DE102011053349B4

DE102011053349B4 - Heat storage system and method for storing heat

Info

Publication number: DE102011053349B4
Application number: DE102011053349.4A
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dieter Steinmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2022-02-24
Anticipated expiration: 2031-09-08
Also published as: DE102011053349A1

Abstract

Wärmespeichersystem zur Speicherung von Wärme mittels eines Wärmespeichermediums, umfassend:
eine Speichervorrichtung (102) und
eine Fluidzuführvorrichtung (112) zur Zuführung eines Wärmeübertragungsfluids von einer Wärmeübertragungsvorrichtung (106) zu der Speichervorrichtung (102) zur Beladung der Speichervorrichtung (102) mit Wärme,
wobei die Speichervorrichtung (102) mindestens zwei Speicherabschnitte (116) umfasst, welche jeweils zumindest teilweise mit einem Wärmespeichermedium gefüllt und unabhängig voneinander mit Wärmeübertragungsfluid durchströmbar sind, dadurch gekennzeichnet,
dass das Wärmeübertragungsfluid mittels der Fluidzuführvorrichtung (112) wahlweise jeweils einem der mindestens zwei Speicherabschnitte (116) zuführbar ist, wobei eine Übertragung der Wärme von dem Wärmespeichermedium auf das Wärmeübertragungsfluid und/oder von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium durch direkten stofflichen Kontakt erfolgt, wobei das Wärmespeichermedium in mindestens einem Speicherabschnitt (116) ein Feststoff ist und ein Mineral und/oder ein Gestein umfasst, wobei das Wärmeübertragungsfluid ein flüssiges Salz und/oder ein Thermoöl umfasst.

Heat storage system for storing heat by means of a heat storage medium, comprising:
a storage device (102) and
a fluid supply device (112) for supplying a heat transfer fluid from a heat transfer device (106) to the storage device (102) for charging the storage device (102) with heat,
wherein the storage device (102) comprises at least two storage sections (116), which are each at least partially filled with a heat storage medium and through which heat transfer fluid can flow independently of one another, characterized in that
that the heat transfer fluid can be supplied to one of the at least two storage sections (116) by means of the fluid supply device (112), with the heat being transferred from the heat storage medium to the heat transfer fluid and/or from the heat transfer fluid to the heat storage medium by direct physical contact, with the Heat storage medium in at least one storage section (116) is a solid and comprises a mineral and/or a rock, wherein the heat transfer fluid comprises a liquid salt and/or a thermal oil.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmespeichersystem zur Speicherung von Wärme mittels eines Wärmespeichermediums, welches eine Speichervorrichtung und eine Fluidzuführvorrichtung zur Zuführung eines Wärmeübertragungsfluids von einer Wärmeübertragungsvorrichtung zu der Speichervorrichtung zur Beladung der Speichervorrichtung mit Wärme umfasst.The present invention relates to a heat storage system for storing heat by means of a heat storage medium, which comprises a storage device and a fluid supply device for supplying a heat transfer fluid from a heat transfer device to the storage device for charging the storage device with heat.

Zur Speicherung von Wärme in einer Speichervorrichtung kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Wärmeübertragungsfluid durch einen mit einem Wärmespeichermedium gefüllten Speicherbehälter geführt wird. Um eine große Menge an Wärme speichern zu können, muss die Menge des Wärmespeichermediums entsprechend gewählt werden. Bei einem großen Speicherbehälter zur Aufnahme einer großen Menge von Wärmespeichermedium ist in der Folge eine große Menge an Wärmeübertragungsfluid notwendig, um die Speichervorrichtung mit Wärme beladen zu können.In order to store heat in a storage device, provision can be made, for example, for a heat transfer fluid to be routed through a storage container filled with a heat storage medium. In order to be able to store a large amount of heat, the amount of heat storage medium must be selected accordingly. In the case of a large storage container for accommodating a large quantity of heat storage medium, a large quantity of heat transfer fluid is consequently necessary in order to be able to charge the storage device with heat.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmespeichersystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem eine effiziente Beladung einer Speichervorrichtung mit Wärme unter Verwendung einer geringen Menge eines Wärmeübertragungsfluids möglich ist.The object of the present invention is to provide a heat storage system of the type mentioned in the introduction, in which an efficient charging of a storage device with heat is possible using a small amount of a heat transfer fluid.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wärmespeichersystem gemäß Anspruch 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by a heat storage system according to claim 1 .

Dadurch, dass die Speichervorrichtung mindestens zwei Speicherabschnitte umfasst, welche jeweils zumindest teilweise mit einem Wärmespeichermedium gefüllt und unabhängig voneinander mit Wärmeübertragungsfluid durchströmbar sind, ist lediglich eine geringe Menge Wärmeübertragungsfluid notwendig, um die Speichervorrichtung mit Wärme zu beladen, da die mindestens zwei Speicherabschnitte nicht unbedingt gleichzeitig, sondern nacheinander mit Wärmeübertragungsfluid durchströmt werden können.Because the storage device comprises at least two storage sections, each of which is at least partially filled with a heat storage medium and through which heat transfer fluid can flow independently of one another, only a small amount of heat transfer fluid is required to charge the storage device with heat, since the at least two storage sections are not necessarily simultaneous , but can be successively flowed through with heat transfer fluid.

Dadurch, dass das Wärmeübertragungsfluid mittels der Fluidzuführvorrichtung wahlweise jeweils mindestens einem der mindestens zwei Speicherabschnitte zuführbar ist, kann das vorhandene Wärmeübertragungsfluid gezielt wahlweise unterschiedlichen Speicherabschnitten der Speichervorrichtung zugeführt werden, um gezielt einzelne Speicherabschnitte mit Wärme zu beladen.Because the heat transfer fluid can be fed to at least one of the at least two storage sections by means of the fluid feed device, the heat transfer fluid that is present can be selectively fed to different storage sections of the storage device in order to specifically charge individual storage sections with heat.

Vorteilhaft kann es sein, wenn alternierend jeweils mindestens einem der mindestens zwei Speicherabschnitte Wärmeübertragungsfluid zuführbar ist.It can be advantageous if heat transfer fluid can be supplied alternately to at least one of the at least two storage sections.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Speichervorrichtung intermittierend beladen wird, das heißt, dass sich Phasen, in welchen ein Speicherabschnitt mit Wärmeübertragungsfluid durchströmt wird, mit Phasen, in welchen keine Durchströmung des Speicherabschnitts mit Wärmeübertragungsfluid erfolgt, abwechseln.In particular, it can be provided that the storage device is loaded intermittently, ie phases in which heat transfer fluid flows through a storage section alternate with phases in which heat transfer fluid does not flow through the storage section.

Vorteilhaft kann es sein, wenn Wärme in Form von sensibler Wärme gespeichert wird. Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass Wärme in Form von latenter Wärme gespeichert wird.It can be advantageous if heat is stored in the form of sensible heat. Alternatively or additionally, it can be provided that heat is stored in the form of latent heat.

Das Wärmespeichermedium ist ein von dem Wärmeübertragungsfluid verschiedenes Medium.The heat storage medium is a medium other than the heat transfer fluid.

Eine Übertragung der Wärme von dem Wärmespeichermedium auf das Wärmeübertragungsfluid und/oder von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium erfolgt durch direkten (stofflichen) Kontakt.The heat is transferred from the heat storage medium to the heat transfer fluid and/or from the heat transfer fluid to the heat storage medium by direct (physical) contact.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wärmespeichersystem eine Fluidrückführvorrichtung zur Rückführung des Wärmeübertragungsfluids von der Speichervorrichtung zu der Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere bei der Beladung der Speichervorrichtung mit Wärme, umfasst. Auf diese Weise kann das Wärmeübertragungsfluid besonders einfach in einem Kreislauf geführt werden.In one embodiment of the invention, it is provided that the heat storage system comprises a fluid return device for returning the heat transfer fluid from the storage device to the heat transfer device, in particular when the storage device is charged with heat. In this way, the heat transfer fluid can be circulated in a particularly simple manner.

Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass bei der Entladung der Speichervorrichtung, das heißt bei der Entnahme von Wärme aus der Speichervorrichtung, die Fluidzuführvorrichtung zur Zuführung des Wärmeübertragungsfluids von der Wärmeübertragungsvorrichtung zu der Speichervorrichtung und/oder die Fluidrückführvorrichtung zur Rückführung des Wärmeübertragungsfluids von der Speichervorrichtung zu der Wärmeübertragungsvorrichtung dient. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass die Funktionsweise bei der Entladung umgekehrt wird und somit bei der Entladung der Speichervorrichtung die Fluidzuführvorrichtung zur Zuführung des Wärmeübertragungsfluids von der Speichervorrichtung zu der Wärmeübertragungsvorrichtung und/oder die Fluidrückführvorrichtung zur Rückführung des Wärmeübertragungsfluids von der Wärmeübertragungsvorrichtung zu der Speichervorrichtung dient.In principle, it can be provided that when the storage device is discharged, that is to say when heat is removed from the storage device cher device, the fluid supply device for supplying the heat transfer fluid from the heat transfer device to the storage device and / or the fluid return device for returning the heat transfer fluid from the storage device to the heat transfer device is used. As an alternative to this, it can be provided that the mode of operation is reversed during the discharge and thus when the storage device is discharged, the fluid supply device serves to supply the heat transfer fluid from the storage device to the heat transfer device and/or the fluid return device serves to return the heat transfer fluid from the heat transfer device to the storage device.

Das Wärmespeichersystem umfasst vorzugsweise mindestens einen Vorratsbehälter zur Aufnahme des Wärmeübertragungsfluids. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wärmeübertragungsfluid in mindestens einem Vorratsbehälter aufgenommen wird, wenn weder eine Beladung noch eine Entladung der Speichervorrichtung erfolgt, das heißt insbesondere dann, wenn das Wärmespeichersystem in einem Speicherzustand vorliegt.The heat storage system preferably includes at least one reservoir for holding the heat transfer fluid. In particular, it can be provided that the heat transfer fluid is received in at least one reservoir when the storage device is neither being charged nor discharged, that is to say in particular when the heat storage system is in a storage state.

Mindestens ein Vorratsbehälter umfasst vorzugsweise eine Heizvorrichtung zum Heizen des Wärmeübertragungsfluids. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass das Wärmeübertragungsfluid zur Beladung und/oder Entladung der Speichervorrichtung betriebsbereit gehalten wird, insbesondere flüssig oder gasförmig gehalten wird. Insbesondere bei der Verwendung von flüssigen Salzen als Wärmeübertragungsfluid kann auf diese Weise gewährleistet werden, dass das Salz nicht auskristallisiert und dann zur Beladung und/oder Entladung der Speichervorrichtung nicht mehr verwendet werden kann.At least one reservoir preferably includes a heater for heating the heat transfer fluid. In this way it can be ensured that the heat transfer fluid for charging and/or discharging the storage device is kept ready for operation, in particular is kept in liquid or gaseous form. In particular when using liquid salts as the heat transfer fluid, it can be ensured in this way that the salt does not crystallize out and can then no longer be used for charging and/or discharging the storage device.

Günstig kann es sein, wenn mindestens zwei Speicherabschnitte der Speichervorrichtung durch mindestens zwei voneinander getrennte Abschnitte eines Speicherbehälters gebildet sind.It can be favorable if at least two storage sections of the storage device are formed by at least two separate sections of a storage container.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Speicherbehälter mindestens zwei, beispielsweise vier, Zylindersegmente umfasst. Zylindersegmente sind dabei insbesondere Abschnitte eines Zylinders zwischen radial von der Mitte (Symmetrieachse) des Zylinders nach außen verlaufenden, um einen Drehwinkel um die Zylinderachse zueinander gedrehten Trennebenen.In particular, it can be provided that at least one storage container comprises at least two, for example four, cylinder segments. In this case, cylinder segments are in particular sections of a cylinder between parting planes which run radially outwards from the center (axis of symmetry) of the cylinder and are rotated relative to one another by an angle of rotation about the cylinder axis.

Mindestens ein Speicherbehälter ist vorzugsweise thermisch isoliert, um eine unerwünschte Wärmeabgabe an die Umgebung zu minimieren.At least one storage vessel is preferably thermally insulated to minimize unwanted heat loss to the environment.

Vorteilhaft kann es sein, wenn mindestens zwei Speicherabschnitte der Speichervorrichtung durch mindestens zwei voneinander getrennte Speicherbehälter gebildet sind.It can be advantageous if at least two storage sections of the storage device are formed by at least two separate storage containers.

Vorteilhaft kann es sein, wenn die Speichervorrichtung als eine modulartige Speichervorrichtung ausgebildet ist, welche mehrere Speicherabschnitte umfasst, die je nach Speicherbedarf zur Kapazitätsanpassung zugeschaltet oder abgeschaltet werden können. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass stapelbare Speicherplatten und/oder weitere Speicherbehälter an eine vorhandene Speichervorrichtung anschließbar sind, um die Speicherkapazität bei Bedarf zu erhöhen.It can be advantageous if the storage device is designed as a modular storage device that includes a number of storage sections that can be switched on or off depending on the storage requirement for capacity adjustment. In particular, it can be provided that stackable storage plates and/or further storage containers can be connected to an existing storage device in order to increase the storage capacity if required.

Insbesondere bei der Verwendung von stapelbaren Speicherplatten kann vorgesehen sein, dass durch eine Variation einer Zufuhrhöhe des Wärmeübertragungsfluids die genutzte, das heißt durchströmte, Menge an Wärmespeichermedium zur Kapazitätsanpassung variiert wird.In particular when stackable storage plates are used, it can be provided that the amount of heat storage medium used, ie through which it flows, is varied for capacity adjustment by varying a supply level of the heat transfer fluid.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Wärmespeicheredium in mindestens einem Speicherabschnitt ein Feststoff ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wärmespeichermedium als Schüttung vorliegt.According to the invention, it is provided that the heat storage medium is a solid in at least one storage section. In particular, it can be provided that the heat storage medium is in bulk form.

Das Wärmespeichermedium umfasst in mindestens einem Speicherabschnitt ein Mineral und/oder ein Gestein. Ein solches Wärmespeichermedium ist besonders kostengünstig, so dass mit geringen Investitionskosten eine große Speicherkapazität bereitgestellt werden kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass als Wärmespeichermedium Beton oder Quarzit verwendet wird.The heat storage medium comprises a mineral and/or a rock in at least one storage section. Such a heat storage medium is particularly inexpensive, so that a large storage capacity can be provided with low investment costs. For example, concrete or quartzite can be used as the heat storage medium.

Das Wärmespeichermedium wird vorzugsweise drucklos unter Normaldruck (Umgebungsdruck) bei ungefähr 1 bar gelagert und/oder verwendet.The heat storage medium is preferably stored and/or used without pressure under normal pressure (ambient pressure) at approximately 1 bar.

Vorteilhaft kann es sein, wenn das Wärmespeichermedium porös ausgebildet ist und/oder, beispielsweise als Rinnen ausgebildete, Strömungswege umfasst. Auf diese Weise kann ein effizienter Wärmeübertrag von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium erfolgen.It can be advantageous if the heat storage medium is designed to be porous and/or comprises flow paths designed as channels, for example. In this way, an efficient heat transfer can take place from the heat transfer fluid to the heat storage medium.

Insbesondere dann, wenn Wärme in Form von latenter Wärme gespeichert werden soll, kann vorgesehen sein, dass das Wärmespeichermedium ein Phasenwechselmedium (PCM-Material) umfasst.In particular when heat is to be stored in the form of latent heat, it can be provided that the heat storage medium comprises a phase change medium (PCM material).

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Wärmeübertragungsfluid ein flüssiges Salz und/oder ein Thermoöl umfasst. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wärmeübertragungsfluid aus flüssigem Salz und/oder Thermoöl besteht.According to the invention it is provided that the heat transfer fluid comprises a liquid salt and/or a thermal oil. In particular, it can be provided that the heat transfer fluid consists of liquid salt and/or thermal oil.

Vorteilhaft kann es sein, wenn das Wärmeübertragungsfluid unter (leichtem) Überdruck, beispielsweise mindestens ungefähr 1,1 bar, insbesondere mindestens ungefähr 1,3 bar, verwendet und/oder gespeichert (gelagert) wird.It can be advantageous if the heat transfer fluid is used and/or stored (stored) under (slight) excess pressure, for example at least approximately 1.1 bar, in particular at least approximately 1.3 bar.

