CH707324A1 - Verfahren zum Erzeugen eines Stroms von Wärme transportierendem Fluid und Wärmespeicher für das Verfahren. - Google Patents

Abstract

Das erfindungsgemässe Verfahren sieht vor, in einem Vorwärmtemperaturbereich vorgeheiztes Wärme speicherndes Fluid durch einen Latentwärmespeicher zu leiten, dessen PCM (Phase Change Material) sich auf seiner Schmelztemperatur befindet, so dass das Fluid dem Wärmespeicher unabhängig von der Vorwärmtemperatur auf der Schmelztemperatur und damit mit konstanter Temperatur entnommen werden kann. Der erfindungsgemässe Wärmespeicher besitzt einen Hauptwärmespeicher (15, 22) und einen Latentwärmespeicher (16), die für den Durchfluss eines Wärme transportierenden Fluids durch eine Anordnung zur Durchleitung des Fluids durch den Wärmespeicher (5, 20) in Serie geschaltet sind, wobei die Durchleitungsanordnung für einen Betriebsmodus entladen ausgebildet ist, in dem der Latentwärmespeicher (16) am Ausgang des Wärmespeichers (5, 20) liegt, derart, dass dann aus diesem nach aussen abgegebenes Fluid die aktuelle Temperatur eines im Latentwärmespeicher (16) vorgesehenen PCM aufweist.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Stroms von Wärme transportierendem Fluid aus einem Wärmespeicher und einen Wärmespeicher zur Ausführung dieses Verfahrens.

[0002] Wärmespeicher finden unter anderem in Kraftwerken Verwendung, insbesondere in Solarkraftwerken, aber auch in kleineren Einheiten wie Solaranlagen für ein Haus.

[0003] Insbesondere bei der Erzeugung von Wärme durch Solarenergie hängt aber die aktuell erzeugte Wärmemenge von den Witterungsbedingungen (und natürlich von der Tageszeit) ab, wobei die Schwankungen über Tag witterungsbedingt sehr gross sein können. Häufige Witterungsschwankungen oder Schlechtwetterperioden bringen Ausfälle an Wärmeproduktion mit sich, die so gravierend sein können, dass die Produktion von solarer Wärme wetterbedingt an Standorten nicht in Frage kommt, die sonst von der Sonneneinstrahlung her nicht zum Vornherein ausgeschlossen werden müssten.

[0004] In Solarthermischen Kraftwerken wird die Strahlung der Sonne durch Kollektoren mit Hilfe des Konzentrators gespiegelt und gezielt auf einen Ort fokussiert, in welchem dadurch hohe Temperaturen entstehen. Die konzentrierte Wärme kann abgeführt und beispielsweise zum Betrieb von thermischen Kraftmaschinen wie Turbinen verwendet werden, die wiederum die Strom erzeugenden Generatoren antreiben.

[0005] Heute sind drei Grundformen von solarthermischen Kraftwerken im Einsatz: Dish-Sterling-Systeme, Solarturmkraftwerkssysteme und Parabolrinnensysteme.

[0006] Dish-Sterling-Systeme sind mit Paraboloidspiegeln ausgerüstet, die das Sonnenlicht auf einen Brennpunkt konzentrieren, wo ein Wärmeempfänger angeordnet ist. An dieser Stelle sei auf die in US-PS 4 543 945 dargestellten Ausführungsformen und die installierten Anlagen Distal und Eurodish der EU in Spanien verwiesen.

[0007] Solarturmkraftwerksysteme besitzen einen zentralen, erhöht (auf dem «Turm») montierten Absorber für das durch hunderte bis tausende von einzelnen Spiegeln mit zu ihm gespiegelte Sonnenlicht, womit die Strahlungsenergie der Sonne über die vielen Spiegel bzw. Konzentratoren im Absorber konzentriert und so Temperaturen bis zu 1300 °C erreicht werden, was für den Wirkungsgrad der nachgeschalteten thermischen Maschinen (in der Regel ein Dampf- oder Fluidturbinenkraftwerk zur Stromerzeugung) günstig ist. Die Anlage «Solar two» in Kalifornien besitzt eine Leistung von mehreren MW.

[0008] Parabolrinnenkraftwerke besitzen Kollektoren in hoher Anzahl, die lange Konzentratoren mit geringer Querabmessung aufweisen, und damit nicht einen Brennpunkt, sondern eine Brennlinie besitzen. Diese Linienkonzentratoren besitzen heute eine Länge von 20 m bis zu 150 m. In der Brennlinie verläuft ein Absorberrohr für die konzentrierte Wärme (bis gegen 500 °C oder mehr, angestrebt sind heute Temperaturen von 600 °C bis 700 °C), das diese zum Kraftwerk transportiert. Als Wärme transportierendes Fluid kommt beispielsweise Thermoöl oder überhitzter Wasserdampf in Frage.

[0009] Die 9 SEGS-Parabolrinnen-Kraftwerke in Südkalifornien produzieren zusammen eine Leistung von ca. 350 MW. Das 2007 ans Netz gegangene Kraftwerk «Nevada Solar One» besitzt Rinnenkollektoren mit 182 400 gekrümmten Spiegeln, die auf einer Fläche von 140 Hektar angeordnet sind und produziert 65 MW.

[0010] Ein weiteres Beispiel für Parabolrinnenkraftwerke sind Andasol 1 bis 3 in Andalusien, mit einer Konzentratorfläche von je 510 000 m<2>und je 50 MW Leistung, wobei die Temperatur in den Absorberrohren bei ca. 400 °C liegt.

