CH629248A5 - Verfahren zum speichern und entnehmen von waermeenergie sowie anlage zur durchfuehrung dieses verfahrens. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speichern von Wärmeenergie in einem Zweikammer-System und zur Entnahme von Wärmeenergie aus dem Zweikammer-System, dessen erste Kammer eine Substanz enthält, die bei der Speicherung von Energie Wasser abgibt und bei der Entnahme von Energie Wasser chemisch bindet, und dessen zweite Kammer, die mit der ersten Kammer in Verbindung steht, Wasser enthält, sowie eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.

Wegen dem zunehmenden Verbrauch an Energie und wegen der offensichtlichen Abnahme von hochwertigen Energiequellen, welche derzeit noch zur Verfügung stehen, sind viele Arbeiten dem Ziel gewidmet, Methoden und Systeme zur Speicherung von Energie zu entwickeln, um so die Energieausnutzung zu verbessern.

Eine Anzahl solcher Arbeiten wird in einem Dokument «Some Physical Chemical Aspects of Heat Storage» von Martin Goldstein diskutiert, wobei dieses Dokument in «Pro-ceedings of the United Nations Conference on New Sources of Energy», «Solar Energy, Wind Power and Geothermal Energy», Rom 21-31 August 1961, Band 5, Solar Energy: II (United Nations, New York, 1964) erschienen ist. Im Abschnitt «Heats of Vaporazation» (Seiten 413-416) beschreibt Goldstein ein System, welches zwei Kammern aufweist, eine sogenannte «heisse Kammer» und eine sogenannte «kalte Kammer», welche eine verdampfende Flüssigkeit oder Substanz aufweisen, welche einen niedrigeren Dampfdruck bei gegebener Temperatur in der «heissen Kammer» als in der «kalten Kammer» aufweist. Die zu verdampfende Substanz kann entweder als Komponente einer Lösung, wobei weitere Komponenten der Lösung verhältnismässig schwer flüchtig sind, oder sie kann mit einer anderen festen Substanz in einer chemisch gebundenen Form vorliegen, wie z.B. als ein Hydrat druck für diese Substanz höherliegt als in der «heissen Kam-z.B. Wasser bzw. Ammoniak ist. Die «kalte Kammer» kann die verdampfende Substanz direkt kondensieren, sie kann sie z.B. als ein Hydrat niedriger Bindungsenergie absorbieren,

oder sie kann sie in einer Lösung absorbieren, deren Dampfdruck für diese Substanz höher liegt als in der «heissen Kammer». Eine Wärmezufuhr zur Speicherkammer bewirkt, dass die verdampfende Substanz in die «kalte Kammer» übertragen wird, wo sie kondensiert und Wärme an die Umgebung abgibt. Sinkt der Dampfdruck in der «heissen Kammer» infolge Temperatursenkung unter den Dampfdruck in der «kalten Kammer», destilliert die Substanz wieder zurück in die «heisse Kammer», dabei kommt es zwischen der Substanz und der Lösung bzw. der anderen festen Substanz zu einer exothermen Reaktion, welche Wärmeenergie an die Umgebung der «heissen Kammer» abgibt.

Soweit bekannt, sind die vorgeschlagenen Systeme von Goldstein noch nicht genügend ausgereift, um in der Praxis Anwendung zu finden. Dies besonders deswegen, weil Goldstein Systeme zur Ausführung seiner Methode angibt, welche

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sehr kompliziert sind und welche auf Änderungen der Umgebungstemperatur der Kammern sehr empfindlich reagieren. Goldstein's Vorschläge gingen auch nicht so weit, das System bei einem niedrigeren Druck als dem atmosphärischen Druck zu halten, was von grosser Bedeutung ist, wenn die verdampfende und die kondensierende Substanz oder Flüssigkeit Wasser ist. Schliesslich ist es Goldstein nicht gelungen, eine ausreichend perfekte Substanz für diese Zwecke anzugeben.

Ein System, welches im wesentlichen auf denselben ther-mochemischen Prinzipien beruht, welches aber nicht die Speicherung von Energie beinhaltet, sondern die Heizung und Kühlung, ist im U.S. Patent 3 642 059 offenbart.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verwendbares und verbessertes Verfahren zur Speicherung und Entnahme von Energie sowie eine einfache, nicht aufwendige und zuverlässige Energiespeicheranlage zur Ausführung dieses Verfahrens bereitzustellen.

Gemäss der Erfindung wird die ihr zugrundeliegende Aufgabe durch die in den Patentansprüchen 1 und 7 enthaltenen Merkmale gelöst.

Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschema einer Vorrichtung zur Speicherung und zur Entnahme von Energie,

Fig. 2 p-T-Gleichgewichtskurven für hydratisiertes CaCl2 und Wasser,

Fig. 3 ein Blockschema einer Energiespeicheranlage, welche für die Beheizung eines Hauses oder Erwärmung von Wasser geeignet ist,

Fig. 4 eine vereinfachte Ausführungsform der Anlage nach Fig. 3,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform, welche sich an den Aufbau, wie in Fig. 1 gezeigt, anlehnt,

Fig. 6 eine Weiterbildung der Ausführungsform nach Fig. 5 und

Fig. 7 und 8 die schematischen Darstellungen von drei Energiespeichereinheiten, die in Serie geschaltet sind.

