mechanische , chemische oder elektrische Speicher bekannt sind . Weiterhin sind thermische Energiespeicher bekannt , welche im Vergleich zu chemischen oder elektrischen Speichern insbesondere hinsichtlich der auf eine Energieeinheit bezogenen Kosten und der vorgehaltenen Energiemengen Vorteile bieten .
Aus dem Stand der Technik sind im Falle der thermischen Energiespeicher beispielsweise Feststof f Speicher oder Flüssig- keitsspeicher bekannt . Für einen Temperaturbereich von 90 ° C bis 400 ° C sind weiterhin temperaturgeschichtete Energiespeicher mit einem Wärmeübertragungsmedium auf Thermoölbasis vorteilhaft . Im Gegensatz zu wasserbasierten Energiespeichern kann dabei eine Berücksichtigung von sattdampfbedingtem Innendruck entfallen . Durch eine Temperaturschichtung kann insbesondere ein Mischungsverlust bzw . „Exergieverlust" verhindert werden . Des Weiteren kann eine vergleichsweise lange Entnahme auf einem hohen Temperaturniveau gewährleistet wer- den, wenn eine entsprechende Beladung bzw . Entladung des Energiespeichers umgesetzt wird .
Um dem Energiespeicher Energie zuzuführen, wird dieser geladen . Dabei ist aus dem Stand der Technik bekannt , ein Thermoöl von oben in dem Energiespeicher einzuführen, sodass eine Durchströmung von heißem Thermoöl von oben nach unten erfolgen kann . Um Energie aus dem Energiespeicher zu entnehmen, wird dieser entladen . Dabei kann beispielsweise kühles Thermoöl von unten nach oben in den Behälter eingeführt werden .
Da das Thermoöl kostenintensiv ist , kann zur Reduzierung der Kosten eine kostengünstige Feststof f schüttung, wie beispielsweise Kies , in den Speicher eingeführt werden . Dadurch kann ein Volumenanteil des kostenintensiven Thermoöls ersetzt werden . Aus dem Stand der Technik sind insbesondere Speicher bekannt , bei welchen die Feststof f schüttung einen Anteil von 60 % bis 70 % des Volumens einnimmt und ca . 60 % bis 80 % der Wärmekapazität bereitstellen kann .
Nachteilig liegen die Kosten für das Thermoöl um ein Viel faches höher als die Kosten für die Feststof f schüttung und betragen beispielsweise das 10- fache bis 20- fache , insbesondere bezogen auf eine gleiche Wärmekapazität . Daher ist es wünschenswert , den Thermalbedarf weiter zu reduzieren . Insbesondere soll dabei eine Temperaturschichtung des Energiespeichers weiterhin ermöglicht werden .
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde , ein Verfahren zur thermischen Energiespeicherung und einen thermischen Energiespeicher anzugeben, wobei die Menge an Wärmeübertragungsmedium weiter reduziert werden kann .
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch einen thermischen Energiespeicher mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 gelöst .
Demgemäß ist vorgesehen :
- Ein Verfahren zur thermischen Energiespeicherung mit zumindest drei Behältern, die j eweils mit einer Feststof fschüttung gefüllt sind, wobei in einem ersten Behälter ein Wärmeübertragungsmedium zum Einspeichern oder Ausspeichern von thermischer Energie eingebracht wird, wobei ein zweiter Behälter vor einem Einspeichern mit kaltem Wärmeübertragungsmedium aus dem ersten Behälter zumindest teilweise vorgefüllt wird oder vor einem Ausspeichern mit heißem Wärmeübertragungsmedium aus dem ersten Behälter zumindest teilweise vorgefüllt wird, wobei dem ersten Behälter beim Einspeichern heißes Wärmeübertragungsmedium oder beim Ausspeichern kaltes Wärmeübertragungsmedium aus einem dritter Behälter zugeführt wird, wobei eine Wärmeübergangs zone während des Einspeicherns oder Ausspeicherns durch den ersten Behälter geleitet wird, und nach vollständigem Einspeichern oder Ausspeichern von dem ersten Behälter in den zweiten Behälter weitergeleitet wird, wobei ein kontinuierlicher Belademassenstrom oder Entlademassestrom ermöglicht wird .
- Ein thermischer Energiespeicher, insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens , mit zumindest drei Behältern, die j eweils mit einer Feststof f schüttung gefüllt sind, wobei die Behälter derart miteinander verbunden sind, dass ein Wärmeübertragungsmedium zum Einspeichern und/oder Ausspeichern von thermischer Energie nacheinander in die Behälter derart eingebringbar bzw . ausgebringbar ist , dass eine Wärmeübergangs zone sequentiell durch die Behälter weiterleitbar ist und ein kontinuierlicher Belademassenstrom oder Entlademassestrom ausbildbar ist . Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis besteht darin, eine thermische Energiespeicherung in mehrere Behälter auf zuteilen, wobei eine Wärmeübergangs zone durch die Behälter, insbesondere sequenziell , geführt werden kann . Dabei kann in der Summe ein großes Speichervolumen als ein einzelner Behälter ermöglicht werden, wobei gleichzeitig eine Menge des Wärmeübertragungsmediums durch die Teilvolumina der einzelnen Behälter reduziert werden kann .