[0011] Es ergibt sich, dass ein sehr breites Bedürfnis für die Speicherung von Wärme besteht:

[0012] Einerseits für die verschiedensten Wärmemengen von einzelnen kleinen Systemen wie z.B. Dish-Sterling Systemen bis hin zu im industriellen Massstab produzierter Wärme von Kraftwerken wie Andasol.

[0013] Andererseits soll die Speicherung nur kurzzeitig stattfinden (Beschattung, Wartungsarbeiten, Wind etc.), dann mittelfristig, beispielsweise für den Gebrauch in der Nacht oder längerfristig während einer Schlecht-Wetterperiode.

[0014] Schliesslich soll Wärme schon bei vergleichsweise niedriger, aber bevorzugt möglichst hoher Temperatur gespeichert und aus dem Speicher wieder abgegeben werden können, da hohe Temperaturen bei der Umwandlung in eine andere Energieform (beispielsweise Strom) für einen hohen Wirkungsgrad notwendig sind. Damit sind die Verluste bei der Wärmespeicherung nicht nur von der Isolation während der Speicherdauer und damit vom Temperaturabfall, sondern auch von der Temperatur der aus dem Speicher entnommenen Wärme bestimmt. Wie oben erwähnt, kann die im Konzentrator eines Parabolrinnenkraftwerks erzeugte Wärme 500 Grad erreichen, wobei durch die weitere Entwicklung noch höhere Temperaturen angestrebt werden, beispielsweise 600 °C oder 650 °C. Da in Turmkraftwerken Temperaturen von über 1000 °C realisierbar sind, ist die Speicherung von Wärme in solchen Temperaturbereichen ebenfalls aktuell.

[0015] Für einen hohen Wirkungsgrad bei der nachfolgenden Umwandlung der Wärmeenergie ist auch wünschenswert, dass die aus dem Speicher entnommene Wärme über die Zeit eine konstante Temperatur aufweist, was erlaubt, den nachgeschalteten Prozess (wie beispielsweise die Stromerzeugung durch einen Rankine-Prozess oder bei chemischen Prozessen) bei der Umwandlung der Wärme besser und effizienter auszulegen.

[0016] Latentwärmespeicher benutzen ein Wärme-Speichermedium, das PCM’s (Phase Change Material) enthält und das beim Lade- und Entladevorgang den Aggregatzustand ändert, wobei beim Wechsel des Aggregatzustands beträchtlich grössere Wärmemengen geladen oder entladen werden können, als dies durch die blosse Temperaturveränderung des Wärme-Speichermediums der Fall ist. Latentwärmespeicher wären also grundsätzlich geeignet, Wärme gleichmässig mit einer Temperatur abzugeben, die der Schmelztemperatur des PCM entspricht. Trotz verschiedener Versuche ist es bis heute aber nicht gelungen, einen Latentwärmespeicher für den industriellen Einsatz d.h. für Produktion mit vertretbaren Kosten bereitzustellen.

[0017] Nachteilig ist die komplizierte und aufwendige Konstruktion solcher Latentwärmespeicher, beispielsweise im Hinblick auf die grosse Temperaturdifferenz zwischen dem notwendigerweise auf seiner Schmelztemperatur gehaltenen PCM und dem zuzuführenden Wärme transportierenden Fluid, das im Latentwärmespeicher erhitzt werden soll. Beispielsweise bei Rinnenkraftwerken beträgt die Temperatur des PCM notwendigerweise über 500 °C, bis zu 650 °C oder sogar mehr, während die Eingangstemperatur des Wärme transportierenden Fluids in den Wärmespeicher aber nur im Bereich von 80 °C oder 100 °C liegt, was konstruktiv anspruchsvoll ist. Ein weiterer Nachteil besteht während des Betriebs eines Latentwärmespeichers im Hinblick auf den Wärmetransport im PCM selbst. Während der fortschreitenden Umwandlung des Aggregatzustands (fest /flüssig) verschieben sich die Phasengrenzen im PCM laufend, so dass sich damit die Zonen mit verschieden schnellem Wärmetransport im PCM ständig verändern, mit der Folge, dass der Wärmestrom zum durchgeleiteten, Wärme transportierenden Fluid nicht immer im erwünschten Mass gleichförmig ist.

[0018] Sensible Wärmespeicher ändern den Aggregatzustand während der Beladung oder Entladung nicht, sondern heizen sich auf und kühlen sich ab, je nachdem der Speicher beladen oder entladen wird. Sensible Wärmespeicher besitzen den Vorteil der einfachen Konstruktion und sind günstig auch im industriellen Massstab herzustellen, unter anderem wenn das Wärme-Speichermedium ein aus Steinen bestehendes Schüttgut ist, also beispielsweise aus Kies besteht.

[0019] Eine Füllung aus Kies (oder einem anderen geeigneten Material wie Keramik, wobei nachstehend der Einfachheit halber auf Kies Bezug genommen wird) besitzt eine vergleichsweise grosse Wärmekapazität und kann von einem Wärme transportierenden Fluid durchströmt werden, da die Zwischenräume zwischen den einzelnen Steinen genügend zusammenhängen und eine gleichmässige Durchströmung über den ganzen Querschnitt der Kiesfüllung erlauben. Durch ein heisses Fluid wird die Kiesfüllung erwärmt, die dann später ihrerseits die Wärme wieder an ein kühleres Fluid abgeben kann. Im Ganzen sind Wärmespeicher mit einem Wärme speichernden Schüttgut geeignet, durch Sonnenenergie erzeugte Wärme zu speichern.

[0020] Nachteilig ist sensiblen Wärmespeichern jedoch, dass die Ausgangstemperatur des Wärme transportierenden Fluids während der Entladung stets abnimmt, so dass die nachgeschalteten Maschinen für den Betrieb in einem Temperaturfenster eingerichtet sein müssen.