Günstig kann es sein, wenn die Menge des Wärmeübertragungsfluids so gewählt wird, dass diese zur Beladung von exakt einem Speicherabschnitt der Speichervorrichtung ausreicht. Zur Beladung mehrerer Speicherabschnitte mit Wärme wird das Wärmeübertragungsfluid dann vorzugsweise einem Speicherabschnitt nach dem anderen (alternierend) zugeführt. Auf diese Weise können die Kosten des Wärmespeichersystems minimiert werden.It can be favorable if the quantity of the heat transfer fluid is selected in such a way that it is sufficient for loading exactly one storage section of the storage device. In order to charge a plurality of storage sections with heat, the heat transfer fluid is then preferably supplied to one storage section after the other (alternately). In this way, the costs of the heat storage system can be minimized.

Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Gesamtvolumen des Wärmeübertragungsfluids des Wärmespeichersystems höchstens ungefähr 50 % des Gesamtvolumens des Wärmespeichermediums des Wärmespeichersystems beträgt.It can be advantageous if a total volume of the heat transfer fluid of the heat storage system is at most approximately 50% of the total volume of the heat storage medium of the heat storage system.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein Gesamtvolumen des Wärmeübertragungsfluids des Wärmespeichersystems höchstens ungefähr 35 %, vorzugsweise höchstens ungefähr 25 %, des Gesamtvolumens des Wärmespeichermediums des Wärmespeichersystems beträgt.In particular, it can be provided that a total volume of the heat transfer fluid of the heat storage system is at most approximately 35%, preferably at most approximately 25%, of the total volume of the heat storage medium of the heat storage system.

Ein Hohlraumvolumenanteil in den Speicherabschnitten der Speichervorrichtung, das heißt ein nicht mit Wärmespeichermedium gefüllter Teil, welcher beim Beladen und/oder Entladen der Speichervorrichtung mit Wärmeübertragungsfluid durchströmt wird, beträgt vorzugsweise mindestens ungefähr 10 %, insbesondere mindestens ungefähr 20 %, beispielsweise mindestens ungefähr 30 %, jedoch vorzugsweise höchstens ungefähr 70 %, insbesondere höchstens ungefähr 60 %, beispielsweise höchstens ungefähr 50 %, des Gesamtvolumens (Inhalt) der Speicherabschnitte. Auf diese Weise kann eine große Menge an Wärmespeichermedium mit Wärme beladen und durch eine große Kontaktfläche zugleich ein zügiger Wärmeübergang von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium ermöglicht werden.A cavity volume fraction in the storage sections of the storage device, i.e. a part not filled with heat storage medium, through which heat transfer fluid flows when loading and/or discharging the storage device, is preferably at least approximately 10%, in particular at least approximately 20%, for example at least approximately 30%. however preferably at most about 70%, in particular at most about 60%, for example at most about 50%, of the total volume (content) of the memory sections. In this way, a large amount of heat storage medium can be loaded with heat and at the same time a rapid heat transfer from the heat transfer fluid to the heat storage medium can be made possible by a large contact surface.

Vorzugsweise weisen mindestens zwei Speicherabschnitte, insbesondere sämtliche Speicherabschnitte, denselben Hohlraumvolumenanteil auf.Preferably, at least two storage sections, in particular all storage sections, have the same void volume fraction.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens zwei Speicherabschnitte der Speichervorrichtung unabhängig voneinander bewegbar, insbesondere unabhängig voneinander transportabel, sind. Insbesondere bei einem modulartigen Aufbau einer Speichervorrichtung kann auf diese Weise besonders einfach eine Anpassung der Speicherkapazität der Speichervorrichtung durch die Hinzufügung oder Entnahme von Speicherabschnitten erfolgen.In one embodiment of the invention, it is provided that at least two storage sections of the storage device can be moved independently of one another, in particular can be transported independently of one another. In particular in the case of a modular design of a memory device, the memory capacity of the memory device can be adapted particularly easily in this way by adding or removing memory sections.

Vorteilhaft kann es sein, wenn das Wärmespeichersystem eine Fördervorrichtung zur Förderung des Wärmeübertragungsfluids umfasst. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass das Wärmespeichersystem eine Pumpvorrichtung, eine Saugvorrichtung, eine Unterdruckvorrichtung und/oder Ähnliches zur Beförderung des Wärmeübertragungsfluids umfasst. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wärmespeichersystem eine Pumpvorrichtung zur Zuführung des Wärmeübertragungsfluids von der Wärmeübertragungsvorrichtung zu der Speichervorrichtung und/oder von der Speichervorrichtung zu der Wärmeübertragungsvorrichtung umfasst. Ferner kann vorgesehen sein, dass das Wärmespeichersystem eine Pumpvorrichtung, eine Saugvorrichtung und/oder eine Unterdruckvorrichtung zur Beförderung des Wärmeübertragungsfluids in mindestens einen Vorratsbehälter des Wärmespeichersystems umfasst.It can be advantageous if the heat storage system includes a delivery device for delivering the heat transfer fluid. In particular, it can be provided that the heat storage system comprises a pumping device, a suction device, a vacuum device and/or the like for transporting the heat transfer fluid. In particular, it can be provided that the heat storage system comprises a pumping device for supplying the heat transfer fluid from the heat transfer device to the storage device and/or from the storage device to the heat transfer device. Furthermore, it can be provided that the heat storage system comprises a pumping device, a suction device and/or a vacuum device for conveying the heat transfer fluid into at least one reservoir of the heat storage system.

Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Speichern von Wärme mittels eines Wärmespeichersystems bereitzustellen, bei welchem eine Speichervorrichtung auf effiziente Art und Weise mit einer geringen Menge an Wärmeübertragungsfluid mit Wärme beladen werden kann.Another object of the invention is to provide a method for storing heat by means of a heat storage system, in which a storage device can be charged with heat in an efficient manner with a small amount of heat transfer fluid.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst.According to the invention, this object is achieved by a method according to claim 8 .

Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wärmespeichersystem beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.The method according to the invention preferably has the features and/or advantages described above in connection with the heat storage system according to the invention.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zur Beladung der Speichervorrichtung mit Wärme mehrere Beladungszyklen durchgeführt werden, wobei in einem Beladungszyklus mindestens zwei Speicherabschnitten der Speichervorrichtung nacheinander jeweils mindestens einmal Wärmeübertragungsfluid zugeführt wird. Vorzugsweise ist ein Durchströmungsvorgang des einen Speicherabschnitts beendet, bevor ein Durchströmungsvorgang eines weiteren Speicherabschnitts gestartet wird. Auf diese Weise kann eine intermittierende Beladung der Speichervorrichtung besonders einfach realisiert werden.In one embodiment of the invention, it can be provided that several charging cycles are carried out to charge the storage device with heat, with heat transfer fluid being supplied to at least two storage sections of the storage device one after the other in each case at least once. A flow-through process through one storage section is preferably ended before a flow-through process through a further storage section is started. In this way, intermittent loading of the storage device can be implemented in a particularly simple manner.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass einem Speicherabschnitt der Speichervorrichtung jeweils für höchstens ungefähr 200 Sekunden, insbesondere für höchstens ungefähr 100 Sekunden, vorzugsweise für mindestens ungefähr 30 Sekunden, insbesondere für mindestens ungefähr 60 Sekunden, Wärmeübertragungsfluid zugeführt wird.For example, it can be provided that heat transfer fluid is supplied to a storage section of the storage device for at most approximately 200 seconds, in particular for at most approximately 100 seconds, preferably for at least approximately 30 seconds, in particular for at least approximately 60 seconds.

Bei mehreren aufeinanderfolgenden Beladungszyklen ist vorzugsweise eine alternierende Zuführung von Wärmeübertragungsfluid zu den mindestens zwei Speicherabschnitten der Speichervorrichtung möglich. Dies ermöglicht eine effiziente Beladung der Speichervorrichtung bei Verwendung einer geringen Menge an Wärmeübertragungsfluid.In the case of several successive loading cycles, an alternating supply of heat transfer fluid to the at least two storage sections of the storage device is preferably possible. This allows for efficient loading of the storage device using a small amount of heat transfer fluid.

Vorteilhaft kann es sein, wenn die Dauer eines Beladungszyklus so gewählt wird, dass innerhalb eines Beladungszyklus höchstens ungefähr 30 % der maximal in der Speichervorrichtung speicherbaren Wärme in die Speichervorrichtung eingebracht wird.It can be advantageous if the duration of a charging cycle is selected such that at most approximately 30% of the maximum heat that can be stored in the storage device is introduced into the storage device within a charging cycle.