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, ein Wärmeübertragungsmedium vorrangig für den Wärmetransport beim Einspeichern bzw . Ausspeichern zu verwenden, wobei dabei drei Behälter in einer Wirkverbindung stehen . Erfindungsgemäß werden zumindest drei , insbesondere relativ kleine , Behälter verwendet werden, die nacheinander geladen bzw . entladen werden können . Für den Energiespeicher kann dabei eine geringe Menge an Wärmeübertragungsmedium ausreichen, die insbesondere ausreicht , nur eine Teilmenge der Behälter, beispielsweise ein bis zwei Behälter, voll zu füllen . Dadurch kann ein Speichervolumen für den Vorgang des Beladens bzw . Entladens eines Behälters klein gehalten werden, wodurch der Volumenanteil des benötigten Wärmeübertragungsmediums , wie insbesondere des Thermoöls oder eines Sal zes , reduziert werden kann .
Der gesamte thermische Energiespeicher wird in zumindest drei Behälter aufgeteilt , die nacheinander mit dem Wärmeübertragungsmedium befüllt werden können . Dadurch ist das j eweilige Volumen j edes Behälters klein im Verhältnis zum Gesamtenergiespeicher . Dementsprechend wird weniger Wärmeübertragungsmedium benötigt , um einen „kleinen" Behälter, einen sogenannten Teilbehälter, des gesamten thermischen Energiespeichers zu Beladen bzw . zu Entladen . Erfindungsgemäß können dabei die Kosten erheblich reduziert werden, da insbesondere die Kosten für das Wärmeübertragungsmedium durch den geringen Volumenanteil der „Teilvolumina" der Behälter gering aus fallen . Als Behälter kann ein abgetrennter Volumenanteil verstanden werden, in welchem eine Feststof f schüttung angeordnet ist . Die zumindest drei Behälter können in einem Gesamtbehälter vorgesehen sein, wobei die Behälter gemeinsame Trennwände aufweisen können, sodass in einem großen Behälter durch Trennung in unterschiedliche Teilvolumina Teilbehälter abgetrennt werden können . Des Weiteren können die Behälter nebeneinander, insbesondere getrennt voneinander, angeordnet sein, um einen Energiespeicher aus zubilden .
Eine Feststof f schüttung kann einen Großteil des Volumens j edes Behälters aus füllen . Insbesondere ist der j eweilige Behälter komplett mit der Feststof f schüttung befüllt . Als Feststof f schüttung kann beispielsweise Kies eingesetzt werden .
Des Weiteren können unterschiedliche Speicherstof fe verwendet werden, die beispielsweise poröse und/oder hohlraumhaltige Materialien aufweisen . Insbesondere ist die Feststof f schüttung aus mit Abständen angeordneten Körpern ausgebildet , sodass das Wärmeübertragungsmedium die Oberfläche der einzelnen Elemente der Feststof f schüttung erreichen kann .
Als Wärmeübertragungsmedium bzw . Wärmeträgermedium kann insbesondere Thermoöl oder ein Wärmeübertragungsmedium auf Thermoölbasis eingesetzt werden . Andere fließ fähige Medien, die Energie speichern können, sind ebenso denkbar . So können sämtliche flüssigen Wärmeübertragungsmedien, wie z . B . auch Sal ze , verwendet werden .
Als kontinuierlicher Belademassenstrom bzw . Entlademassenstrom ist insbesondere zu verstehen, dass eine Wärmeübergangs zone nacheinander durch die Behälter geführt werden kann . Die Wärmeübergangs zone kann beispielsweise von unten nach oben oder von oben nach unten durch den Behälter geleitet werden . Wenn die Wärmeübergangs zone den Behälter einmal durchlaufen hat , kann diese in den nächsten Behälter geleitet werden, indem in dem nächsten Behälter eine Einspeicherung oder Ausspeicherung gestartet wird . Vorteilhafterweise ist dabei eine kontinuierliche Fahrweise durch mehrere Behälter „hindurch" möglich, wobei insbesondere auf einen Ausgleichsbehälter verzichtet werden kann .
Eine Strömungsrichtung des Wärmeübertragungsmediums ist beim Entladen insbesondere entgegengesetzt zur Strömungsrichtung beim Beladen . Beide Vorgänge können j edoch im selben System mit denselben Bauteilen durchgeführt werden .
Der zweite Behälter wird zumindest teilweise mit Medium vorgefüllt , wobei in einer möglichen Aus führungs form der zweite Behälter auch komplett oder nahezu komplett gefüllt werden kann, wenn dieser mit Medium vorgefüllt wird .
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung .
Gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form kann nur der Behälter komplett mit Wärmeübertragungsmedium gefüllt sein, in welchem sich die Wärmeübergangs zone befindet . Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass j eder der Behälter separat angesteuert werden kann und daher separat von einem anderen Behälter gefüllt werden kann . I st ein Behälter be- füllt , kann anschließend der als nächstes zu beladene bzw . zu entladene Behälter mit Medium gefüllt werden . Für eine kontinuierliche Fahrweise sind insbesondere mindestens drei Behälter notwendig .