[0021] Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen konstruktiv vereinfachten, günstigen Wärmespeicher für auch den industriellen Einsatz bereitzustellen, der bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur entladen werden kann.

[0022] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder durch einen Wärmespeicher mit den Merkmalen von Anspruch 11 gelöst.

[0023] Dadurch, dass das Wärme transportierende Fluid vor dem Latentwärmespeicher auf eine Vorwärmtemperatur vorgeheizt wird, kann es durch eine beliebige Wärmequelle wie beispielsweise einen sensiblen Wärmespeicher einfach und kostengünstig bis nahe zur Schmelztemperatur des PCM des Latentwärmespeichers vorerwärmt werden, so dass die Hauptlast der Wärmespeicherung einfach und günstig vorgenommen werden kann.

[0024] Dadurch, dass anschliessend das so vorgeheizte Wärme speichernde Fluid durch einen Latentwärmespeicher geleitet wird, kann es unter der konstant bleibenden Schmelztemperatur entnommen werden, auch wenn dessen Eingangstemperatur in den Latentwärmespeicher über die Zeit ändert, beispielsweise durch die Abkühlung eines vorgeschalteten sensiblen Wärmespeichers abfällt.

[0025] Dadurch, dass das Wärme transportierende Fluid in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor dem Latentwärmespeicher einen Hauptwärmespeicher durchläuft, kann die Vorerwärmung bis nahe an die Schmelztemperatur erfolgen, so dass der Latentwärmespeicher konstruktiv vereinfacht auf nur vergleichsweise kleine Wärmemengen und kleine Temperaturdifferenzen hin ausgelegt werden muss.

[0026] Über die gestellte Aufgabe hinaus grenzt der Vorwärmtemperaturbereich bevorzugt an die Schmelztemperatur des PCM an, was erlaubt, einen maximalen Anteil der zu speichernden Wärmemenge günstig im Hauptwärmespeicher zu speichern und im Latentwärmespeicher nur denjenigen kleinen Anteil, der notwendig ist, um in einem Entladezyklus den aktuellen Temperaturabfall zu kompensieren.

[0027] Weitere bevorzugte Ausführungsformen weisen die Merkmale der abhängigen Ansprüche auf.

[0028] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren noch etwas näher beschrieben. Es zeigt: <tb>Fig. 1<SEP>schematisch eine erfindungsgemässe Anordnung am Beispiel eines Solarkraftwerks, <tb>Fig. 2<SEP>ein Diagramm mit dem Temperaturverlauf im Hauptwärmespeicher und dem Latentwärmespeicher über eine Entladedauer von hier 16 Stunden, und <tb>Fig. 3<SEP>schematisch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Wärmespeichers mit einem Hauptwärmespeicher, der Schüttgut als Wärme speicherndes Medium aufweist.

[0029] Fig. 1 zeigt ein Schema eines Solarkraftwerks 1 mit hier einem Feld 2 von durch die Sonne bestrahlten Sonnenkollektoren und einem Maschinenhaus 3, das hier zur Stromerzeugung mit einem System von Turbinen T und Generatoren G ausgerüstet ist, so dass Strom über Stromleitungen 4 abgegeben werden kann. Ein Wärmespeicher 5 speichert Wärme, die bezogen werden kann, wenn das Solarfeld 2 nicht genügend Wärme für den jeweils aktuell im Maschinenhaus 3 bestehenden Bedarf liefert.

[0030] Der Vollständigkeit halber sei hier wiederholt, dass die Wärme grundsätzlich durch eine beliebige Wärmequelle erzeugt werden, und auch der Wärmespeicher für verschiedenste Speichertemperaturen ausgelegt sein kann, was vom Gebrauch der Wärme für den kleinen Bedarf bei vergleichsweise tiefen Temperaturen bis hin zur industriellen Grossproduktion bei hohen Temperaturen reichen kann. Hohe Temperaturen sind solche über 1000 °C oder sogar über 2000 °C, wie sie beispielsweise im Solar-Turmkraftwerk oder bei speziellen Parabolspiegeln für höchste Temperaturen beispielsweise gemäss WO 2011/072 410 erreicht werden.

[0031] Ebenso sei wiederholt, dass die gespeicherte Wärme nicht notwendigerweise der Stromerzeugung dienen muss, sondern beliebig z.B. auch in der chemischen Industrie (Verfahrenstechnik) eingesetzt werden kann, nämlich erfindungsgemäss dort, wo der Abruf von gespeicherter Wärme unter im Wesentlichen konstanter Temperatur nachgefragt wird.

[0032] Üblicherweise wird die im Solarfeld 2 erzeugte Wärme über ein Wärme transportierendes fluid vom Solarfeld 2 weggeführt. Ein Leitungssystem 6 für das Wärme transportierende Fluid (das im Folgenden als «Fluid» bezeichnet wird) stellt einerseits eine direkte Verbindung her vom Solarfeld 2 zum Maschinenhaus 3, die zur Entlastung der Figur nur durch den Doppelpfeil 7 symbolisiert ist, und andererseits vom Solarfeld 2 zum Wärmespeicher 5 und von diesem wieder zum Maschinenhaus 3. Damit kann über eine erste Leitung 10 des Leitungssystems 6 vom Solarfeld 2 erwärmtes Fluid zum Wärmespeicher 5 und das in diesem abgekühlte Fluid über eine zweite Leitung 11 in das Solarfeld 2 zurückgeführt werden. Weiter kann über eine dritte Leitung 12 durch den Wärmespeicher 5 erwärmtes Fluid zum Maschinenhaus 3 und über eine vierte Leitung 13 abgekühlt zum Wärmespeicher 5 zurückgeführt werden.