Das Verfahren zum Speichern und zur Entnahme von Wärmeenergie, welches auf dem thermochemischen Prozess beruht, wird nachstehend unter Bezug auf Fig. 1 der Zeichnung näher erläutert. Dabei verläuft dieser Prozess bei einem Druck der dem Partialdruck des Dampfes zur entsprechenden Temperatur in diesem System entspricht.

In Fig. 1 bezeichnen Bx und B2 zwei Behälter, welche untereinander vakuumdicht verbunden sind, und welche an eine Vakuumpumpe P angeschlossen sind, welche fähig ist, die Behälteranordnung auf einem Druck von ca. 0,5 torr zu halten. Vj, V2 und V3 sind Ventile, und M ist ein Quecksilbermanometer. Zur näheren Erläuterung sei der Behälter B! mit CaCl2 und der Behälter B2 mit H20 gefüllt. Bx und B2 sind aus Metall, um die Zuführung und die Entfernung von Wärmeenergie zu erleichtern (in Fig. 1 bezeichnet mit Qj und Q2).

Zunächst wird aus dem System alle Luft entfernt, und zwar mit Hilfe der Pumpe P, wobei die Ventile Vx und V2 dabei offen sind. Der Druck, welcher vom Manometer M angezeigt wird, ist im wesentlichen der Druck des Wasserdampfes bei der Temperatur, welche im gesamten System herrscht (z.B. 18 torr bei +20°'C). Danach wird das Ventil V2 geschlossen und das Ventil V3 wird geöffnet. Nach einigem Pumpen zeigt das Manometer M einen Druck, welcher kleiner als 1 torr ist. Danach wird das Ventil Vx geschlossen und das Verfahren zur Energiegewinnung aus dem Behälter B! beginnt, sobald V3 und V2 offen sind.

Das Verfahren zur Entnahme von Energie ist in Fig. 2 dargestellt, welche die p-T-Gleichgewichtskurve von Wasserdampf über einer Wasseroberfläche (Kurve A) und die entsprechenden Gleichgewichtskurven für hydratisiertes CaCI2 zeigt. Im Bereich links von den Gleichgewichtskurven der Hydrate wird Kristallwasser aufgenommen, und im Bereich rechts von der besprochenen Kurve wird Kristallwasser abge-5 geben. Das Diagramm in Fig. 2 zeigt, dass der Partialdruck des Wasserdampfes immer oberhalb aller CaCl2-Hydrate (H20, 2HzO, 4HaO und 6H20) bei allen Temperaturen kleiner ist als der Partialdruck des Wasserdampfes über einer Wasseroberfläche. Wenn die Behälter Bx und B2 miteinander ver-io bunden sind, verursacht der Druckunterschied zwischen ihnen, dass der Wasserdampf vom Behälter B2 zum Behälter Bj fliesst, wo er durch CaCl2 aufgenommen wird, und als Kristallwasser ein- bzw. angelagert, wonach nacheinander verschiedene Phasen von CaCl2-Hydrate entstehen, wobei durch 15 die exotherme Reaktion Wärme frei wird. Dies hat zur Folge, dass bei einem thermisch isolierten Behälter B: die Temperatur ansteigt. Falls z.B. die Temperatur im Behälter B2 auf t2 = 20°C konstant gehalten ist, indem Wärme (Q2) dem Behälter B2 von aussen zugeführt wird (um die zur Bildung von 2o Dampf erforderliche Energie zu liefern), ist der Partialdruck P2 = 18 torr im Behälter B2. Falls die Anfangstemperatur im Behälter B! tj = 30°C oder weniger ist, ist der Druckunterschied zwischen den Behältern B2 und Bt am Anfang des Reaktionsprozesses etwa 17 torr (vergleiche Fig. 2). Mit der 25 fortschreitenden Aufnahme von Wassermolekülen in CaCl2, erfolgen Übergänge zu verschiedenen Phasen des Hydrates, und zwar mit gleichzeitiger Zunahme der Temperatur im Behälter Br Dabei nimmt die Druckdifferenz zwischen den Behältern B1 und B2 stetig ab. Die freigesetzte Energie (Qx) 30 kann nun aus dem Behälter Bx abgeführt werden. Im thermo-dynamischen Gleichgewicht wird gerade so viel Wasserdampf pro Zeiteinheit in den Behälter Bx zugeführt, die einer entsprechenden freigesetzten Wärmemenge entspricht. Dieser Reaktionsprozess geht so lange vor sich bis alles CäCl2 in 35 CaCI2. 6HzO umgewandelt ist. Alsdann wird Wasser weiterhin in Überschuss aufgenommen, bis der Partialdruck des Wasserdampfes über der Lösung den Sättigungsdruck zu entsprechenden Temperatur des Behälters B2 erreicht. Der Dampfdruck im System sollte im wesentlichen durch Wasser-40 dampf bestimmt werden. Falls andere Gase anwesend wären, z.B. in Form von Luft, würden sie den Wasserdampfaustausch zwischen den Behältern B2 und Bj erschweren. Die Anwesenheit anderer Gase würde die Austauschgeschwindigkeit des thermochemischen Prozesses vermindern.

45 Dieser Prozess zur Wärmeerzeugung kann mit der Energiegewinnung bei einer Wärmepumpe verglichen werden. Er verläuft aber im Gegensatz zur Wärmepumpe ohne jegliche mechanische Energie ab.