Auf diese Weise kann eine effizientere Wärmeaufnahme der Speichervorrichtung erzielt werden, weil vorzugsweise eine Temperaturdifferenz an einer Kontaktfläche zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und dem Wärmespeichermedium nach einer Phase, in welcher der betreffende Speicherabschnitt nicht mit Wärmeübertragungsfluid durchströmt wurde, größer ist als bei kontinuierlicher Durchströmung des Speicherabschnitts mit Wärmeübertragungsfluid, so dass ein größerer Wärmeübertrag von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium möglich ist.In this way, a more efficient heat absorption of the storage device can be achieved because preferably a temperature difference at a contact surface between the heat transfer fluid and the heat storage medium after a phase in which the relevant storage section was not flowed through with heat transfer fluid is greater than when the storage section is continuously flowed through with heat transfer fluid , So that a greater heat transfer from the heat transfer fluid to the heat storage medium is possible.

Günstig kann es sein, wenn die Dauer des Beladungszyklus so gewählt wird, dass innerhalb eines Beladungszyklus höchstens ungefähr 20 %, insbesondere höchstens ungefähr 15 %, der maximal speicherbaren Wärme in die Speichervorrichtung eingebracht wird.It can be favorable if the duration of the charging cycle is selected such that at most approximately 20%, in particular at most approximately 15%, of the maximum storable heat is introduced into the storage device within a charging cycle.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zeitdauern aufeinanderfolgender Beladungszyklen im Wesentlichen gleich lang gewählt werden.In one embodiment of the invention, it is provided that the durations of successive loading cycles are chosen to be essentially the same length.

Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass mit zunehmendem Beladungszustand der Speichervorrichtung länger oder kürzer werdende Beladungszyklen gewählt werden.As an alternative to this, provision can be made for longer or shorter charging cycles to be selected as the charging state of the storage device increases.

Günstig kann es sein, wenn in einem Speicherzustand des Wärmespeichersystems das Wärmeübertragungsfluid in einem Vorratsbehälter aufbewahrt und dort vorzugsweise geheizt wird.It can be favorable if, in a storage state of the heat storage system, the heat transfer fluid is stored in a reservoir and is preferably heated there.

Ferner kann vorgesehen sein, dass zur Entladung der Speichervorrichtung Wärmeübertragungsfluid durch mindestens einen Speicherabschnitt der Speichervorrichtung geleitet und einer Wärmeübertragungsvorrichtung, welche dann vorzugsweise als Wärmesenke dient, zugeführt wird.Furthermore, it can be provided that, in order to discharge the storage device, heat transfer fluid is conducted through at least one storage section of the storage device and is supplied to a heat transfer device, which then preferably serves as a heat sink.

Vorzugsweise wird ein Erstarren des Wärmeübertragungsfluids vermieden. Hierzu kann insbesondere eine Heizvorrichtung vorgesehen sein, um das Wärmeübertragungsfluid auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten.Solidification of the heat transfer fluid is preferably avoided. For this purpose, in particular, a heating device can be provided in order to keep the heat transfer fluid at a predetermined temperature.

Vorzugsweise muss zum Beladen der Speichervorrichtung mit Wärme nicht das komplette Wärmespeichersystem, insbesondere nicht sämtliche Speicherabschnitte/Speicherbehälter, vorgeheizt werden. Vielmehr kann es zur Inbetriebnahme des Wärmespeichersystems ausreichend sein, wenige oder auch nur einen Speicherabschnitt (Speicherbehälter) des Wärmespeichersystems vorzuheizen, beispielsweise um ein Erstarren des Wärmeübertragungsfluids bei der Zuführung desselben zu dem Speicherabschnitt zu vermeiden.Preferably, the entire heat storage system, in particular not all storage sections/storage containers, does not have to be preheated in order to charge the storage device with heat. Rather, it may be sufficient to start up the heat storage system to preheat a few or even just one storage section (storage container) of the heat storage system, for example to prevent the heat transfer fluid from solidifying when it is fed to the storage section.

Vorzugsweise erfolgt eine Speicherung von thermischer Energie in einem kostengünstigen Material, das beispielsweise periodisch von flüssigem Salz überströmt wird. Das Speichermaterial ist dabei vorzugsweise so geformt und/oder angeordnet, dass sich ein Kanalsystem für das flüssige Salz bildet und eine hohe Relativgeschwindigkeit zwischen dem Wärmespeichermedium und dem flüssigen Salz (Wärmeübertragungsfluid) gewährleistet ist. Auf diese Weise kann ein hoher Strömungsquerschnitt ermöglicht werden.Thermal energy is preferably stored in a cost-effective material over which liquid salt, for example, periodically flows. The storage material is preferably shaped and/or arranged in such a way that a channel system is formed for the liquid salt and a high relative speed between the heat storage medium and the liquid salt (heat transfer fluid) is ensured. In this way, a high flow cross section can be made possible.

Vorzugsweise wird dadurch, dass das Wärmespeichermedium nur während der Beladung und der Entladung mit dem Wärmeübertragungsfluid in Kontakt kommt, eine chemische Wechselwirkung zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und dem Wärmespeichermedium reduziert. Vorzugsweise wird das Wärmespeichermedium in einem separaten Behälter angeordnet, der das Wärmespeichermedium vor Witterungseinflüssen schützt und thermische Verluste, welche beispielsweise aus einer Luftumströmung des Wärmespeichermediums resultieren, reduziert.Chemical interaction between the heat transfer fluid and the heat storage medium is preferably reduced by the fact that the heat storage medium only comes into contact with the heat transfer fluid during charging and discharging. The heat storage medium is preferably arranged in a separate container, which protects the heat storage medium from the effects of the weather and reduces thermal losses which result, for example, from air flowing around the heat storage medium.

Ein Speicherbehälter ist vorzugsweise nicht ständig mit dem Wärmeübertragungsfluid in Kontakt, so dass die Dichtigkeit von untergeordneter Bedeutung ist.A storage container is preferably not constantly in contact with the heat transfer fluid, so that the tightness is of secondary importance.

Weitere Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.Further features and/or advantages of the invention are the subject of the following description and the graphic representation of exemplary embodiments.

In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines bekannten Wärmespeichersystems;
2 eine schematische Darstellung eines zylindrischen Speichersegments, auf dessen Basis unterschiedliche Beladungsarten beschrieben werden;
3 ein Diagramm zur Illustration einer kontinuierlichen Beladung;
4 ein Diagramm zur Illustration einer Beladung mit 50 % Beladungszeit;
5 ein Diagramm zur Illustration einer Beladung mit 33 % Beladungszeit;
6 ein Diagramm zur Illustration einer Beladung mit 25 % Beladungszeit;
7 ein Diagramm zur Illustration des Verlaufs einer Beladung bei der Beladung des Speichers aus 2 gemäß den in den 3 bis 6 dargestellten Beladungsarten;
8 ein Diagramm zur Illustration der Wärmestromdichte im Verlauf der Zeit bei periodischer Beladung (25 % Beladungszeit) und bei stetiger Beladung (100 % Beladungszeit);
9 einen schematischen vertikalen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Speichervorrichtung eines Wärmespeichersystems;
10 eine schematische Draufsicht auf die Speichervorrichtung aus 9;
11 eine schematische Schnittdarstellung zur Illustration einer Beladung der Speichervorrichtung aus 9 mit Wärme;
12 eine schematische Schnittdarstellung zur Illustration der Entladung der Speichervorrichtung aus 9;
13 einen schematischen vertikalen Schnitt durch einen Niedertemperaturspeicher der Speichervorrichtung aus 9 während der Beladung des Niedertemperaturspeichers;
14 eine der 13 entsprechende Darstellung des Niedertemperaturspeichers bei der Entladung desselben;
15 einen vertikalen Schnitt durch den Niedertemperaturspeicher aus 13 längs der Linie 15 - 15 in 13;
16 eine schematische Darstellung eines vertikalen Schnitts durch eine zweite Ausführungsform einer Speichervorrichtung während einer Beladung derselben mit Wärme;
17 eine der 16 entsprechende schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform der Speichervorrichtung während der Entladung derselben;
18 eine schematische Draufsicht von oben auf die Speichervorrichtung aus den 16 und 17;
19 einen schematischen vertikalen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform einer Speichervorrichtung, bei welcher ein zylindrischer Speicherbehälter mit einer rotierenden Sektorenscheibe vorgesehen ist;
20 eine schematische Draufsicht von oben auf die Speichervorrichtung aus 19;
21 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Speichervorrichtung, bei welcher mehrere voneinander getrennte Speicherbehälter vorgesehen sind, in einem Speicherzustand der Speichervorrichtung;
22 eine der 21 entsprechende schematische Darstellung der vierten Ausführungsform der Speichervorrichtung, wobei eine Beladung eines ersten Speicherbehälters der Speichervorrichtung erfolgt; und
23 eine der 21 entsprechende schematische Darstellung der vierten Ausführungsform der Speichervorrichtung, wobei eine Beladung eines zweiten Speicherbehälters der Speichervorrichtung erfolgt.