[0033] Der Wärmespeicher 5 besitzt einen Hauptwärmespeicher 15, einen Latentwärmespeicher 16 und eine geeignete Fluidleitungen aufweisende Anordnung zur Durchleitung des Fluids durch ihn hindurch, wobei die Durchleitungsanordnung einen Ladezweig 17 für einen Fluidkreislauf mit dem Solarfeld 2 und einen Entladezweig 18 für einen Fluidkreislauf mit dem Maschinenhaus 3 aufweist. Beide Zweige 17,18 sind auf geeignete Weise mit den jeweiligen ersten bis vierten Leitungen 10 bis 13 zum Solarfeld 2 bzw. Maschinenhaus 3 verbunden. Beide Zweige 17,18 schalten den Hauptwärmespeicher 15 mit dem Latentwärmespeicher 16 in Serie, jedoch im Gegenstrom, wobei der Ladezweig 17 in Stromrichtung gesehen zuerst in den Latentwärmespeicher 16 und der Entladezweig 18 zuerst in den Hauptwärmespeicher 15 mündet.

[0034] Im Betriebsmodus laden wird entsprechend der Wärmespeicher 5 über den Ladezweig 17 und im Betriebsmodus entladen über den Entladezweig 18 betrieben.

[0035] Der Hauptwärmespeicher 15 gibt während der Entladung die Wärme mit in einem Temperaturfenster wechselnder Temperatur ab, wie dies beispielsweise bei einem sensiblen Wärmespeicher der Fall ist, der sich mit fortschreitender Entladung abkühlt. Dieses Temperaturfenster entspricht im Modus entladen einem Vorwärmtemperaturbereich für das Fluid, welches somit auf Grund der Serieschaltung des Hauptwärmespeichers 15 mit dem Latentwärmespeicher 16 vorgewärmt in diesen gelangt. Bevorzugt ist der Hauptwärmespeicher 15 gemäss der WO 2012/027 854 ausgebildet und besitzt ein aus einem Schüttgut bestehendes Wärme speichernden Material (s. dazu auch die Beschreibung zu Fig. 2 ).

[0036] Der Latentwärmespeicher 16 weist als Wärme speicherndes Material ein PCM (Phase Change Material, s. oben) auf, das beispielsweise im Modus laden vom festen in den flüssigen oder im Modus entladen vom flüssigen in den festen Zustand übergeht und dabei hohe Wärmemengen umsetzt, aber seine Temperatur nicht ändert, da der Prozess auf der Schmelztemperatur des PCM abläuft. Das im Modus entladen durch den Hauptwärmespeicher 15 in einem Temperaturfenster vorerwärmte Fluid kann also im Latentwärmespeicher 16 während dem ganzen Entladezyklus auf die Schmelztemperatur des PCM nachgewärmt und damit diesem stets mit der gleichen Temperatur wieder entnommen werden. In der gezeigten, bevorzugten Anordnung kompensiert der Latentwärmespeicher 16 somit laufend den im (hier: sensiblen) Hauptwärmespeicher 15 unvermeidlich während der Entladung auftretenden Temperaturabfall, und wird bevorzugt auch nur zu diesem Zweck vorgesehen. Im Ergebnis wird die Wärme überwiegend im Hauptwärmespeicher 15 gespeichert und im Modus entladen durch den Latentwärmespeicher 16 mit konstanter Temperatur abgegeben.

[0037] Verschiedentlich wird es im konkreten Fall und je nach der konkreten Auslegung des Solarkraftwerks kaum zu vermeiden sein, dass die theoretisch genau zu bestimmenden Temperaturen gewollt oder ungewollt im Betrieb tatsächlich etwas abweichen, beispielsweise durch lokale Überhitzung oder lokale Unterkühlung in den Wärme speichernden Medien bzw. den im Wärmespeicher 5 vorgesehenen Wärmetauschern zwischen den Wärme speichernden Medien und dem Fluid. Im Hinblick auf die vorliegende Erfindung ist dies aber nicht wesentlich und vermindert die erfindungsgemässen Vorteile nicht.

[0038] Zusammenfassend besteht das erfindungsgemässe Verfahren darin, ein Verfahren zum Erzeugen eines Stroms von Wärme transportierendem Fluid von im Wesentlichen konstanter Temperatur aus einem Wärmespeicher 5 bereit zu stellen, wobei das Wärme speichernde Fluid auf einen Vorwärmtemperaturbereich vorgeheizt und danach in einen Latentwärmespeicher 16 mit sich wenigstens auf Schmelztemperatur befindendem PCM geleitet wird, dem es nach seiner weiteren Erwärmung auf wenigstens die Schmelztemperatur des PCM wieder entnommen wird.

[0039] Ein Wärmespeicher zur Ausführung dieses Verfahrens besitzt erfindungsgemäss einen Hauptwärmespeicher und einen Latentwärmespeicher, die für den Durchfluss eines Wärme transportierenden Fluids durch eine Anordnung zur Durchleitung des Fluids in Serie geschaltet sind, wobei diese für einen Betriebsmodus entladen ausgebildet ist, in dem der Latentwärmespeicher am Ausgang des Wärmespeichers liegt, derart, dass dann aus dem Wärmespeicher nach aussen abgegebenes Fluid die aktuelle Temperatur eines im Latentwärmespeichers vorgesehenen PCM aufweist.