Die Regenerierung oder Trocknung von CaCl2 im Behäl-50 ter B2 erfolgt bei einer Energiespeicherung. Die Wärmeenergie (Qj) wird dem Behälter Bx zugeführt, welcher eine Temperatur von z.B. + 100°C aufweist, während der Behälter B2 bei einer niedrigen Temperatur gehalten wird, z.B. +5°C bis + 10°C. Die Lösung von CaCl2. 6H20 weist einen hohen 55 Dampfdruck auf, so dass die Lösung kocht, während Wasserdampf freigesetzt und im Behälter B2 auskondensiert wird.

Die Trocknung von Salzen, wie CaCl2, lässt sich in der Praxis nicht leicht ausführen. Der Trocknungsprozess geht beim Gleichgewichtsübergang sehr langsam vor sich, so z.B.

60 CaCl2. 2H20 -> CaCl2. H20 + H20

Der Grund dafür ist, dass CaCl2. 2H20 nadeiförmige Kristalle im flüssigen CaCl2. 4H20 bildet, wobei das Abdampfen schrittweise schwieriger wird.

65 Ein geschlossenes System erlaubt Salze zu verwenden, welche bei ihrer Siedetemperatur unter atmosphärischem Druck unstabil sind, welche aber bei einer niedrigen Temperatur und niedrigem Druck getrocknet werden können. Mit

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Vorteil kann z.B. Na2S verwendet werden. Na2S . 9H20 war mit gutem Resultat gemäss der Niederdruckmethode bei + 100°C getrocknet worden. Na2S und seine Hydrate behalten ihre Kristallform während des ganzen thermochemischen Prozesses bei.

Der vorstehend beschriebene Prozess zur Energieentnahme und Energiespeicherung ist in der Praxis ausprobiert worden. Der hierzu verwendete Apparat entsprach im wesentlichen dem vorstehend beschriebenen. Während der Energieentnahme wird die freigesetzte Energie im Behälter Bj kalorimetrisch gemessen. Der Behälter Bx wurde in einer Thermosflasche mit Wasser eingebettet und es wurde die Zunahme der Temperatur dieses Wassers gemessen. Die dabei ermittelte Energie verglich man mit der theoretisch möglichen Zunahme.

Vorstehend wurde vorausgesetzt, dass der thermochemi-sche Prozess in einem geschlossenen System abläuft. Dies ist allerdings nicht absolut notwendig. Beim Trocknungsprozess kann es praktisch sein, die Wassermenge (einige m3), die im Behälter B2 kondensiert, schrittweise zu entfernen. Während der Entnahme von Energie aus dem Behälter Bj wird es dann notwendig sein, Wasser in flüssiger Form von aussen einzuspeisen. Die Entfernung und die Zuführung von Wasser wird derart durchgeführt, dass keine fremden Gase in das System eindringen können, falls es dennoch geschieht, sie mit Hilfe der Vakuumpumpe P schnell aus dem System entfernt werden können.

Die Energiespeichersubstanz Na2S liefert theoretisch eine freisetzbare Wärmeenergie von 6800 kJ/kg Salz, falls alls Phasenübergänge von Null bis zu 9H20 ausgenützt werden. Na2S + 4,5 H20 -> Na,S . 4,5 H20 liefert ungefähr die Hälfte dieser Menge an freier Energie.

Na2Se, LiCl, A1C13, Na2S04, NaOH und KOH sind theoretische Beispiele anderer Salze, welche gemäss der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. In der Praxis ist Na2S von grösster Bedeutung für die technischen Systeme.

Ein weiterer Vorteil der Niederdruckmethode ist, dass ein System dieser Art ohne äussere Einwirkung von Energieaufnahme (Ladung) auf Energieentnahme (Entladung) automatisch umschaltet, wenn es den jeweiligen Gleichgewichtszustand erreicht hat. So liegt z.B. der Gleichgewichtspunkt für CaCl2. H20 CaCl2 + H20 bei der Aufnahme und Freisetzung von Energie bei tj = +65°C, falls t2 = +5°C (siehe Fig. 2). Das vorliegende System arbeitet wie folgt: Falls die Temperatur tj im Behälter Bj höher als +65°C ist, wird Energie im Hydrat gespeichert, und zwar dadurch, dass Wasserdampf zum Behälter B2 übertragen wird. Falls der Behälter Bj gekühlt wird, d.h. tj ist kleiner als +65°C (und Wärmeenergie wird verbraucht), wird Wasserdampf von B2 zu Bx übertragen.

Infolgedessen wird Energie im Behälter Bj immer dann automatisch gespeichert, wenn sie verfügbar ist. Die Entnahme von Energie aus dem Behälter Bx erfolgt aber immer durch äussere Einwirkung auf den Behälter B2. Das beschriebene Verfahren kann z.B. beim Heizen eines Hauses, beim Warmwasseraufbereiten usw. angewendet werden. Im folgenden wird am Beispiel einer Energiespeicheranlage das erfin-dungsgemässe Verfahren beschrieben.

Die Energiespeichervorrichtung, wie sie Fig. 3 zeigt, enthält die folgenden Hauptkomponenten:

Speicher 21 mit einem Salz 23a (vorteilhaft Na2S) und eine Rohranlage 28 in Form eines Wärmetauschers. Die Energiespeisung im Speicher 21 erfolgt durch einen Sonnenkollektor 22. Diese kann jedoch auch beispielsweise durch ein elektrisches Heizelement im Speicher 21 erfolgen.