In the drawings show:

1 a schematic representation of a known heat storage system;
2 a schematic representation of a cylindrical storage segment, on the basis of which different types of loading are described;
3 a diagram to illustrate a continuous loading;
4 a diagram to illustrate a loading with 50% loading time;
5 a diagram to illustrate a loading with 33% loading time;
6 a diagram to illustrate a loading with 25% loading time;
7 a diagram to illustrate the course of loading when loading the store 2 according to the in the 3 until 6 types of loading shown;
8th a diagram illustrating the heat flow density over time for periodic loading (25% loading time) and for continuous loading (100% loading time);
9 a schematic vertical section through a first embodiment of a storage device of a heat storage system;
10 a schematic plan view of the storage device 9 ;
11 a schematic sectional view to illustrate a loading of the storage device 9 with warmth;
12 a schematic sectional view to illustrate the discharge of the storage device 9 ;
13 a schematic vertical section through a low-temperature storage of the storage device 9 during loading of the low-temperature storage tank;
14 one of the 13 Corresponding representation of the low-temperature storage device during the discharge of the same;
15 a vertical section through the low-temperature storage tank 13 along the line 15 - 15 in 13 ;
16 a schematic representation of a vertical section through a second embodiment of a storage device during charging thereof with heat;
17 one of the 16 corresponding schematic representation of the second embodiment of the storage device during the discharge of the same;
18 Fig. 12 is a schematic top plan view of the memory device of Figs 16 and 17 ;
19 a schematic vertical section through a third embodiment of a storage device, in which a cylindrical storage container is provided with a rotating sector disc;
20 12 is a schematic top view of the memory device 19 ;
21 a schematic representation of a fourth embodiment of a storage device, in which a plurality of separate storage containers are provided, in a storage state of the storage device;
22 one of the 21 corresponding schematic representation of the fourth embodiment of the storage device, wherein a loading of a first storage container of the storage device takes place; and
23 one of the 21 corresponding schematic representation of the fourth embodiment of the storage device, wherein a loading of a second storage container of the storage device takes place.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugzeichen versehen.Identical or functionally equivalent elements are provided with the same reference symbols in all figures.

In 1 ist ein als Ganzes mit 100 bezeichnetes Wärmespeichersystem dargestellt, welches eine Speichervorrichtung 102 mit zwei Speicherbehältern 104 und eine Wärmeübertragungsvorrichtung 106 umfasst.In 1 a heat storage system, designated as a whole with 100, is shown, which comprises a storage device 102 with two storage containers 104 and a heat transfer device 106.

Bei dem Wärmespeichersystem 100 aus der 1 kann mittels der Wärmeübertragungsvorrichtung 106, durch welche einerseits ein Wärmeübertragungsfluid, beispielsweise ein Thermoöl, und andererseits ein Wärmespeichermedium, beispielsweise flüssiges Salz, geleitet werden kann, Wärme von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium und umgekehrt übertragen werden.In the heat storage system 100 from FIG 1 heat can be transferred from the heat transfer fluid to the heat storage medium and vice versa by means of the heat transfer device 106, through which on the one hand a heat transfer fluid, for example a thermal oil, and on the other hand a heat storage medium, for example liquid salt, can be conducted.

Beim Beladen der Speichervorrichtung 102 des Wärmespeichersystems 100 wird der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 erhitztes Wärmeübertragungsfluid zugeführt. Die in dem Wärmeübertragungsfluid enthaltene Wärme kann dann zumindest teilweise mittels der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 auf das ebenfalls durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 106 durchgeleitete Wärmespeichermedium übertragen werden.Upon loading the storage device 102 of the thermal storage system 100, the heat transfer device 106 is supplied with heated heat transfer fluid. The heat contained in the heat transfer fluid can then be at least partially transferred by means of the heat transfer device 106 to the heat storage medium that is also passed through the heat transfer device 106 .

Die Speicherbehälter 104 dienen der Aufnahme des Wärmespeichermediums, wobei ein als Heißtank 108 ausgebildeter Speicherbehälter 104 und ein als Kalttank 110 ausgebildeter Speicherbehälter 104 vorgesehen sind und folglich einer der Speicherbehälter 104 zur Aufnahme des erhitzten Wärmespeichermediums (Heißtank 108) und der andere der beiden Speicherbehälter 104 zur Aufnahme von (relativ) kaltem Wärmespeichermedium (Kalttank 110) dient.Storage tanks 104 are used to hold the heat storage medium, with a storage tank 104 embodied as a hot tank 108 and a storage tank 104 embodied as a cold tank 110 being provided, and consequently one of the storage tanks 104 for holding the heated heat storage medium (hot tank 108) and the other of the two storage tanks 104 for Recording of (relatively) cold heat storage medium (cold tank 110) is used.

Beim Beladen der Speichervorrichtung 102 mit Wärme wird während der Durchleitung von Wärmeübertragungsfluid durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 106 kaltes Wärmespeichermedium aus dem Kalttank 110 durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 106 geleitet, darin erhitzt und anschließend dem Heißtank 108 zugeführt. In dem Heißtank 108 wird das Wärmespeichermedium gespeichert.When charging the storage device 102 with heat, while heat transfer fluid is being conducted through the heat transfer device 106 , cold heat storage medium from the cold tank 110 is conducted through the heat transfer device 106 , heated therein and then fed to the hot tank 108 . The heat storage medium is stored in the hot tank 108 .

Die in dem heißen Wärmespeichermedium gespeicherte Wärme kann dann dadurch entnommen werden, dass das Wärmespeichermedium zum Entladen der Speichervorrichtung 102 aus dem Heißtank 108 durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 106 zurück in den Kalttank 110 geleitet, wobei die gespeicherte Wärme in der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 an das Wärmeübertragungsfluid übertragen wird.The heat stored in the hot heat storage medium can then be removed by directing the heat storage medium back into the cold tank 110 through the heat transfer device 106 for discharging the storage device 102 from the hot tank 108, with the stored heat being transferred in the heat transfer device 106 to the heat transfer fluid.

Ein solches Wärmespeichersystem 100 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn in thermischen Prozessen eine zeitliche Differenz zwischen Energieangebot und Energiebedarf besteht und zur Vergleichmäßigung eines thermischen Prozesses Energie in Zeiten eines Überangebots gespeichert und somit in Zeiten eines Unterangebots zur Verfügung gestellt werden soll. Die Energie kann dabei beispielsweise in Form von sensibler und/oder latenter Wärme gespeichert werden.Such a heat storage system 100 is particularly advantageous when there is a time difference between energy supply and energy demand in thermal processes and energy is to be stored in times of oversupply and thus made available in times of undersupply to equalize a thermal process. The energy can be stored, for example, in the form of sensible and/or latent heat.

Wenn sich das Arbeitsmedium (beispielsweise Wasserdampf) nicht als Speichermedium eignet, weil die volumetrische Energiedichte des Arbeitsmediums zu gering ist oder die Kosten des Arbeitsmediums zu hoch sind, kann eine funktionelle Trennung in Wärmeübertragungsfluid und Wärmespeichermedium erfolgen. Als Wärmespeichermedium wird dann ein von dem Wärmeübertragungsfluid verschiedenes Medium eingesetzt.If the working medium (e.g. steam) is not suitable as a storage medium because the volumetric energy density of the working medium is too low or the costs of the working medium are too high, a functional separation into heat transfer fluid and heat storage medium can take place. A medium different from the heat transfer fluid is then used as the heat storage medium.

Insbesondere kommen hierbei Wärmespeichermedien in Betracht, welche im relevanten Temperaturbereich in flüssiger Form vorliegen und drucklos gespeichert werden können.In particular, heat storage media are considered here that are in liquid form in the relevant temperature range and can be stored without pressure.