[0040] Fig. 2 zeigt in einem Diagramm den Temperaturverlauf des Fluids im Entladezweig 18 während einem 16 Stunden dauernden Entladezyklus des Wärmespeichers 5. Eine bevorzugte Ausführungsform solch eines Wärmespeichers ist unten in Zusammenhang mit Fig. 3 detaillierter beschrieben. Ein Wärmevorrat für 16 Stunden ist gerade bei einem Solarkraftwerk wünschenswert, wenn die Energieversorgung für 24 h am Tag sichergestellt sein soll.

[0041] Die Kurve A zeigt den Temperaturverlauf im Entladezweig 18 hinter dem Hauptwärmespeicher 15, die Kurve B den Temperaturverlauf hinter dem Latentwärmespeicher 16, also der Temperatur, mit der das Fluid über die dritte Leitung 12 in das Maschinenhaus 3 (oder zu einem anderen Verbraucher) gelangt.

[0042] Die Kurven A und B sind das Resultat von Simulationsrechnungen der Anmelderin, wobei das Solarfeld mit Kollektoren gemäss der WO 2010/037 243 und einem Wärmespeicher gemäss der WO 2012/027 854 (s. oben) ausgebildet sind. Als PCM dient LiF(46) + NaF(44) + MgF2(10), mit einer (theoretischen) Schmelztemperatur von 632 °C und einer Wärmekapazität von 858 kJ/kg bei einer Dichte von 2610 kg/m<3>. Natürlich kann der Fachmann auch ein anderes geeignetes PCM vorsehen, insbesondere wenn im konkreten Fall eine andere Schmelztemperatur gewünscht ist.

[0043] Für die konkrete Rechnung wurde in der Simulation unterstellt, dass der Latentwärmespeicher 16 bei der Beladung leicht überhitzt worden ist, also zu einer die Schmelztemperatur von 632 °C etwas übersteigende Temperatur geladen worden ist. Der Hauptwärmespeicher 15 wurde auf eine Temperatur von etwa 632 °C geladen, die der Schmelztemperatur entspricht.

[0044] Zu unterscheiden sind somit während der Entladung in zeitlicher Hinsicht die Phasen I und II, wobei die Phase II nach gegen 2 Stunden beginnt und zuerst erläutert werden soll. Zu Beginn der Phase II wird das Fluid durch den sensiblen Hauptwärmespeicher 15 auf die Schmelztemperatur des PCM erwärmt, so dass das Fluid den Latentwärmespeicher ohne Wärmetausch mit dem PCM durchströmt. Durch die andauernde Entnahme von Wärme fällt die Temperatur des sensiblen Hauptwärmespeichers 15, und damit die Eingangstemperatur des Fluids in den Latentwärmespeicher 16, dessen Temperatur nach wie vor der Schmelztemperatur seines PCM von 632 °C entspricht. Damit findet ein Wärmetausch statt zwischen dem kühleren Fluid und dem PCM, solange, bis das Fluid die Schmelztemperatur besitzt und aus dem Wärmespeicher 5 abgeführt werden kann. Nach dem Ablauf von insgesamt 16 Stunden ist die Temperatur des sensiblen Hauptwärmespeichers auf unter 600 °C gefallen, die Temperatur des Fluids nach dem Wärmespeicher 5 jedoch stets im Bereich von 632 °C geblieben.

[0045] Zur Beladung des Wärmespeichers 5 wird das durch das Kollektorfeld 2 erwärmte Fluid durch den Ladezweig 17 zuerst durch den Latentwärmespeicher 16 und dann in den Hauptwärmespeicher 15 geführt.

[0046] Soll der Hauptwärmespeicher 15 innert nützlicher Frist bis auf die Schmelztemperatur (632 °C) beladen werden, muss das Fluid diesem mit einer etwas höheren Temperatur von beispielsweise 640 °C oder mehr zugeführt werden, so dass eine Temperaturdifferenz für schnelleren Wärmeübergang vom Fluid in den Speicher besteht. Wegen der Serieschaltung durchströmt dann das Fluid mit dieser höheren Temperatur zuerst den Latentwärmespeicher 16, der dann wegen seiner vergleichsweise geringen Wärmekapazität etwas überhitzen kann, bis der Hauptwärmespeicher 15 vollständig geladen ist. Bei der vorliegend angenommenen, bevorzugten Auslegung erwärmt sich das PCM des Latentwärmespeichers 16 nach seiner Schmelztemperatur von 632 °C sensibel weiter auf hier insgesamt 640 °C.

[0047] Aus diesem Grund liegt deshalb die Ausgangstemperatur in Phase 1 des Entladezyklus, d.h. ab Beginn der Entladung bis gegen ca. 2 Stunden, etwas über der Schmelztemperatur. In diesem Zeitraum kühlt der Latentwärmespeicher sensibel auf seine Schmelztemperatur herunter. Danach gibt der Latentwärmespeicher 16 Wärme latent ab, bis der Entladezyklus beendet ist. Dies schadet im Hinblick auf das mit konstanter Temperatur abzugebende Fluid nicht, da während der Phase I leicht hinter dem Wärmespeicher nach Bedarf etwas kaltes Fluid zugemischt werden kann. Alternativ ist es auch möglich, Phase I zu vermeiden, indem im Modus beladen der Latentwärmespeicher durch einen Bypass im Ladezweig 17 umgangen wird, sobald das PCM beginnt, sich sensibel über die Schmelztemperatur hinaus aufzuwärmen. Hier sei angefügt, dass auch eine geringe lokale Überhitzung des PCM erwünscht sein kann, um mit Sicherheit das gesamte PCM, d.h. auch an lokal unterkühlten Stellen, mit Wärme auf Schmelztemperatur gesättigt zu haben.

[0048] Entsprechend wird während dem gesamten Entladezyklus gemäss während der Phasen I und II das Fluid auf wenigstens die Schmelztemperatur des PCM erwärmt.