Sonnenkollektor 22 zur Umwandlung der einfallenden Strahlungsenergie 30 in Wärmeenergie, welche zur Energiespeicherung dem Speicher 21 zugeführt wird. Das Wärmetauschermedium ist eine Flüssigkeit, vorteilhafterweise kein

Wasser, besonders wenn die Flüssigkeit durch die Rohranlage 28 des Speichers 21 hindurchf Hessen soll. Ein Leck in der Rohranlage würde eine schnelle exothermische Reaktion nach sich ziehen. Der Druck im Speicher 21 würde unkontrolliert anwachsen, falls ein an Energie reiches Salz verwendet wird. Das Bezugszeichen 22 kann auch einen Wärmetauscher bezeichnen, welcher in einem Rauchgasabzug oder dergleichen angeordnet ist.

Wassertank 23, welcher mit einem System zur Einspei-sung von Wärmeenergie Qx versehen ist, welche für die Wasserverdampfung bei der Entladung des Speichers 21 erforderlich ist. Der Tank 23 kann mehr oder weniger tief in einem See eingetaucht werden oder er kann im Boden bis zu einer Tiefe eingegraben sein, wo er dem Frost nicht ausgesetzt ist, und er kann mit einem Wärmetauscher 29b verbunden sein, um Wärmeenergie der Luft, dem Boden oder dem Seewasser zu entnehmen. Im vorliegenden Beispiel wird angenommen, dass Wärmeenergie aus dem Boden mit Hilfe einer Bodenspirale 29 gewonnen wird.

Vakuumpumpe 24, welche zur Begrenzung des Druckes unterhalb von 0,5 torr bestimmt ist. Die Pumpe ist verbunden mit dem Speicher 21 über eine Leitung 34 mit einem Ventil Vj und einem Kondensator 25.

Kondensator 25 nützt die Wärmeenergie aus, welche den Wasserdampf aufweist, der dem Salz 23a im Speicher 21 entzogen wird.

Ein druckempfindliches Glied oder Manometer 26, welches die Vakuumpumpe 24 elektronisch betätigt und welches das Ventil Vi dann öffnet, wenn der Partialdruck unerwünschter Gase einen vorgegebenen Wert, d.h. einige torr, überschreitet.

Radiatoren 27a zur Beheizung eines Hauses, und Wärmeaustauscher 27b zur Erwärmung von Wasser. Sie nützen die Wärmeenergie Qt aus, welche dem Speicher 21 entnommen wird.

Um den Nutzungsgrad der Anlage wesentlich zu verbessern, wird vorteilhaft eine Wärmepumpe 20 vorgesehen, welche sich während des Ladens und Entladens des Speichers in Betrieb befindet.

In der schematischen Darstellung in Fig. 3 sind auch Leitungen für Wasserdampf 31, 32 dargestellt, mittels welcher der Speicher 21 an den Wassertank 23 und den Kondensator 25 angeschlossen ist. Durch die Leitung 33 wird das Kondensat aus dem Kondensator 25 in den Wassertank 23 zurückgeführt, so dass ein geschlossener Kreis 47 entsteht. Die Leitung 31 endet mit einem perforierten Rohr 55 im Speicher 21, mit dessen Hilfe der Speichersubstanz 23a Wasserdampf zugeführt wird.

Ein zweiter Kreis 48 ist durch den Sonnenkollektor 22, eine Windung 35 in der Wärmepumpe 20, eine Windung 28 im Speicher 21, die Radiatoren 27a und die Leitungen 37-41 gebildet, welche die genannten Komponenten untereinander verbinden. Von den zuletzt erwähnten Leitungen enthält eine eine Umwälzpumpe 42. Mit 50 wird ein Parallelleiter zu den Radiatoren 27a bezeichnet, und V4 V10 sind Ventile.

Die Energiespeicheranlage gemäss Fig. 3 enthält ferner einen Kreis 49, in welchem der Kondensator 25 und die Wärmepumpe 20 eingeschaltet sind. Dieser Kreis enthält Rohrwindungen 43 und 44, welche im Kondensator 25 bzw. in der Wärmepumpe 20 angeordnet sind, wobei diese Windungen durch Leitungen 45, 46 verbunden sind. Der Kreis 49 befindet sich im Betriebszustand, falls die Ventile V2 und V3 sich in der Lage A befinden.

Falls sich die Ventile V2, V3, V6 in der Lage UL befinden, ist die Rohranlage 28 an die Rohrwindung 44 der Wärmepumpe 20 angeschlossen, und zwar via Speiseleitung 45a und Entladeleitung 39a und eine Abzweigleitung 46a.

Es sind drei Muster für den Umlauf vorgesehen:

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Speicherung, welche durch A in den Lagen der Ventile bezeichnet ist.

Entladung bei einer niedrigen Temperatur des Salzes, welche durch UL in den Lagen der Ventile bezeichnet ist.

Entladung bei einer hohen Temperatur des Salzes, welche mit UH in den Lagen der Ventile bezeichnet ist.

Die Ventillagen von V8 sind mit A bezeichnet (Speisung) und U[tL (Entladung sowohl bei hohen als auch bei tiefen Temperaturen).