Für Anwendungen, die im Temperaturbereich solarthermischer Kraftwerke (200 °C bis 600 °C) liegen, kommen insbesondere Salze infrage.Salts are particularly suitable for applications in the temperature range of solar thermal power plants (200 °C to 600 °C).

Beim Beladen bzw. Entladen der Speichervorrichtung 102 wird Energie zwischen dem Wärmespeichermedium und dem Wärmeübertragungsfluid übertragen. Im Wärmespeichermedium müssen Bereiche höherer Temperatur von Bereichen niedrigerer Temperatur getrennt werden. Ein Vermischen ist vorzugsweise zu vermeiden. Häufig werden getrennte Speicherbehälter 104 (Tanks, Heißtank 108 und Kalttank 110) eingesetzt, die am Ein- bzw. Austritt der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 angeschlossen werden (siehe 1). Möglich ist auch die Verwendung nur eines einzelnen Tanks, bei dem eine vertikale Temperaturschichtung des Wärmespeichermediums ausgenutzt wird.When charging or discharging the storage device 102, energy is transferred between the heat storage medium and the heat transfer fluid. Areas of higher temperature must be separated from areas of lower temperature in the heat storage medium. Mixing is preferably to be avoided. Separate storage containers 104 (tanks, hot tank 108 and cold tank 110) are often used, which are connected to the inlet and outlet of the heat transfer device 106 (see FIG 1 ). It is also possible to use only a single tank, in which vertical temperature stratification of the heat storage medium is used.

Der in 1 dargestellte prinzipielle Aufbau eines Zweitanksystems sieht vor, dass beispielsweise bei der Verwendung von Salz als Wärmespeichermedium im Heißtank 108 eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 380 °C und im Kalttank 110 eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 300 °C herrscht. Durch die Anbindung eines Generators kann eine solche Speichervorrichtung 102 vorzugsweise eine elektrische Leistung im Bereich von 50 MW über mehrere Stunden ermöglichen. Die Speicherbehälter 104 sind hierzu beispielsweise zylindrische Tanks mit einem Durchmesser von zwischen ungefähr 30 m und ungefähr 50 m bei einer Höhe von ungefähr 15 m bis ungefähr 20 m. Die hierfür benötigte Salzmasse beträgt ca. 28.500 t. Da das als Wärmespeichermedium dienende Salz teuer ist, führt dies dazu, dass die Kosten für das Salzinventar ungefähr 50 % der Gesamtinvestitionskosten für die Speichervorrichtung 102 ausmachen.the inside 1 The basic structure of a two-tank system shown provides that, for example when salt is used as a heat storage medium, a temperature of, for example, approximately 380° C. prevails in the hot tank 108 and a temperature of, for example, approximately 300° C. prevails in the cold tank 110 . By connecting a generator, such a storage device 102 can preferably enable electrical power in the range of 50 MW over several hours. For this purpose, the storage containers 104 are, for example, cylindrical tanks with a diameter of between approximately 30 m and approximately 50 m and a height of approximately 15 m to approximately 20 m. The salt mass required for this is approximately 28,500 t. Since the salt serving as the heat storage medium is expensive, this results in the cost of the salt inventory accounting for approximately 50% of the total investment cost of the storage device 102 .

Um das erforderliche Wärmespeichermediumvolumen (Salzvolumen) und damit die Investitionskosten zu reduzieren, kann ein großer Anteil des Salzes durch ein kostengünstiges Füllmaterial, welches als Wärmespeichermedium dienen soll, ersetzt werden. Die massenspezifischen Kosten des Füllmaterials liegen dann beispielsweise bei ungefähr 10 % der entsprechenden Kosten des Salzes. Das Füllmaterial wird vorzugsweise als Schüttung in einem Behälter eingesetzt, so dass das Füllmaterial eine große Oberfläche aufweist.In order to reduce the required heat storage medium volume (salt volume) and thus the investment costs, a large proportion of the salt can be replaced by an inexpensive filling material, which is intended to serve as the heat storage medium. The mass-specific costs of the filling material are then, for example, around 10% of the corresponding costs of the salt. The filling material is preferably used as a bed in a container, so that the filling material has a large surface area.

Wenn nun flüssiges Salz, welches als Wärmeübertragungsfluid zur Übertragung von Wärme auf das das Wärmespeichermedium bildende Füllmaterial verwendet wird, durch den Behälter (Speicherbehälter 104) geleitet wird, kann effizient Wärme von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium übertragen werden. Durch die Verwendung von Füllmaterial als Wärmespeichermedium können die Kosten auf ungefähr zwei Drittel der Kosten eines Zweitank-Salzspeichers reduziert werden.Now, when liquid salt used as a heat transfer fluid for transferring heat to the filler constituting the heat storage medium is passed through the tank (storage tank 104), heat can be efficiently transferred from the heat transfer fluid to the heat storage medium. By using fill material as the heat storage medium, costs can be reduced to approximately two-thirds of the cost of a two-tank salt storage facility.

Vorteilhaft kann es nun sein, ein Wärmespeichersystem 100 vorzusehen, bei welchem ein intermittierendes Beladen einer Speichervorrichtung 102 möglich ist. Wie beispielsweise 2 zu entnehmen ist, kann hierzu ein rohrförmiger Speicherbehälter 104 vorgesehen sein, welcher mit Wärmespeichermedium gefüllt und mittels eines Wärmeübertragungsfluids durchströmbar ist.It can now be advantageous to provide a heat storage system 100 in which intermittent charging of a storage device 102 is possible. Like for example 2 As can be seen, a tubular storage container 104 can be provided for this purpose, which is filled with heat storage medium and through which a heat transfer fluid can flow.

Die in den 3 bis 6 dargestellte Beladungszeit t ist der zur Beladung verfügbare Zeitraum, in welchem vorzugsweise das gesamte Wärmespeichermedium eine Endtemperatur erreicht, die beispielsweise um 50 K über der ursprünglichen Temperatur liegt. Das Wärmeübertragungsfluid, das durch das Wärmespeichermedium strömt, hat idealisierterweise zu jedem Zeitpunkt die Endtemperatur. Im Referenzfall (3) strömt das Wärmeübertragungsfluid kontinuierlich durch das Wärmespeichermedium (Nutzung der Beladungszeit zu 100 %: 100 % Beladezeit). Wie 7 zu entnehmen ist, führt dies zu einem kontinuierlichen Verlauf des Beladungszustandes von 0 (leer) bis 1 (vollständig auf Endtemperatur). Bei weiteren Beispielen wird das Wärmespeichermedium zyklisch von dem Wärmeübertragungsfluid durchströmt. So kann beispielsweise gemäß 4 vorgesehen sein, dass nach einer Durchströmungsdauer von 100 Sekunden für weitere 100 Sekunden keine Durchströmung erfolgt und sich hieran anschließend eine weitere Phase von 100 Sekunden Durchströmung anschließt usw. Die Beladungszeit beträgt somit 50 % der möglichen Beladungszeit. Der zeitliche Verlauf des Beladungszustands für diesen Fall ist in 7 mit 50 % gekennzeichnet.The in the 3 until 6 loading time t shown is the time available for loading, in which preferably the entire heat accumulator cher medium reaches a final temperature that is, for example, 50 K above the original temperature. The heat transfer fluid that flows through the heat storage medium ideally has the final temperature at all times. In the reference case ( 3 ) the heat transfer fluid flows continuously through the heat storage medium (100% utilization of the loading time: 100% loading time). how 7 can be seen, this leads to a continuous progression of the load status from 0 (empty) to 1 (completely at end temperature). In further examples, the heat transfer fluid flows cyclically through the heat storage medium. For example, according to 4 be provided that after a flow duration of 100 seconds, there is no flow for a further 100 seconds and this is followed by a further phase of 100 seconds flow, etc. The loading time is thus 50% of the possible loading time. The time course of the loading state for this case is in 7 marked with 50%.

In weiteren Beispielen werden die Phasen ohne Durchströmung ausgedehnt (200 Sekunden ohne Durchströmung entspricht 33 % Beladungszeit (5); 300 Sekunden ohne Durchströmung entspricht 25 % Beladungszeit (6)).In further examples, the phases without flow are extended (200 seconds without flow corresponds to 33% loading time ( 5 ); 300 seconds without flow corresponds to 25% loading time ( 6 )).

Wie 7 zu entnehmen ist, beeinflusst die Beladungszeit nur in begrenztem Umfang den erreichbaren Beladungszustand.how 7 can be seen, the loading time affects the achievable loading condition only to a limited extent.