In einer bevorzugten Aus führungs form kann beim Einspeichern die Zuführung des heißen Wärmeübertragungsmediums gleichmäßig und wirbelarm erfolgen . Die Zuführung erfolgt insbesondere von oben in den Behälter . Beim Einspeichern kann eine Vorfül- lung mit kaltem Wärmeübertragungsmedium von unten insbesondere so lange fortgesetzt werden, bis eine geeignete und wirbelarme Zuströmung mit heißem Wärmeübertragungsmediums von oben erfolgen kann . Insbesondere kann der Behälter zunächst komplett mit kaltem Wärmeübertragungsmedium vorgefüllt werden . Das Innere des Behälters weist beim Einspeichern, wenn insbesondere heißes Medium von oben eingefüllt wird, insbesondere zunächst im oberen Bereich eine höhere Temperatur als im unteren Bereich auf , wobei die Wärmeübergangs zone nach unten durch den Behälter geleitet werden kann und anschließend in den nächsten Behälter geführt werden kann . Beim Ausspeichern wandert die Wärmeübergangs zone insbesondre von unten nach oben durch den Behälter, wobei eine Vorfüllung mit heißem Medium erfolgt und anschließend kaltes Medium insbesondere von unten eingefüllt wird .
Gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form kann während dem Einspeichern kaltes Wärmeübertragungsmedium aus dem ersten Behälter einem Wärmetauscher zugeführt und heißes Wärmeübertragungsmedium von dem Wärmetauscher dem ersten Behälter zugeführt werden, während sich die Wärmeübergangs zone durch den ersten Behälter bewegt . Mit anderen Worten kann das Wärmeübertragungsmedium von einer kalten Seite des Behälters , insbesondere über zumindest eine Leitung, insbesondere zu einer Pumpe , und zu dem Wärmetauscher geführt werden . Dies kann als Wärmeübertragungskreislauf bezeichnet werden . Der Wärmetauscher kann in diesem Fall als Beladewärmetauscher bezeichnet werden, wobei aus dem Wärmetauscher heißes Wärmeübertragungsmedium einer heißen Seite des Behälters , insbesondere über zumindest eine Leitung, zugeführt werden kann . Die Wärmeübergangs zone kann sich dabei im Behälter von der heißen Seite in Richtung der kalten Seite bewegen, insbesondere so lange , bis der komplette Behälter beladen ist .
Gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form kann während dem Ausspeichern heißes Wärmeübertragungsmedium aus dem ersten Behälter einem Wärmetauscher zugeführt und kaltes Wärmeübertragungsmedium von dem Wärmetauscher dem ersten Behälter zugeführt werden, während sich die Wärmeübergangs zone durch den ersten Behälter bewegt . Mit anderen Worten kann das Wärmeübertragungsmedium von einer heißen Seite des Behälters , insbesondere über zumindest eine Leitung, zu dem Wärmetauscher, und insbesondere zu einer Pumpe , geführt werden . Dies kann als Wärmeübertragungskreislauf bezeichnet werden . Der Wärme- tauscher kann in diesem Fall als Entladewärmetauscher bezeichnet werden, wobei aus dem Wärmetauscher kaltes Wärmeübertragungsmedium einer kalten Seite des Behälters , insbesondere über zumindest eine Leitung, zugeführt werden kann . Die Wärmeübergangs zone kann sich dabei im Behälter von der kalten Seite in Richtung der heißen Seite bewegen, insbesondere so lange , bis der komplette Behälter entladen ist .
In beiden Fällen können dieselben Bauteile und damit derselbe Energiespeicher verwendet werden, wobei die Strömungsrichtung beim Entladen entgegengesetzt zur Strömungsrichtung beim Beladen ausgerichtet werden kann .
Gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form können die zumindest drei Behälter beim Einspeichern oder Ausspeichern nacheinander mit dem Wärmetauscher verbunden werden . Beispielsweise kann j eder Behälter über Leitungen, die zumindest ein Ventil aufweisen, angesteuert werden . Insbesondere ist j eder Behälter an einer Unterseite und an der Oberseite mit zumindest einer Leitung, die als Zuleitung und als Ableitung ausgebildet sein kann, verbunden . Die Leitungen können als zumindest ein Leitungssystem ausgebildet sein, das Ventile aufweisen kann, die ein Zuströmen oder Abströmen zu dem j eweiligen Behälter ermöglichen bzw . unterbinden . Des Weiteren kann zumindest eine Pumpe vorgesehen sein, um die Strömung des Wärmeübertragungsmediums zwischen den Behältern und dem Wärmetauscher ermöglichen .
Gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form können die zumindest drei Behälter über Ventile mit dem Wärmetauscher verbunden sein, wobei an gegenüberliegenden Seiten j edes Behälters j eweils zumindest ein Ventil angeordnet sein kann, wobei durch Öf fnen zweier Ventile das Wärmeübertragungsmedium von dem Behälter, zum Wärmetauscher und wieder zum Behälter geleitet werden kann . Dadurch kann ein Beladen bzw . Entladen der Behälter nacheinander, insbesondere sequentiell , erfolgen . Gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form kann während des Einspeicherns und/oder des Ausspeicherns zwischen den Behältern untereinander ein Druckausgleich erfolgen . Der Druckausgleich erfolgt insbesondere durch eine Verbindung der Behälter untereinander . Beispielsweise kann ein Druckausgleich durch Wärmeübertragungsmedium erfolgen, das während dem Einspeichern oder dem Ausspeichern direkt von einem Behälter zu zumindest einem nächsten geleitet werden kann, ohne durch den Wärmetauscher geführt zu werden, insbesondere zu dem zweiten Behälter .
Gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form können die Behälter untereinander über zumindest ein Umpumpsystem verbunden sein, wobei insbesondere der Druckausgleich durch das Umpumpsystem erfolgt . Bevorzugt ist ein Druckausgleich zwischen drei Behältern möglich, wobei in dem zu entladenen oder zu beladenen Behälter, insbesondere erster Behälter genannt , gleichzeitig Wärmeübertragungsmedium aus einem weiteren Behälter, dem dritten Behälter entnommen und Wärmeübertragungsmedium einem weiteren Behälter, dem zweiten Behälter, zugeführt wird . So können zumindest zwei Kreisläufe ausgebildet sein, wobei ein erster Kreislauf zum Transport von heißem Wärmeübertragungsmedium, und ein zweiter Kreislauf zum Transport von kaltem Wärmeübertragungsmedium ausgebildet sein kann .
Gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form können die Behälter untereinander daher über zwei Umpumpsysteme verbunden sein, wobei ein erstes Umpumpsystem mit kaltem Wärmeübertragungsmedium und ein zweites Umpumpsystem mit heißem Wärmeübertragungsmedium befüllt ist . Jedes Umpumpsystem kann einen Kreislauf ausbilden und insbesondere eine Pumpe aufweisen . Beim Einspeichern kann die Fließrichtung entgegengesetzt zu der Fließrichtung beim Ausspeichern sein .
Gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form kann während des Einspeicherns des ersten Behälters heißes Wärmeübertragungsmedium von unten aus dem dritten Behälter oben in den ersten Behälter eingebracht werden, und gleichzeitig kaltes Wärme- Übertragungsmedium von unten aus dem ersten Behälter unten in den zweiten Behälter eingeführt werden, wobei die Wärmeübergangs zone von oben nach unten durch den ersten Behälter geführt wird . Vorteilhafterweise stehen dabei drei Behälter derart in einer Wirkverbindung, dass ein Volumen des Wärmespeichermediums unter den Behältern ausgeglichen werden kann . Die Wirkverbindung kann durch zumindest ein, insbesondere zwei Umpumpsysteme , hergestellt werden .
Mit anderen Worten kann bei einem Beladevorgang der nächste zu beladene Behälter mit kaltem Medium vorgefüllt werden, wobei das Medium aus einem anderen Behälter zugeführt werden kann .
Gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form kann während des Ausspeicherns des ersten Behälters kaltes Wärmeübertragungsmedium von unten aus dem zweiten Behälter unten in den ersten Behälter eingebracht werden, und gleichzeitig heißes Wärmeübertragungsmedium von oben aus dem ersten Behälter unten in den dritten Behälter eingeführt werden, wobei die Wärmeübergangs zone von unten nach oben durch den ersten Behälter geführt wird . Mit anderen Worten kann bei einem Entladevorgang der nächste zu entladene Behälter mit heißem Medium vorgefüllt werden, wobei das Medium aus einem anderen Behälter zugeführt werden kann .
Gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form kann ein Einspeichern oder Ausspeichern des zweiten Behälters analog zum ersten Behälter durchgeführt werden, wobei Wärmeübertragungsmedium aus dem ersten und einem vierten Behälter zugeführt oder abgeführt werden, wobei anschließend eine Einspeicherung in der vierte Behälter erfolgen kann . Das Verfahren kann so kontinuierlich für eine Viel zahl an Behälter durchgeführt werden, wobei eine beliebige Anzahl an Behälter beladen bzw . entladen werden kann .
Vorteilhafterweise kann durch ein erfindungsgemäßes Verfahren die erforderliche Menge an Wärmeübertragungsmedium auf das Volumen von zwei Behältern reduziert werden . Die restlichen Behälter sind bevorzugt im beladenen sowie in entladenen Zustand nur mit der Feststof f schüttung gefüllt . Dadurch kann j e nach Anzahl der Behälter ein signi fikant geringerer Bedarf an Wärmeübertragungsmedium erreicht werden .
Gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form kann ein Volumen von zwei Behältern an Wärmeübertragungsmedium vorgehalten werden . Dies ist insbesondere mit einer Fahrweise wie oben beschrieben möglich, wobei lediglich ein Behälter komplett mit Wärmeübertragungsmedium gefüllt ist . Es ist weiterhin denkbar, eine Menge von drei oder vier Behältern an Wärmeübertragungsmedium vorzuhalten, wobei beispielsweise auch zwei Behälter gleichzeitig beladen oder entladen werden können .
Gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form können drei bis 15 Behälter, insbesondere 5 bis 10 Behälter, bevorzugt zehn Behälter umfasst sein, wobei die Wärmeübergangs zone durch alle Behälter weitergeleitet wird . Insbesondere an einem Beispiel , bei welchem 10 Behälter eingesetzt werden, muss demnach nur eine Menge von zwei Behältern an Wärmeübertragungsmedium vorgehalten werden, wodurch sich eine Einsparung von ungefähr 80 % im Vergleich zu einem thermischen Energiespeicher aus dem Stand der Technik ergibt .