Bei der Ladung des Speichers 21 wird Wärmeenergie aus dem Kondensator 25 über die Rohrwindung 43 entnommen. Alle Ventile befinden sich in der Lage A (Speisung).

Bei der Entladung des Speichers 21 bei einer niedrigen Temperatur — falls eine höhere Temperatur für die Radiatoren 27a und Wassererhitzer 27b verlangt wird im Vergleich mit der Temperatur, welche im Medium erreichbar ist, das aus dem Speicher fliesst — ist die Wärmepumpe 20 zwischen den Speicher 21 und den wärmeverbrauchenden Einheiten geschaltet, zwischen den Radiatoren 27a und Wassererhitzer 27b, und zwar über synchronbetätigte Ventile V4 und V5, welche auch mit den Ventilen V2 und V3 synchron betätigt werden. Alle Ventile befinden sich in der Lage UL (Entladung bei einer niedrigen Temperatur).

Bei der Entladung des Speichers 21 bei einer hohen Temperatur — falls eine ausreichend hohe Temperatur der Substanz im Speicher erreicht worden ist — werden die Ventile V6 und V9 in die Lage UH (Entladung bei einer hohen Temperatur) verstellt.

Fig. 4 zeigt eine Vereinfachung des Systems nach Fig. 3 ohne die Wärmepumpe 20 und bedarf keiner näheren Beschreibung.

Das System nach Fig. 4 arbeitet wie folgt:

Bei der Ladung (Regenerierung) der Speichersubstanz im Speicher 21 wird die heisse Flüssigkeit aus dem Sonnenkollektor 22 durch einen Kreis hindurchgeleitet, welcher die Leitungen 37 und 45a, die Rohranlage 28, die Leitungen 39a und 39, wärmeverbrauchende Einheiten 27a und 27b, Umwälzpumpe 42 und die Leitung 41 enthält. Dampf, welcher durch Wärmezufuhr über die Rohranlage 28 im Speicher 21 freigesetzt wird, wird durch Leitungen 32 und 31 in den Kondensator 25 bzw. in den Wassertank 23 geführt und derart kondensiert, und zwar unter dem Einfluss der Rohrwindungen 25b und 29b. Die Flüssigkeit aus dem Kondensator 25 fliesst in den Wassertank 23 zurück.

Während der Entladung wird die heisse Flüssigkeit aus dem Speicher 21 in die Verbrauchereinheiten 27b und 27a durch einen Kreislauf geführt, welcher die Rohranlage 28, die Leitung 39a und 39, die Umwälzpumpe 42 und eine Leitung 45a enthält. In diesem Verfahren fördert der Speicher 21 Wärmeenergie aus dem Wassertank 23 dadurch, dass Wasser hierin verdampft und in den Speicher 21 eingespeist wird, und zwar durch die Leitungen 31, 33 und 32. Die zur Verdampfung von Wasser erforderliche Wärmeenergie wird dem Wasser zugeführt, und zwar durch die Rohranlage 29b aus einer Bodenspirale 29.

In Fig. 5, welche eine Abwandlung der Energiespeicheranlage nach Fig. 4 darstellt, sind im wesentlichen zwei Änderungen in bezug auf Fig. 4 durchgeführt worden. Die erste beruht darin, dass die Vakuumpumpe 24 an einen Abschnitt 51 der Leitung 32 zwischen dem Energiespeicher 21 und dem Behälter des Kondensators 25 angeschlossen ist. Die Ventile 54, 53 und 52 in Fig. 5 entsprechend dem Ventil Vx in den Fig. 1, 3 und 4 und den Ventilen V3 und V2 in Fig. 1. Die zweite Änderung beruht im wesentlichen darin, dass der Wassertank 23 und die Leitung 33 und der Kondensator 25 in einem einzigen Behälter 50 vereinigt sind. Zusätzlich ist hier dargestellt ein perforiertes Rohr 55, welches in den Speicher 21 hineinragt.

Das System nach Fig. 5 arbeitet im wesentlichen in derselben Weise, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 4 erläutert worden ist, abgesehen von der Tatsache, dass es in dem System nach Fig. 5 möglich ist, entweder den Behälter 50 oder s den Speicher 21 getrennt oder die beiden zusammen mit Hilfe der Vakuumpumpe zu evakuieren.

Die Kreisläufe zur Einspeisung von Wärmeenergie aus dem Sonnenkollektor in den Speicher beim Laden der Speichersubstanz und aus dem Speicher zu den Verbraucher-io einheiten beim Entladen der Speichersubstanz, sind dieselben, wie sie durch die Fig. 4 bereits beschrieben worden ist.

Während der Ladung wird der freigesetzte Dampf aus dem Speicher 21 durch das Rohr 55, die Leitung 32, das Ventil 53, die Leitung 51 und das Ventil 52 zum Behälter 50 ge-15 führt, welcher wie ein Kondensator wirksam ist. Die freigesetzte Wärmeenergie wird im Behälter 50 durch die Rohranlage 29b zur Bodenspirale 29 abgeführt.