[0049] Im Modus laden kann wenigstens der Latentwärmespeicher sensibel über die Schmelztemperatur hinaus geladen und dieser dann beim Entladen zuerst sensibel auf die Schmelztemperatur entladen und dann latent auf dieser weiter entladen werden.

[0050] Bei der in der Fig. 2 gezeigten Auslegung des Solarkraftwerks findet also in Phase I durch den Latentwärmespeicher 16 keine weitere Erwärmung des Fluids statt. Wie erwähnt kann alternativ eine Überhitzung des PCM im Latentwärmespeicher 16 während der Beladung entfallen, so dass dann während des gesamten Entladezyklus des Wärmespeichers die Nacherwärmung des Fluids auf die Schmelztemperatur des PCM erfolgt.

[0051] In Fig. 2 ist die bevorzugte Auslegung des Wärmespeichers 5 gezeigt, wonach der Vorwärmtemperaturbereich an die Schmelztemperatur angrenzt. Dies bedeutet bei einer Schmelztemperatur bei 632 °C, dass der Vorwärmtemperaturbereich von etwa 632 °C bis gegen ca. 590 °C reicht. Damit wird eine konstruktive Optimierung des Wärmespeichers 5 derart ermöglicht, dass eine maximale Wärmemenge im sensiblen und konstruktiv einfachen und günstigen Hauptwärmespeicher 15 gespeichert werden kann und der aufwendige Latentwärmespeicher 16 nur eine minimale Grösse aufweisen muss, welche der Speicherung einer Wärmemenge dient, wie sie für die Kompensation des Temperaturabfalls im Hauptwärmespeicher 15 nötig ist.

[0052] Das erfindungsgemässe Verfahren sieht dann vor, dass die Wärmekapazitäten des Hauptwärmespeichers und des Latentwärmespeichers derart auf einander abgestimmt sind, dass im Betrieb der Latentwärmespeicher den sensiblen Temperaturabfall des Hauptwärmespeichers unter die Schmelztemperatur für eine vorbestimmte Entladedauer kompensiert. Die vorbestimmte Entladedauer beträgt bevorzugt wenigstens 8 Stunden, bevorzugt 12 Stunden, besonders bevorzugt 16 Stunden und ganz bevorzugt 24 Stunden unter Maximallast des Wärmespeichers 5. Durch diese Abstufungen ist gewährleistet, dass zusätzlich zur Nachtzeit (in der nicht immer Wärme unter Maximallast entnommen werden muss) beispielsweise Schlechtwetter oder Wartungsperioden überbrückt werden können.

[0053] Der Fachmann kann einen Wärmespeicher je nach Bedarf auslegen, d.h. im konkreten Fall die zu speichernde Wärmemenge, das PCM anhand der gewünschten Schmelztemperatur und den Vorwärmbereich nach den lokalen Umständen bestimmen. Besonders geeignet erscheint, dass die Schmelzwärme des PCM oberhalb 400 °C, bevorzugt oberhalb 500 °C, besonders bevorzugt oberhalb 700 °C und ganz besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 600 °C und 650 °C liegt. Letzterer Bereich erscheint für die Anwendung des erfindungsgemässen Wärmespeichers in Rinnenkraftwerken günstig, während Temperaturen im Bereich von 400 °C für kleinere Anwendungen günstig sein können.

[0054] Fig. 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Wärmespeichers, wie er der in der Beschreibung zu Fig. 2 erwähnten Modellrechnung zu Grunde liegt. Dargestellt ist ein im Untergrund versenkter Wärmespeicher 20, der gemäss der WO 2012/027 854 ausgebildet ist. Als Wärme speicherndes Medium dient einmal eine Schüttgutfüllung 21, die in einem konischen Behälter 22 angeordnet ist, der den Hauptwärmespeicher bildet. Als Wärme transportierendes Fluid ist hier Luft vorgesehen. Ein unterer Siebboden 23 trennt die Schüttgutfüllung 21 von einer Bodenkammer 24, ein oberer Siebboden 25 trennt die Schüttgutfüllung 21 von einer mittleren Kammer 26. An diese schliesst ein plattenförmiger Tank 27 an, der mit einem PCM (vorzugsweise LiF(46) + NaF(44) + MgF2(10)) befüllt ist, und damit einen Latentwärmespeicher bildet. Oberhalb des Tanks 27 ist eine obere Kammer 28 vorgesehen. Aus der Figur ist ersichtlich, dass der Latentwärmespeicher über dem Hauptwärmespeicher liegt und diesen über seinen Querschnitt bedeckt, mit der Folge, dass die Luft über den vollen Querschnitt der Schüttgutfüllung 21 nicht nur durch diese, sondern auch durch die mittlere Kammer 25 und den entsprechend ausgebildeten Tank 27 hindurchströmen kann.

[0055] Vorliegend beträgt der Durchmesser des Wärmespeichers 20 unten 20 m, oben 25 m und dessen Höhe 16 m. Der Tank 27 ist mit einer 10 cm hohen Schicht aus dem oben genannten PCM gefüllt, insgesamt ca. 50 m<3>. Die insgesamt speicherbare Wärme liegt im Bereich von 4 * 10^9 KJ oder 1.1 GWh, wobei auf das PCM im Latentwärmespeicher 2 bis 4% entfallen.

[0056] Denkbar – nebst anderen geeigneten PCM – ist erfindungsgemäss auch die Verwendung von LiF(52) + NaF(35) +CaF2(13), mit einer Schmelztemperatur von 615 °C. Der Fachmann kann die Auslegung und Integration eines entsprechenden Wärmespeichers in das gegebene Kraftwerk leicht vornehmen.