Die Anzahl der Behälter kann in Abhängigkeit einer gewünschten oder möglichen Kapazität beliebig angepasst werden und ist nicht auf die hier angegebenen Anzahlen an Behältern beschränkt . So können auch beispielsweise bis zu hundert oder mehrere Hundert Behälter eingesetzt werden, wobei der Anzahl keine Grenze gesetzt ist .
Für eine weitere Belüftung bzw . Entlüftung und/oder den Volumenausgleich kann beispielsweise weiterhin ein Schutzgas eingesetzt werden . Hierbei kann insbesondere Stickstof f verwendet werden, um eine oxidative Einwirkung auf das Wärmeübertragungsmedium oder die weiteren Strukturkomponenten zu ver- meiden . Alternativ oder zusätzlich kann eine Gasphase durch einen Anteil an verdampftem Wärmeübertragungsmedium gebildet werden . Diese Gasphase kann aus dem j eweiligen Behälter abgeführt werden . In einer Aus führungs form kann ein Volumenausgleich beispielsweise zwischen den Behältern untereinander stattfinden, wobei die Behälter insbesondere mit einer Ausgleichsleitung verbunden sind . In einer weiteren Aus führungsform kann alternativ oder zusätzlich ein Ausgleichsbehälter bzw . ein Vorratsbehälter vorgesehen sein, der Schutzgas Zwischenspeichern kann . So kann beispielsweise ein Überdruck oder Unterdrück eines Schutzgases ausgeglichen werden, der j e nach Zustand des Energiespeichers vorliegt . Vorteilhafterweise kann ein geschlossenes System in einem geladenen oder entladenen Zustand vorliegen, wodurch das Schutzgas entweder im Überdruck oder im Unterdrück vorliegt .
Die Behälter weisen bevorzugt eine Wärmeisolation auf , um Wärmeverluste zu begrenzen .
Die Erfindung betri f ft weiterhin einen thermischen Energiespeicher . Der thermische Energiespeicher kann insbesondere eingesetzt werden, um das erfindungsgemäße Verfahren umzusetzen . Demnach gelten für den thermischen Energiespeicher dieselben Merkmale und Vorteile , wie bezüglich des Verfahrens beschrieben .
Gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form des Energiespeichers können die zumindest drei Behälter j eweils über zumindest zwei Ventile mit einem Wärmetauscher verbunden sein, sodass nacheinander in j eden Behälter kaltes Wärmeübertragungsmedium von einer Seite des Behälters entnehmbar und heißes Wärmeübertragungsmedium in einer gegenüberliegenden Seite des Behälters einbringbar ist , oder andersrum . Dadurch ist insbesondere eine kontinuierliche Fahrweise mit einem kontinuierlichen Beladestrom möglich, wobei insbesondere kein Ausgleichsbehälter für das Wärmeübertragungsmedium notwendig ist . Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll , beliebig miteinander kombinieren . Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht expli zit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Aus führungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung . Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der j eweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen .
INHALTSANGABE DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Aus führungsbeispiele näher erläutert . Es zeigen dabei :
Fig . 1 einen thermischen Energiespeicher in einer möglichen Aus führungs form während eines Beladevorgangs ;
Fig . 2 einen thermischen Energiespeicher in einer möglichen Aus führungs form während eines Entladevorgangs ;
Fig . 3 einen Temperaturverlauf in einem Behälter als ein Zweistof f Speicher .
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Aus führungs formen der Erfindung vermitteln . Sie veranschaulichen Aus führungs formen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung . Andere Aus führungs formen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen .
Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt .
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche , funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente , Merkmale und Komponenten - sofern nichts Anderes ausgeführt ist - j eweils mit denselben Bezugs zeichen versehen . BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Die Figuren 1 und 2 zeigen einen thermischen Energiespeicher 10 in einer möglichen Aus führungs form . Der thermischen Energiespeicher 10 weist in dieser Aus führungs form fünf Behältern la, 1b, 1c, Id, le auf , wobei eine davon abweichende Anzahl möglich ist . Jeder der Behälter la, 1b, 1c, Id, le ist mit einer Feststof f Schüttung 2 gefüllt . Die Behälter 1 sind über mehrere Leitungen 8 derart verbunden, dass ein Wärmeübertragungsmedium zum Einspeichern und/oder Ausspeichern von thermischer Energie nacheinander in die Behälter la, 1b, 1c, Id, le derart eingeleitet oder ausgeleitet werden kann, sodass eine Wärmeübergangs zone 4 sequentiell durch die Behälter la, lb, 1c, Id, le und damit durch die Feststof f schüttung 2 geführt wird, wodurch ein kontinuierlicher Belademassenstrom ausgebildet werden kann .
Die Bezeichnung der Behälter mit a bis d ist hierbei beliebig, wobei die Anordnung in einer beliebigen Reihenfolge möglich ist .
In der dargestellten Aus führungs form eines Beladevorgangs der Fig . 1 befindet sich die Wärmeübergangs zone 4 in dem ersten Behälter la, und kann in einem nächsten Beladeschritt in den zweiten Behälter 1b weitergeleitet werden . Vorteilhafterweise ist nur der Behälter la komplett mit Wärmeübertragungsmedium 3 gefüllt , in welchem sich die Wärmeübergangs zone 4 befindet .