Während der Entladung wird Wasser im Behälter 50 verdampft und durch das Ventil 52, die Leitung 51, das Ventil 20 53, die Leitung 32 und das Rohr 55 zum Speicher 21 geführt. Die zur Verdampfung erforderliche Wärmeenergie wird der Bodenspirale 29 durch die Rohranlage 29b entnommen. Die Vakuumpumpe 24 sowie die Ventile 54, 52 und 5.3 werden durch eine auf Druck ansprechende Vorrichtung 26 gesteuert. 25 Die Energiespeicheranlage nach Fig. 6 stimmt mit der Darstellung von Fig. 5 überein, mit der Ausnahme, dass der Wasserbehälter 50 mit einer Einlass- und Auslassleitung 61 und 58 für Wasser versehen ist, welche ein Unterbrecherventil 56 und 57 enthalten. Ferner ist eine Leitung 60 für die 30 Versorgung mit Luft vorgesehen, welche mit einem Unterbrecherventil 59 versehen ist, welches den Zu- und Abfluss von Wasser in bzw. aus dem Behälter 50 erleichtert.

Die Energiespeicheranlage nach Fig. 6 arbeitet in folgender Weise:

35 Die Ladung- und Entladungsprozesse des Speichers 21 gleichen denjenigen, wie sie mit den Fig. 4 und 5 dargelegt worden sind. Die Dampfübertragung zwischen dem Speicher 21 und dem Behälter 50 ist im wesentlichen dieselbe wie mit Fig. 5 dargelegt worden ist, allerdings mit einem Unterschied 40 bei der Entladung. Sobald das Wasserniveau im Behälter 50 bis zu einem bestimmten minimalen Wert gesunken ist, betätigt ein Pegelsensor (nicht dargestellt) Ventile und es wird wie folgt gepumpt:

Erstes Ventil 52 ist geschlossen, nachdem das Ventil 56 45 offen ist wird Wasser zum Behälter 50 aus der Wasserleitung zugeführt. Sobald der maximale Pegel erreicht wird, schlies-sen die Ventile 56 und 53. Nachdem die Vakuumpumpe 24 die Arbeit begonnen hat und die Ventile 52 und 54 offen sind, werden fremde Gase (Luft) mit Hilfe der Vakuumpumpe 24 so entfernt. Nach einer geeigneten Pumpzeit wird das Ventil 54 geschlossen, die Vakuumpumpe wird gestoppt und das Ventil 53 wird geöffnet. Das Ventil 57 wird während der Entladungsphase geschlossen gehalten.

Während der Ladung wird der Pegelsensor aktiviert, falls 55 der Wasserpegel im Behälter 50 bis zu einem vorgegebenen maximalen Wert ansteigt. Dann wird das Ventil 52 geschlossen und die Ventile 57 und 59 werden geöffnet. Wasser wird zum Ausguss geführt, und zwar durch das Ventil 57 und die Leitung 58, dies geschieht gleichzeitig mit der Einspeisung 60 von Luft unter atmosphärischem Druck in den Behälter 50 durch das Ventil 59 und die Leitung 60. Sobald das Wasser aus dem Behälter 50 entfernt worden ist, werden die Ventile 57, 59 und 53 geschlossen. Nachdem die Pumpe 24 zu arbeiten begann und nachdem die Ventile 54 und 52 offen sind, 65 wird die Luft aus dem Behälter 50 während einer geeigneten Pumpzeit entfernt. Nachdem das Ventil 54 geschlossen worden ist, wird die Pumpe 24 gestoppt und das Ventil 53 wird geöffnet.

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Wenn die Energiespeicheranlage gemäss den Fig. 3 bis 6 zur Beheizung eines Hauses dimensioniert werden soll, und zwar unter Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung und unter Verwendung von Sonnenenergie sowie einer niedrigen Wärmeenergie aus dem Boden, aus der Luft usw., sind folgende Bedingungen zu untersuchen.

Der Jahresverbrauch bei einer Villa mit ungefähr 150 m2 Wohnraum kann variieren zwischen ca. 30 000 bis 10 000 kWh (1.1.105MJ - 0,35 . 105MJ) in Abhängigkeit von der Wärmeisolation und von der mittleren Jahrestemperatur an der Stelle, wo sich die Villa befindet.

Nach den zur Verfügung stehenden Daten, erfordert diese Speicherung von re;'i thermischer Energie unter den oben voraugesetzten Bedingungen die folgenden Mengen von verschiedenen Substanzen:

776 Tonnen Stein, welcher von 20° bis zu 100°C erwärmt werden muss

332 Tonnen Eisen, welches von 20° bis zu 100°C erwärmt werden muss

108 Tonnen Wasser, welches von 20° bis zu 100°C erwärmt werden muss

224 Tonnen eines Salzhydratgemisches (schmilzt bei 13°C)

22 Tonnen Lithiumhydrid (schmilzt bei 675°C).

Die Aufnahme von Kristallisationswasser (beim H20 wird angenommen, dass es sich im Zustand von Dampf befindet) erfordert:

12 Tonnen CaCl2 (spezifisches Gewicht : 1) entspricht 9,2 Tonnen von MgCl2 (spezifisches Gewicht : 0,5), entsprechend etwa 18 m3, oder etwa 6 Tonnen von Na^, falls alle Phasenübergänge (O -» 9H20) ausgenützt werden, oder etwa 12 Tonnen von Na2S falls nur der Phasenübergang O -> 4,5 H20 ausgenützt wird.

Wie aus den vorstehenden Angaben ersichtlich wird, ergeben sich bei der Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung folgende Vorteile:

1. Eine wesentlich kleinere Masse an Speichersubstanz bei vorgegebener Energiespeicherkapazität (9mal weniger als bei der Verwendung von Wasser).