Wie 8 zu entnehmen ist, welche eine Illustration der flächenspezifischen Wärmestromdichten W an der Position des Kontaktes zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und dem Wärmespeichermedium ist, führt die zyklische Beladung zu zwischenzeitlich sehr hohen Wärmestromdichten und somit trotz langer Unterbrechungsphasen zu einem hohen Wärmeübertrag von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium.how 8th can be seen, which is an illustration of the area-specific heat flow densities W at the position of contact between the heat transfer fluid and the heat storage medium, the cyclic loading leads to very high heat flow densities in the meantime and thus to a high heat transfer from the heat transfer fluid to the heat storage medium despite long interruption phases.

Dies ergibt sich insbesondere durch die höhere Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und dem Wärmespeichermedium an den Kontaktflächen bei intermittierender Beladung, welche wiederum aus einem Temperaturausgleich des Wärmespeichermediums in Phasen ohne Durchströmung resultiert.This results in particular from the higher temperature difference between the heat transfer fluid and the heat storage medium at the contact surfaces with intermittent loading, which in turn results from a temperature equalization of the heat storage medium in phases without flow.

Die Leistung einer Speichervorrichtung 102 kann somit erhöht werden, wenn zyklisch einzelne Speichersegmente beladen werden, um in den restlichen Segmenten einen Temperaturausgleich innerhalb des Wärmespeichermediums zu ermöglichen, der vor Beginn der nächsten Beladungsphase die Temperaturdifferenz an der Kontaktfläche zwischen Wärmeübertragungsfluid und Wärmespeichermedium vergrößert. Für den Fall der vorstehend erörterten zyklischen Beladung über einen Zeitraum von 25 % der Gesamtbeladungszeit bedeutet dies beispielsweise, dass in den verbleibenden 75 % der Zeit drei andere Speichersegmente ähnlich beladen werden könnten, wodurch eine deutliche Steigerung der Gesamtleistung möglich ist. Darüber hinaus besteht noch ein Optimierungspotential, da bei der zyklischen Beladung die Dauer der Beladung und der Pausen in Abhängigkeit vom Beladungszustand noch variiert werden kann.The performance of a storage device 102 can thus be increased if individual storage segments are cyclically loaded in order to allow temperature equalization within the heat storage medium in the remaining segments, which increases the temperature difference at the contact surface between the heat transfer fluid and the heat storage medium before the start of the next loading phase. For example, in the case of the cyclic loading discussed above over a period of 25% of the total loading time, this means that three other memory segments could be loaded similarly in the remaining 75% of the time, thereby enabling a significant increase in overall performance. In addition, there is still potential for optimization, as with cyclic loading, the duration of loading and the breaks can still be varied depending on the loading status.

Insbesondere kann die zyklische Beladung für Systeme von Interesse sein, bei denen nur geringe Druckunterschiede zwischen Wärmespeichermedium und Wärmeübertragungsfluid bestehen und daher nur ein geringer Aufwand für die Strömungsführung (insbesondere keine besonderen Druckrohre) erforderlich ist.In particular, cyclic loading can be of interest for systems in which there are only small pressure differences between the heat storage medium and the heat transfer fluid and therefore only a small amount of effort is required for the flow control (in particular no special pressure pipes).

In den 9 bis 15 ist eine erste Ausführungsform einer Speichervorrichtung 102 eines Wärmespeichersystems 100 zu entnehmen, mittels welcher ein vorteilhaftes intermittierendes Beladen möglich ist.In the 9 until 15 a first embodiment of a storage device 102 of a heat storage system 100 can be seen, by means of which an advantageous intermittent charging is possible.

Die Speichervorrichtung 102 umfasst hierzu eine Fluidzuführvorrichtung 112, welche eine Verteilungsvorrichtung 114 aufweist, mittels derer Wärmeübertragungsfluid von der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 zu verschiedenen Speicherabschnitten 116 der Speichervorrichtung 102 zuführbar ist (siehe insbesondere 9 und 10).For this purpose, the storage device 102 comprises a fluid supply device 112, which has a distribution device 114, by means of which heat transfer fluid can be supplied from the heat transfer device 106 to various storage sections 116 of the storage device 102 (see in particular 9 and 10 ).

Mittels einer Fluidrückführvorrichtung 113 kann das Wärmeübertragungsfluid zurück zu der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 gefördert werden, so dass ein Fluidkreislauf für das Wärmeübertragungsfluid gebildet ist (siehe 11).The heat transfer fluid can be conveyed back to the heat transfer device 106 by means of a fluid return device 113, so that a fluid circuit for the heat transfer fluid is formed (see FIG 11 ).

Um wahlweise verschiedenen Speicherabschnitten 116 der Speichervorrichtung 102 Wärmeübertragungsfluid zuführen zu können, kann vorgesehen sein, dass die Verteilungsvorrichtung 114 in der vertikalen Richtung (in der Höhe) variabel ist und somit wahlweise lediglich ein Teil der Speicherabschnitte 116 der Speichervorrichtung 102 bezüglich der Höhe der Speichervorrichtung 102 mit Wärmeübertragungsfluid durchströmbar ist.In order to be able to selectively supply heat transfer fluid to different storage sections 116 of storage device 102, it can be provided that distribution device 114 is variable in the vertical direction (in height) and thus optionally only part of storage sections 116 of storage device 102 with respect to the height of storage device 102 can flow through with heat transfer fluid.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mittels der Verteilungsvorrichtung 114 wahlweise unterschiedlichen Segmenten 118 der Speichervorrichtung 102 Wärmeübertragungsfluid zuführbar ist.As an alternative or in addition to this, provision can be made for heat transfer fluid to be able to be supplied to different segments 118 of the storage device 102 by means of the distribution device 114 .

Die Speichervorrichtung 102 umfasst bei der in den 9 bis 15 dargestellten ersten Ausführungsform plattenförmige Wärmespeicherelemente 120, welche mit Wärmeübertragungsfluid überströmt werden und hierdurch Wärme von dem Wärmeübertragungsfluid aufnehmen können.The memory device 102 comprises in the in the 9 until 15 illustrated first embodiment plate-shaped heat storage elements 120, which flows over with heat transfer fluid are and can thereby absorb heat from the heat transfer fluid.

Eine solche Speichervorrichtung 102 kann beispielsweise für Parabolrinnenkraftwerke zum Einsatz kommen, wobei als Wärmespeichermedium gestapelte Platten, beispielsweise aus Beton oder Quarzit, eingesetzt werden, welche im Bereich der Kontaktflächen, die mit Wärmeübertragungsfluid in Kontakt kommen, versiegelt werden können.Such a storage device 102 can be used, for example, for parabolic trough power plants, with stacked plates, for example made of concrete or quartzite, being used as the heat storage medium, which can be sealed in the area of the contact surfaces that come into contact with heat transfer fluid.

Derartige plattenförmige Wärmespeicherelemente 120 sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sich Rinnen 122 für das Wärmeübertragungsfluid, insbesondere für flüssiges Salz, ergeben.Such plate-shaped heat storage elements 120 are preferably designed in such a way that grooves 122 are formed for the heat transfer fluid, in particular for liquid salt.

Bei der Beladung der Speichervorrichtung 102 ist vorzugsweise zu gewährleisten, dass das Wärmeübertragungsfluid am Austritt eine zulässige Maximaltemperatur nicht überschreitet. Die Speichervorrichtung 102 ist beladen, wenn das unterste Wärmespeicherelement 120 diese Temperatur erreicht hat. Die anderen Bereiche des Wärmespeichermediums sollten zu diesem Zeitpunkt eine Temperatur erreicht haben, die möglichst dicht an einer Eintrittstemperatur des Wärmeübertragungsfluids an der Verteilungsvorrichtung 114 liegt.When loading the storage device 102, it should preferably be ensured that the heat transfer fluid at the outlet does not exceed a permissible maximum temperature. The storage device 102 is loaded when the bottom heat storage element 120 has reached this temperature. At this point in time, the other areas of the heat storage medium should have reached a temperature which is as close as possible to an inlet temperature of the heat transfer fluid at the distribution device 114 .