Die Behälter la, 1b, 1c, Id, le sind in dieser Aus führungsform j eweils über zwei Leitungen 8 mit dem Wärmeübertragungskreislauf 13 verbunden, wobei eine Leitung im oberen Bereich des j eweiligen Behälters la, 1b, 1c, Id, le und eine Leitung 8 im unteren Bereich des j eweiligen Behälters la, 1b, 1c, Id, le den j eweiligen Behälter la, 1b, 1c, Id, le mit dem Wärmeübertragungskreislauf 13 verbindet . In j eder Leitung 8 ist ein Ventil 6 vorgesehen, sodass die Behälter la, 1b, 1c, Id, le nacheinander und/oder parallel zueinander angesteuert werden .
Aus den Behältern 1 , die thermisch geladen sind, kann das Wärmeübertragungsmedium 3 wieder entnommen und einem Wärmeübertragungskreislauf 13 zugeführt werden . Gleichzeitig kann der als nächstes zu beladende Behälter 1 mit kaltem Wärmeübertragungsmedium 12 vorgefüllt werden, siehe Fig . 1 . Die Wärmübergangs zone 4 kann nacheinander durch die Behälter la, 1b, 1c, Id, le geführt werden, in beliebiger Reihenfolge , in der Darstellung insbesondere von links nach rechts . Die Reihenfolge , in welche die Behälter la, 1b, 1c, Id, le beladen bzw . entladen werden ist beliebig, wobei lediglich ein Zusammenspiel von drei der Behälter la, 1b, 1c, Id, le vorliegen muss .
Vorteilhafterweise kann durch diese Fahrweise auf einen Ausgleichsbehälter für das Wärmeübertragungsmedium 3 verzichtet werden . Weiterhin vorteilhaft wird ein kontinuierlicher Belademassenstrom ermöglicht .
Im Falle von großtechnischen Zweistof f speichern kann durch die Verwendung von mehreren Behältern la, 1b, 1c, Id, le , . . . der Einsatz des kostenintensiven Wärmeübertragungsmediums 3 noch weiter gesenkt werden, wenn nur der Behälter 1 komplett mit Medium gefüllt wird, in dem sich die Wärmeübertragungs zone 4 befindet . Dies entspricht in Fig . 1 dem ersten Behälter la . Dabei werden für eine kontinuierliche Fahrweise mindestens drei Behälter la, 1c, 1b benötigt .
Fig . 1 zeigt eine mögliche Aus führungs form, wobei insbesondere die Anzahl der Behälter 1 an eine gewünschte Kapazität angepasst werden kann .
Ein Beladevorgang zum Einspeichern kann dabei wie folgt ablaufen : Die Wärmeübertragungs zone 4 befindet sich in dem dargestellten Zustand in Behälter la . Das Wärmeübertragungsmedium 3 strömt von der kalten Seite des Behälters la (unterer Bereich des Behälters la ) über Leitungen 8 , insbesondere Rohrleitungen, eine Pumpe 9 , durch einen Wärmetauscher 5 , der als Be- bzw . Entladewärmetauscher ausgebildet ist , und wird der heißen Seite des Behälters la ( oberer Bereich des Behälters la ) wieder zugeführt . Die Wärmeübertragungs zone 3 bewegt sich dabei von oben nach unten durch den Behälter la bzw . durch die Feststof f schüttung 2 , die beispielsweise als Granulat oder ähnliches ausgebildet sein kann . Dabei wird die Wärme aus dem Wärmeübertragungsmedium 3 an das Feststof f schüttung 2 übertragen . Vorteilhafterweise wird nur ein Behälter mit dem Wärmeübertragungsmedium 3 durchströmt .
Ist der erste Behälter la thermisch beladen wird des Wärmeübertragungsmedium 3 einem anderen Behälter 1 zugeführt , in der Darstellung dem zweiten Behälter 1b . Der nachfolgend thermisch zu beladende zweite Behälter 1b, wird über das Umpumpsystem 7a zuvor mit kaltem Wärmeübertragungsmedium 3 , 12 , welches aus dem ersten Behälter la an der kalten Seite entnommen wird, vorgefüllt . Dabei kann der zweite Behälter 1b teilweise oder vollständig vorgefüllt werden .
Parallel wird die aus dem erste Behälter la entnommene Menge aus dem zuvor thermisch vollständig beladenen Behälter 1c unten entnommen und dem aktuell im Eingri f f befindlichen ersten Behälter la oben zugeführt . Dies geschieht über das Umpumpsystem 7b .
In allen weiteren Behältern 1 befindet sich bevorzugt ausschließlich die Feststof f schüttung 2 und kein Wärmeübertragungsmedium 3 . Die Feststof f schüttung 2 der weiteren Behälter 1 ist entweder thermisch beladen, wie bei Behälter le , oder entladen, wie Behälter Id .
Durch die beschriebene Verfahrensweise ist eine kontinuierliche Be- bzw . Entladung, ohne Unterbrechung möglich, während die notwendige Menge an Wärmeübertragungsmedium 3 auf ein Minimum reduziert werden kann . Die erforderliche Menge entspricht insbesondere dem Volumen von zwei Behältern 1 , abzüglich des Volumens der Feststof f schüttung .
Die Reihenfolge , in welcher die vorhandenen Behälter 1 , oder Behältersegmente , beladen werden, kann dabei beliebig gewählt werden .