2. Erfordert bei einer Langzeitspeicherung von Wärmeenergie keine raumbeanspruchende teure Wärmeisolation.

Calciumchlorid, Magnesiumchlorid und Natriumsulfid sind ausserdem billige Substanzen.

Durch Verbindung von mehreren Energiespeichereinheiten wird es möglich, Temperaturen zu erreichen, welche höher sind als die Temperatur der Wärmequelle, beispielsweise 150°C bis 200°C. Jeder von diesen Speichern kann ein eigenes, bei einer bestimmten Temperatur arbeitendes, dampf erzeugendes und kondensierendes Gerät sein mit zugehörigem Wasserbehälter, wobei diese in Serie geschaltet sind und wobei durch diese ein immer wärmerer und wärmerer Wasserdampf von einer zur nächsten Stufe hindurchläuft. Ein Aufbau solcher Art ist in den Fig. 7 und 8 gezeigt, welche drei Speichereinheiten schematisch zeigen, welche in Serie geschaltet sind, wobei hier auch die Art und Weise der Entnahme der Wärmeenergie aus diesen und die Speicherung von Wärmeenergie in diesen gezeigt ist.

Die Speicher sind bezeichnet mit BS1, BS2 und BS3. Jede Speichereinheit enthält einen Behälter für die Speichersubstanz Sj, S2 und S3. Die Speicher sind angeschlossen an Mittel zur Kondensation und Erzeugung von Dampf, welche einen Flüssigkeitsbehälter BWl, BW2 und BW3 enthalten. Die Einheiten, welche BWl + BS1, Bw, + BS2 und BW3 + BS3 enthalten, sind mit I, II und III bezeichnet. T0, Tx und T3 stellen Wärmequellen oder Wärmesenken dar, welche die Temperaturen t0, tj und t3 aufweisen, wobei man bei diesen Temperaturen annimmt, dass sie im wesentlichen konstant sind. Es wird angenommen, dass die Temperatur tt höher als t0 und tiefer als t2 ist, welche ihrerseits kleiner als t3 ist. Pfeile V,

welche mit vollen Linien gezeichnet sind, zeigen die Richtung des Dampfflusses und die Pfeile Q, welche mit gestrichelten Linien gezeichnet sind, zeigen den Fluss von Wärme.

Während der Entladung sind die Behälter BS1 und BS2 an BW2 und BW3 thermal angeschlossen, und zwar vorteilhaft mit Hilfe von Wärmeaustauschern. Wärmeenergie Q0 wird von der Wärmequelle T0 zum Flüssigkeitsbehälter BWl des Akkumulators I übertragen, wo die Flüssigkeit verdampft wird. Der Dampf fliesst zum Substanzbehälter BS1, und zwar infolge des Druckunterschiedes zwischen BWl und BS1.

Falls der Dampf aus dem Flüssigkeitsbehälter BWl durch die Substanz St im Behälter BS1 absorbiert ist, wird Wärmeenergie Q12 bei einem Temperaturniveau tx freigesetzt, welche zum Flüssigkeitsbehälter BW2 übertragen wird, in welchem Flüssigkeit verdampft wird. Dampf fliesst zum Behälter BS2 als Folge des Druckunterschiedes zwischen BW2 und BS2.

Falls der Dampf aus dem Behälter BW2 durch die Substanz S2 absorbiert ist, wird Wärmeenergie Q23 bei einem Temperaturniveau t2 freigesetzt. Diese Energie wird zum Wasserbehälter BW3 übertragen, in welchem die Flüssigkeit verdampft wird. Der Dampf fliesst zum Substanzbehälter BW3, und zwar infolge des Druckunterschiedes zwischen BW3 und Bg3.

Wenn Dampf aus dem Behälter BW3 durch die Substanz im Behälter BS3 absorbiert ist, wird Wärmeenergie bei dem Temperaturniveau ungefähr t3 freigesetzt und zur Wärmesenke t3 übertragen, d.h. dass ein Wärmeverbraucher sich auf dem Temperaturniveau t3 befindet.

Während der Speicherung von Wärmeenergie sind die Wärmeverbindungen Q12 und Q23, BSj — BW2 und BS2 — BW3 unterbrochen.

Die Speicher BS1, BS2 und BS3 werden parallel mit Wärmeenergie Qjf aus der Wärmequelle ^ bei einem Temperaturniveau tj geladen. Dampf, welcher während des Lade- oder Speicherprozesses gebildet wird, kondensiert im Flüssigkeitsbehälter BWl, BW2 und BW3, welche an den jeweiligen Speicher BS1, BS2 und Bg3 angeschlossen sind, wobei die Wärmeenergie zu einer Wärmesenke auf einem Temperaturniveau t„ abgeleitet wird. Ein Teil der Energiemenge Qx wird als De-hydratationsenergie im Speicher gespeichert.

Als Vorbereitung zur Entnahme von Energie wird die Temperatur t0 auf tx in BW2 und auf t2 in BW3 erhöht.