[0057] In den Wärmespeicher 20 münden die erste bis vierte Leitung 10 bis 13 (s. dazu Fig. 1 ), wobei in der Figur hilfsweise die Strömungsrichtung des Fluids in der jeweiligen Leitung 10 bis 13 durch einen Pfeil eingezeichnet ist. Jede der Leitungen 10 bis 13 kann durch einen ersten bis vierten Hahn 30 bis 33 geöffnet oder verschlossen werden.

[0058] Im Betriebsmodus laden gelangt die durch das Solarfeld 2 erwärmte Luft über die erste Leitung 10 in die obere Kammer 28, verteilt sich dort horizontal über die Fläche des Tanks 27 und durchströmt diesen vertikal nach unten mit Hilfe von geeigneten Passagen, die der Fachmann leicht konzipieren kann, und die zur Entlastung der Figur weggelassen sind. Beispielsweise können vertikal gerichtete Öffnungen im Tank 27 vorgesehen werden, die Rippen für den Wärmetausch aufweisen, denen entlang die Luft strömt. Damit wird dem PCM im Tank 27 Wärme zugeführt und so der Latentwärmespeicher aufgeladen.

[0059] Nach dem Tank 27 gelangt die Luft in die mittlere Kammer 26, strömt durch den oberen Siebboden 25 und durch die Schüttgutfüllung 21, welche dadurch ebenfalls Wärme aufnimmt, so dass der durch das Schüttgut 21 gebildete sensible Wärmespeicher aufgeladen wird. Danach strömt die mittlerweile abgekühlte Luft weiter durch den unteren Siebboden 23 hindurch in die Bodenkammer 24, wo sie von der zweiten Leitung 11 gefasst und zurück ins Solarfeld 2 geführt wird. Im Betriebsmodus laden ist der dritte Hahn 32 geschlossen, ebenso der vierte Hahn 33.

[0060] Mit fortschreitender Beladedauer der Schüttgutfüllung 21 mit Wärme entsteht in dieser einen Temperaturschichtung, da sich die nach unten strömende Luft beim Durchgang durch das Schüttgut 21 von oben nach unten abkühlt. Entsprechend besitzt das Schüttgut 21 dann oben, beim oberen Siebboden 25 die höchste und nach unten abgestuft eine jeweils geringere Temperatur, die beim unteren Siebboden am tiefsten ist. Vorteilhafterweise wird die Schüttgutfüllung derart bemessen, dass die Temperaturschichtung bei voller Beladung des Wärmespeichers noch geeignet vorliegt und damit keine grossen Temperaturgradienten im Wärmespeicher 20 bestehen, was eine vergleichsweise einfache Konstruktion erlaubt.

[0061] Die Beladung wird bevorzugt fortgesetzt, bis das Schüttgut 21 in der heissesten (obersten) Zone die Schmelztemperatur des PCM besitzt. Die heisseste Zone liegt als oberste Zone benachbart zum Tank 27, was für die Entladung vorteilhaft ist, da damit auf einfache Weise die Luft bei der Entladung von der Zone höchster Temperatur direkt in den Latentwärmespeicher geleitet werden kann, derart, dass dieser das Fluid bei voll beladenem Hauptwärmespeicher am wenigsten, bevorzugt im Wesentlichen nicht und bei nach einem Entladezyklus voll entladenem Hauptwärmespeicher am stärksten erwärmt.

[0062] Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass die Bodenkammer 24, die mittlere Kammer 26 und die oberste Kammer 28 in Verbindung mit dem ersten bis vierten Hahn 30 bis 33 (und den ihnen zugeordneten Abschnitten der ersten bis vierten Leitung 10 bis 13) eine Anordnung zur Durchleitung des hier als Luft ausgebildeten Fluids durch den Wärmespeicher 20 hindurch bilden. Dabei ist die Anordnung für einen Betriebsmodus beladen und auch für einen Betriebsmodus entladen ausgebildet:

[0063] Im Betriebsmodus beladen sind der erste Hahn 30 und der zweite Hahn 31 geöffnet, der dritte Hahn 32 und der vierte Hahn 33 geschlossen. Damit liegt der hier als Tank 27 ausgebildete Latentwärmespeicher 27 am Eingang des Wärmespeichers 20, derart, dass dann das PCM des Latentwärmespeichers 27 der Eingangstemperatur des vom Solarfeld 2 stammenden warmen Fluids ausgesetzt werden kann.

[0064] Im Betriebsmodus entladen sind umgekehrt der erste Hahn 30 und der zweite Hahn 31 geschlossen und der dritte Hahn 32 und der vierte Hahn 33 geöffnet. Es ergibt sich, dass nun der hier als konischer Behälter 22 ausgebildete Hauptwärmespeicher am Eingang des Wärmespeichers 20 liegt, so dass kaltes, vom Maschinenhaus 3 stammendes Fluid durch die Schüttgutfüllung 21 erwärmt und, falls es in deren heissester Zone noch nicht die Schmelztemperatur des PCM erreicht hat, durch dieses im Tank 27 auf die Schmelztemperatur gebracht wird.

[0065] Zusammenfassend erzeugt die Anordnung zur Durchleitung des Fluids im Betriebsmodus beladen eine Temperaturschichtung mit einer Zone höchster Temperatur im Hauptwärmespeicher, während sie im Betriebsmodus entladen die Zone höchster Temperatur mit dem Latentwärmespeicher verbindet.