Für die Ausspeicherung wird bevorzugt die Strömungsrichtung des Wärmeübertragungskreislaufes 13 umgekehrt . Entsprechend kann sich auch die Strömungsrichtung der Umpumpsysteme 7a, 7b ändern .
Fig . 1b zeigt einen Energiespeicher 10 beim Entladen in einer möglichen Aus führungs form . Ein Entladevorgang zum Ausspeichern kann dabei wie folgt ablaufen :
Die Wärmeübertragungs zone 4 befindet sich in der dargestellten Situation im ersten Behälter la . Das Wärmeübertragungsmedium 3 strömt von der heißen Seite ( oberer Bereich des Behälters la ) des ersten Behälters la über Leitungen 8 , insbesondere Rohrleitungen, zu der Pumpe 9 , durch den Wärmetauscher 5, der als Be- bzw . Entladewärmetauscher ausgebildet ist , und wird der kalten Seite des ersten Behälters la (unterer Bereich des Behälters la ) wieder zugeführt . Die Wärmeübertragungs zone 3c bewegt sich dabei von unten nach oben durch den Behälter la bzw . durch die Feststof f schüttung 2 . Dabei wird die Wärme aus der Feststof f schüttung 2 an das Wärmeübertragungsmedium 3 an das übertragen .
Vorteilhafterweise wird auch beim Ausspeichern nur ein Behälter 1 mit dem Wärmespeichermedium 3 durchströmt , und zwar der Behälter, der momentan entladen wird .
Ist in Fig . 2 der erste Behälter la thermisch entladen, wird des Wärmeübertragungsmedium 2 einem anderen Behälter 1 zugeführt , in Fig . 2 dem zweiten Behälter 1b . Der nachfolgend thermisch zu entladende Behälter 1b, wird über das Umpumpsystem 7b zuvor mit heißem Wärmeübertragungsmedium 3, 11, welches dem sich im Eingriff befindlichen Behälter la an der heißen Seite (oberer Bereich des Behälters la) entnommen wird, von unten vorgefüllt. Parallel wird die dem im Eingriff befindlichen Behälter la entnommene Menge aus dem zuvor thermisch vollständig entladenen Behälter 1c unten entnommen und dem aktuell im Eingriff befindlichen Behälter la unten zugeführt. Dies geschieht über das Umpumpsystem 7a.
Auch beim Entladen befindet sich bevorzugt in allen weiteren Behältern 1 ausschließlich die Feststoff schüttung 2 und kein Wärmeübertragungsmedium 3. Die Feststoff schüttung 2 ist entweder thermisch beladen, Behälter le, oder entladen, Behälter Id.
Zur Belüftung und/oder Entlüftung kann in einer Ausführungsform ein Volumenausgleich beispielsweise zwischen den Behältern untereinander stattfinden, wobei die Behälter insbesondere mit einer Ausgleichsleitung 14 verbunden sind, Fig. 1.
Fig. 3 zeigt einen Temperaturverlauf in einem Behälter 1, wobei der Behälter 1 als ein Zweistoffspeicher ausgebildet ist. In dem Behälter ist eine Feststoff schüttung angeordnet (nicht dargestellt) . Im unteren Bereich des Behälters 1 befindet sich das Kaltmedium 12, im oberen Bereich das Heißmedium 11. Dazwischen ist die Wärmeübergangszone 4 vorgesehen. Im rechten Bereich der Darstellung ist beispielhaft eine Temperaturverteilung T über die Höhe H dargestellt.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere kann die Anzahl der Behälter 1 variieren, wobei insbesondere auch drei bis hundert Behälter 1 eingesetzt werden können. Eine andere Anzahl ist ebenso denkbar. Weiterhin kann das Leitungssystem bzw. die Leitungen 8 und/oder können der Wärmeübertragungskreislauf und/oder die Umpumpsysteme von der Darstellung der Fig . 1 und der Fig . 2 abweichend ausgebildet sein .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur thermischen Energiespeicherung mit zumindest drei Behältern (la, 1b, 1c) , die jeweils mit einer Feststoffschüttung (2) gefüllt sind, wobei in einem ersten Behälter (la) ein Wärmeübertragungsmedium (3) zum Einspeichern oder Ausspeichern von thermischer Energie eingebracht wird, wobei ein zweiter Behälter (1b) vor einem Einspeichern mit kaltem Wärmeübertragungsmedium (3) aus dem ersten Behälter (la) zumindest teilweise vorgefüllt wird oder vor einem Ausspeichern mit heißem Wärmeübertragungsmedium (3) aus dem ersten Behälter (la) zumindest teilweise vorgefüllt wird, wobei dem ersten Behälter (la) beim Einspeichern heißes Wärmeübertragungsmedium (3) oder beim Ausspeichern kaltes Wärmeübertragungsmedium (3) aus einem dritten Behälter (1c) zugeführt wird, wobei eine Wärmeübergangszone (4) während des Einspeicherns oder Ausspeicherns durch den ersten Behälter (la) geleitet wird, und nach vollständigem Einspeichern oder Ausspeichern von dem ersten Behälter (la) in den zweiten Behälter (1b) weitergeleitet wird, wobei ein kontinuierlicher Belademassenstrom oder Entlademassestrom ermöglicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass nur der Behälter (la) komplett mit Wärmeübertragungsmedium (3) gefüllt ist, in welchem sich aktuell die Wärmeübergangszone (4) befindet.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass während dem Einspeichern kaltes Wärmeübertragungsmedium