Die entsprechende Wärmeenergie bei hoher Temperatur t3, z.B. 200°C, kann verwendet werden, um ein geeignetes Gas zu erwärmen, welches in einem Carnot'schen Zyklus die Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt, welche ihrerseits leicht in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Gleich wie bei der vorstehend beschriebenen Methode kann jeder m2 des Sonnenkollektors 1443 kWh/Jahr freisetzen, oder als im Mittel während des Jahres 170 W, wobei ein Sonnenkollektor mit 20 m2 im Mittel 3,4 kW liefert. Nur ein Teil davon kann in elektrische Energie umgewandelt werden. Ein Wärmeverlust, z.B., wird dadurch bewirkt, dass das Salz in jeder Speicherstufe geheizt werden muss, was ein Verlust an mechanisch anwendbarer Wärmeenergie von ca. 10% pro Stufe beinhaltet. Drei Stufen vermindern den Effekt auf etwa 2,4 kW. Im genannten Carnot'schen Zyklus wird maximal 20%, d.h. 0,48 kW, in mechanische Energie umgewandelt und der elektrische Generator liefert schlussendlich 0,4 kW ununterbrochen. Während des üblichen Verbrauchs von Elektrizität werden viel grössere Mengen, der Grössenord-nung von mehreren kW verbraucht, ohne Beschränkungen, welche durch das Speichersystem bewirkt werden. Die Wärmeenergie, welche dem Speicher entnommen worden ist und welche nicht in elektrische Energie umgewandelt worden ist, ist nicht verlorengegangen, weil sie zu Heizzwecken verwendet werden kann.

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7 Blätter Zeichnungen

Claims (12)

1. 629248

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie in einem Zweikammer-System und zur Entnahme von Wärmeenergie aus dem Zweikammer-System, dessen erste Kammer eine Substanz enthält, die bei der Speicherung von Energie Wasser abgibt und bei der Entnahme von Energie Wasser chemisch bindet, und dessen zweite Kammer, die mit der ersten Kammer in Verbindung steht, Wasser enthält, dadurch gekennzeichnet, dass man als die genannte Substanz eine Substanz, die in kristallwasserfreiem Zustand und in allen bei dieser Substanz möglichen Hydratisierungsstufen auch nach wiederholten Energiespeicherungen und -entnahmen bei den bei der Energiespeicherung angewandten Temperaturen in kristallinem Zustand in gasdurchlässiger Form verbleibt, verwendet.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Energie speichernde Substanz Na2S verwendet.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im System im wesentlichen von dem Druck des Wasserdampfes dargestellt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Energiespeicherung Wärme von einem Sonnenkollektor (22) der Substanz (23a) zugeführt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in der zweiten Kammer (25, 23, 31-33; 50) im wesentlichen konstant gehalten wird, wobei die zweite Kammer mittels eines Wärmeübertragungsfluids an eine Zone mit im wesentlichen konstanter Temperatur gekuppelt ist, welches Übertragungsfluid durch die Zone und die zweite Kammer im Umlauf gehalten wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei mehr oder weniger geladenen Akkumulator-Systemen mit jeweils einer eigenen, im Bezug auf ihre zugehörige erste Kammer (21) niedrig temperierten zweiten Kammer bei der Entladung in Reihe miteinander gekuppelt werden, wobei Wärmeenergie von der zweiten Kammer des ersten Systems, die eine niedrige Temperatur hat, mittels der Substanz in der ersten Kammer des ersten Systems an die zweite Kammer des zweiten Systems gepumpt wird, welche zweite Kammer auf einem höheren Temperaturniveau gehalten wird als die des ersten Systems, und dass diese Verfahrenschritte entsprechend der Anzahl der Akkumulatoren fortgesetzt werden.
7. 7. Energiespeicheranlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Zweikammer-System, dessen erste Kammer eine Substanz enthält, die bei der Speicherung von Energie Wasser abgibt und bei der Entnahme von Energie Wasser chemisch bindet, und dessen andere Kammer, die mit der ersten Kammer in Verbindung steht, Wasser enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kammer (21) eine Substanz, die in kristallwasserfreiem Zustand und in allen bei dieser Substanz möglichen Hydratisierungsstufen auch nach wiederholten Energiespeicherungen und -entnahmen bei den bei der Energiespeicherung angewandten Temperaturen in kristallinem Zustand in gasdurchlässiger Form verbleibt, als Energiespeicherungssubstanz enthält.
8. 8. Speicheranlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie speichernde Substanz Na2S ist.
9. 9. Speicheranlage nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen zur ersten Kammer gekuppelten Sonnenenergiekollektor (22), der zur Zuführung von Wärme zu der Substanz (23a) angeordnet ist und der vorzugsweise in einem Kreislauf für ein insbesondere flüssiges Wärmeübertragungs-fluid eingeschaltet ist, der eine Wärmeübertragungswindung (28) umfasst, die in der Substanz (23a) eingebettet ist.
10. 10. Speicheranlage nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vakuumpumpe (24) umfasst, die mit der ersten (21) und/oder der zweiten (23; 50) Kammer mit Hilfe von Leitungen (34; 51, 32), die mit einem Absperrventil (Vjj 52-54) versehen ist, verbindbar ist.
11. 11. Speicheranlage nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (55) zur Verteilung des Wasserdampfs auf verschiedene Bereiche der in der ersten Kammer enthaltenen Substanz (23a) bei der Entnahme von Energie vorgesehen ist.
12. 12. Speicheranlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kammer (50) mit Mitteln (57, 58) zum Entfernen von Kondensat bei der Speicherung von Energie sowie auch mit Mitteln (56, 61) zur Zufuhr von Wasser zu der zweiten Kammer (50) bei der Entnahme von Energie versehen ist.