Claims (18)

1. Verfahren zum Erzeugen eines Stroms von Wärme transportierendem Fluid von im Wesentlichen konstanter Temperatur aus einem Wärmespeicher (3, 20), dadurch gekennzeichnet, dass das Wärme speichernde Fluid auf einen Vorwärmtemperaturbereich vorgeheizt und danach in einen Latentwärmespeicher (16) mit sich wenigstens auf Schmelztemperatur befindendem PCM geleitet wird, dem es nach seiner weiteren Erwärmung auf wenigstens die Schmelztemperatur des PCM wieder entnommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des gesamten Entladezyklus des Wärmespeichers (3, 20) die Nacherwärmung des Fluids auf die Schmelztemperatur erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens der Latentwärmespeicher (16) sensibel über die Schmelztemperatur hinaus geladen wird und dieser dann beim Entladen zuerst sensibel auf die Schmelztemperatur entladen und dann latent auf dieser weiter entladen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vorwärmtemperaturbereich an die Schmelztemperatur angrenzt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorwärmung des Fluids durch einen dem Latentwärmespeicher (16) vorgeschalteten Hauptwärmespeicher (15, 22) erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Hauptwärmespeicher (15, 22) eine Schüttgutfüllung (21) für die Speicherung der Wärme aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Hauptwärmespeicher (15, 22) mit einer Temperaturschichtung betrieben wird, und wobei das Wärme speichernde Fluid bei der Entladung von der Zone höchster Temperatur direkt in den Latentwärmespeicher (16) geleitet wird, derart, dass der Latentwärmespeicher das Wärme transportierende Fluid bei voll beladenem Hauptwärmespeicher (15, 22) am wenigsten, bevorzugt im Wesentlichen nicht und bei voll entladenem Hauptwärmespeicher (15, 22) am stärksten erwärmt.

8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Beladung des Hauptwärmespeichers (15,22) mit Wärme durch ein Wärme transportierendes Fluid vorgenommen wird, das vor dem Hauptwärmespeicher (15,22) durch den Latentwärmespeicher (16) geleitet worden ist, und diesen dabei mit Wärme auf dem Temperaturniveau von wenigstens der Schmelzwärme des PCM beladen hat.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schmelzwärme des PCM oberhalb 400 Grad, bevorzugt oberhalb 500 Grad, besonders bevorzugt oberhalb 700 Grad und ganz besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 600 Grad und 650 Grad liegt.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wärmekapazitäten des Hauptwärmespeichers (15, 22) und des Latentwärmespeichers (16) derart auf einander abgestimmt sind, dass im Betrieb der Latentwärmespeicher (16) den sensiblen Temperaturabfall des Hauptwärmespeichers (15, 22) unter die Schmelztemperatur für eine vorbestimmte Entladedauer kompensiert.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die vorbestimmte Entladedauer wenigstens 8 Stunden, bevorzugt 12 Stunden, besonders bevorzugt 16 Stunden und ganz bevorzugt 24 Stunden beträgt.

12. Wärmespeicher zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Hauptwärmespeicher (15, 22) und einen Latentwärmespeicher (16), die für den Durchfluss eines Wärme transportierenden Fluids über eine Anordnung zur Durchleitung des Fluids durch den Wärmespeicher (5, 20) in Serie geschaltet sind, wobei die Durchleitungsanordnung für einen Betriebsmodus entladen ausgebildet ist, in dem der Latentwärmespeicher (16) am Ausgang des Wärmespeichers (5, 20) liegt, derart, dass dann aus diesem nach aussen abgegebenes Fluid die aktuelle Temperatur eines im Latentwärmespeicher (16) vorgesehenen PCM aufweist.

13. Wärmespeicher nach Anspruch 12, wobei die Durchleitungsanordnung weiter für einen Betriebsmodus beladen ausgebildet ist, in dem der Latentwärmespeicher (16) am Eingang des Wärmespeichers (5,20) liegt, derart, dass dann das PCM des Latentwärmespeichers (16) der Eingangstemperatur des Fluids ausgesetzt werden kann.

14. Wärmespeicher nach Anspruch 12, wobei der Latentwärmespeicher über dem Hauptwärmespeicher liegt und diesen im Wesentlichen über seinen Querschnitt bedeckt.

15. Wärmespeicher nach Anspruch 13, wobei die Durchleitungsanordnung im Betriebsmodus beladen eine Temperaturschichtung mit einer Zone höchster Temperatur im Hauptwärmespeicher (15, 22) erzeugt, und die Durchleitungsanordnung im Betriebsmodus entladen die Zone höchster Temperatur mit dem Latentwärmespeicher (16) verbindet.

16. Wärmespeicher nach Anspruch 12, wobei die Schmelzwärme des PCM im Latentwärmespeicher (16) oberhalb 400 Grad, bevorzugt oberhalb 500 Grad, besonders bevorzugt oberhalb 700 Grad und ganz bevorzugt in einem Bereich zwischen 600 Grad und 650 Grad liegt.

17. Solarkraftwerk mit einem Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 12 bis 16.

18. Verfahren zum Betrieb eines Solarkraftwerks mit einem Wärmespeicher (5, 20), der einen sensiblen Hauptwärmespeicher (15, 22) und einem Latentwärmespeicher (16) aufweist, wobei für die Entladung des Wärmespeichers (5, 20) ein Wärme transportierendes Fluid zuerst durch den Hauptwärmespeicher (15, 22) und dann durch den Latentwärmespeicher (16) geleitet wird, derart, dass der Latentwärmespeicher (16) während einer Entladeperiode den sensiblen Temperaturabfall des Hauptwärmespeichers (15, 22) kompensiert und damit das Wärme transportierend Fluid mit im wesentlichen konstanter Temperatur auf dem Niveau der Schmelztemperatur des im Latentwärmespeichers vorhandenen PCM abgibt.