(3) aus dem ersten Behälter (la) einem Wärmetauscher (5) zu- geführt und heißes Wärmeübertragungsmedium (3) von dem Wärmetauscher (5) dem ersten Behälter (la) zugeführt wird, während sich die Wärmeübergangszone (4) durch den ersten Behälter (la) bewegt, oder dass während dem Ausspeichern heißes Wärmeübertragungsmedium (3) aus dem ersten Behälter (la) dem Wärmetauscher (5) zugeführt und kaltes Wärmeübertragungsmedium (3) von dem Wärmetauscher (5) dem ersten Behälter (la) zugeführt wird, während sich die Wärmeübergangszone (4) durch den ersten Behälter (la) bewegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zumindest drei Behälter (la, 1b, 1c) beim Einspeichern oder Ausspeichern nacheinander mit dem Wärmetauscher (5) verbunden werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zumindest drei Behälter (la, 1b, 1c) über Ventile
(6) mit dem Wärmetauscher (5) verbunden sind, wobei an gegenüberliegenden Seiten jedes Behälters (la, 1b, 1c) zumindest ein Ventil (6) angeordnet ist, wobei durch Öffnen zweier Ventile (6) das Wärmeübertragungsmedium (3) von dem Behälter (la, 1b, 1c) zum Wärmetauscher (5) und wieder zum Behälter (la, 1b, 1c) geleitet werden kann.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass während des Einspeicherns und/oder des Ausspeicherns zwischen den Behältern (la, 1b, 1c) untereinander ein Druckausgleich erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Behälter (la, 1b, 1c) untereinander über zumindest ein Umpumpsystem (7) verbunden sind.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Behälter (la, 1b, 1c) untereinander über zwei Umpumpsysteme (7a, 7b) verbunden sind, wobei ein erstes Umpumpsystem (7a) mit kaltem Wärmeübertragungsmedium (3) und ein zweites Umpumpsystem (7b) mit heißem Wärmeübertragungsmedium (3) befüllt ist.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass während des Einspeicherns des ersten Behälters (la) heißes Wärmeübertragungsmedium (3) von unten aus dem dritten Behälter (1c) oben in den ersten Behälter (la) eingebracht wird, und gleichzeitig kaltes Wärmeübertragungsmedium (3) von unten aus dem ersten Behälter (la) unten in den zweiten Behälter (1b) eingeführt wird, wobei die Wärmeübergangszone (4) von oben nach unten durch den ersten Behälter (la) geführt wird .
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass während des Ausspeicherns des ersten Behälters (la) kaltes Wärmeübertragungsmedium (3) von unten aus dem zweiten Behälter (1b) unten in den ersten Behälter (la) eingebracht wird, und gleichzeitig heißes Wärmeübertragungsmedium (3) von oben aus dem ersten Behälter (la) unten in den dritten Behälter (1c) eingeführt wird, wobei die Wärmeübergangszone (4) von unten nach oben durch den ersten Behälter (la) geführt wird .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Einspeichern oder Ausspeichern des zweiten Behälters (1b) analog zum ersten Behälter (la) durchgeführt wird, wobei Wärmeübertragungsmedium (3) aus dem ersten Behälter (la) und einem vierten Behälter (Id) zugeführt oder abgeführt wird, wobei anschließend eine Einspeicherung in dem vierten Behälter (Id) erfolgen kann.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Volumen von zwei Behältern (1) an Wärmeübertragungsmedium (3) vorgehalten wird.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass drei bis 15 Behälter (1) , insbesondere 5 bis 10 Behälter (1) , bevorzugt zehn Behälter (1) umfasst sind, wobei die Wärmeübergangszone (4) durch alle Behälter (1) weitergeleitet wird .
14. Thermischer Energiespeicher (10) , insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit zumindest drei Behältern (la, 1b, 1c) , die jeweils mit einer Feststoff Schüttung (2) gefüllt sind, wobei die Behälter (la, 1b, 1c) derart miteinander verbunden sind, dass ein Wärmeübertragungsmedium (3) zum Einspeichern und/oder Ausspeichern von thermischer Energie nacheinander in die Behälter (la, 1b, 1c) derart eingebringbar bzw. ausgebringbar ist, sodass eine Wärmeübergangszone (4) sequentiell durch die Behälter (la, 1b, 1c) weiterleitbar ist und ein kontinuierlicher Belademassenstrom oder Entlademassestrom ausbildbar ist.
15. Energiespeicher nach Anspruch 14, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zumindest drei Behälter (la, 1b, 1c) jeweils über zumindest zwei Ventile (6) mit einem Wärmetauscher (5) verbunden sind, sodass nacheinander in jeden Behälter (la, 1b, 1c) kaltes Wärmeübertragungsmedium (3) von einer Seite des Behälters (la, 1b, 1c) entnehmbar und heißes Wärmeübertragungsmedium (3) in einer gegenüberliegenden Seite des Behälters (la, 1b, 1c) einbringbar ist, oder andersrum.
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