Bei der Entladung der Speichervorrichtung 102 kann der Speicherbereich mit niedrigerer Temperatur zunächst für eine Vorwärmung des Wärmeübertragungsfluids genutzt werden, bevor das Wärmeübertragungsfluid den übrigen Speicherbereichen zugeführt wird. Die Wärmespeicherelemente 120 können vorzugsweise so durchströmt werden, dass sich in radialer Richtung ein Temperaturprofil ausbildet. Bei der Entladung wird dann vorzugsweise die Strömungsrichtung umgekehrt. In diesem Fall wären die plattenförmigen Wärmespeicherelemente 120 ohne eine Neigung angeordnet.When the storage device 102 is discharged, the storage area with the lower temperature can first be used to preheat the heat transfer fluid before the heat transfer fluid is supplied to the other storage areas. The heat storage elements 120 can preferably be flowed through in such a way that a temperature profile is formed in the radial direction. During the discharge, the direction of flow is then preferably reversed. In this case, the plate-shaped heat storage elements 120 would be arranged without an inclination.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Speichervorrichtung 102 neben dem in den 9 und 10 dargestellten Hauptspeicher einen zusätzlichen Niedertemperaturspeicher 124 umfasst, welcher eine geringere Kapazität als der Hauptspeicher aufweist und während der Beladung dazu genutzt wird, die Temperatur am Austritt der Speichervorrichtung 102 auf einen zulässigen Maximalwert zu begrenzen. Am Ende der Beladungsphase liegt die Temperatur des Wärmespeichermediums im Hauptspeicher vorzugsweise dicht an der Eintrittstemperatur des heißen Wärmeübertragungsfluids, während sich im Niedertemperaturspeicher 124 vorzugsweise ein abfallendes Temperaturprofil in Richtung Austritt einstellt. Der Niedertemperaturspeicher 124 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sich die Strömungsrichtung umkehren lässt.Alternatively, it can be provided that the memory device 102 in addition to the 9 and 10 Main memory shown includes an additional low-temperature memory 124, which has a lower capacity than the main memory and is used during loading to limit the temperature at the outlet of the storage device 102 to a maximum permissible value. At the end of the loading phase, the temperature of the heat storage medium in the main store is preferably close to the inlet temperature of the hot heat transfer fluid, while in the low-temperature store 124 there is preferably a decreasing temperature profile in the direction of the outlet. The low-temperature reservoir 124 is preferably designed in such a way that the direction of flow can be reversed.

Während der Entladung tritt vorzugsweise kaltes Wärmeübertragungsfluid auf der Seite der minimalen Temperatur des Wärmespeichermediums ein. Das Wärmeübertragungsfluid wird dann vorzugsweise im Niedertemperaturspeicher 124 vorgewärmt. Bei dieser Vorwärmung wird auch gewährleistet, dass die Temperatur des Niedertemperaturspeichers 124 vor dem nächsten Beladungsvorgang abgesenkt wird, um dann wieder eine ausreichend niedrige Austrittstemperatur zu gewährleisten.During discharge, cold heat transfer fluid preferentially enters on the minimum temperature side of the heat storage medium. The heat transfer fluid is then preferably preheated in low temperature reservoir 124 . This preheating also ensures that the temperature of the low-temperature reservoir 124 is lowered before the next loading process in order to then ensure a sufficiently low outlet temperature again.

Da der Niedertemperaturspeicher 124 vor allem die Austrittstemperatur während der Beladung niedrig halten soll, kann hier auch der Einsatz eines Phasenwechselmaterials (PCM-Materials) als Wärmespeichermedium in Betracht gezogen werden.Since the low-temperature storage device 124 is primarily intended to keep the outlet temperature low during charging, the use of a phase change material (PCM material) as a heat storage medium can also be considered here.

Wie insbesondere den 13 und 14 zu entnehmen ist, kann der Niedertemperaturspeicher 124 so ausgeführt werden, dass er aus plattenförmigen (keilförmigen) Wärmespeicherelementen 120 gebildet ist, welche beim Durchströmen mit Wärmeübertragungsfluid entlang des Strömungsweges des Wärmeübertragungsfluids ein Temperaturprofil im Wärmespeichermedium ausbilden. Die Strömungsrichtung muss in diesem Fall zwischen der Beladung (13) und der Entladung (14) umgekehrt werden. Hierzu können beispielsweise verschiedene Strömungspfade vorgesehen sein, welche eine gegenläufige Neigung aufweisen. Eine Strömung des Wärmeübertragungsfluids ergibt sich dann aus dem Höhenunterschied zwischen Eintritt und Austritt.Like the one in particular 13 and 14 can be seen, the low-temperature storage 124 can be designed so that it is formed from plate-shaped (wedge-shaped) heat storage elements 120, which form a temperature profile in the heat storage medium when the heat transfer fluid flows along the flow path of the heat transfer fluid. In this case, the direction of flow must be between the loading ( 13 ) and the discharge ( 14 ) are reversed. For this purpose, for example, different flow paths can be provided which have an opposite inclination. A flow of the heat transfer fluid then results from the difference in height between the inlet and outlet.

Durch eine wellenförmige Struktur der Strömungspfade kann zudem eine Kontaktfläche zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und dem Wärmespeichermedium vergrößert werden (siehe 15).A wave-shaped structure of the flow paths can also increase the contact area between the heat transfer fluid and the heat storage medium (see Fig 15 ).

Wie der in den 16 bis 18 dargestellten zweiten Ausführungsform einer Speichervorrichtung 102 zu entnehmen ist, kann vorgesehen sein, dass der Strömungspfad des Wärmeübertragungsfluids eine leichte Neigung aufweist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Speichervorrichtung 102 eine zylindrische Grundplatte 126 mit konusförmiger Ausnehmung 127 umfasst, auf welche eine komplementär zu der Ausnehmung 127 ausgebildete, konusförmige Deckplatte 128 aufgesetzt ist. Zwischen der Grundplatte 126 und der Deckplatte 128 ist vorzugsweise ein Strömungskanal 130 ausgebildet.Like the one in the 16 until 18 illustrated second embodiment of a storage device 102 can be seen, it can be provided that the flow path of the heat transfer fluid has a slight incline. For example, it can be provided that the storage device 102 comprises a cylindrical base plate 126 with a conical recess 127, on which a conical cover plate 128 designed to complement the recess 127 is placed. A flow channel 130 is preferably formed between the base plate 126 and the cover plate 128 .

Bei der Beladung wird das heiße Wärmeübertragungsfluid vorzugsweise über eine zentrale Öffnung 129 in der Grundplatte 126 mit leichtem Überdruck zugeführt, so dass das kalte Wärmeübertragungsfluid dann am äußeren Umfangsrand 131 der Grundplatte 126 wieder austritt.During loading, the hot heat transfer fluid is preferably supplied via a central opening 129 in the base plate 126 with a slight excess pressure, so that the cold heat transfer fluid then exits again at the outer peripheral edge 131 of the base plate 126 .

Während der Entladung erfolgt vorzugsweise eine Zufuhr über den äußeren Umfangsrand 131 der Grundplatte 126 und eine Entnahme des Wärmeübertragungsfluids an der zentralen Öffnung 129 nach Durchströmen des Strömungskanals 130.During discharge, the heat transfer fluid is preferably supplied via the outer peripheral edge 131 of the base plate 126 and removed at the central opening 129 after flowing through the flow channel 130.

Bei einer (nicht dargestellten) Ausführungsform einer Speichervorrichtung 102 sind mehrere solcher Kombinationen aus Grundplatte 126 und Deckplatte 128 übereinander angeordnet, so dass hierdurch mehrere Speicherabschnitte 116 einer Speichervorrichtung 102 gebildet werden.In one embodiment (not shown) of a storage device 102, a plurality of such combinations of base plate 126 and cover plate 128 are arranged one above the other, thereby forming a plurality of storage sections 116 of a storage device 102.

Diese Speicherabschnitte 116 können, wie vorstehend im Zusammenhang mit der intermittierenden Beladung beschrieben, abwechselnd zur Beladung der Speichervorrichtung 102 mit Wärmeübertragungsfluid durchströmt werden.As described above in connection with the intermittent charging, these storage sections 116 can be flowed through alternately with heat transfer fluid in order to charge the storage device 102 .

Ferner kann selbstverständlich auch ein intermittierendes Entladen derartiger Speichervorrichtungen 102 erfolgen.Furthermore, of course, such storage devices 102 can also be discharged intermittently.

Im Übrigen stimmt die in den 16 bis 18 dargestellte zweite Ausführungsform einer Speichervorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau und Funktion im Wesentlichen mit der in den 9 bis 15 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the correct in the 16 until 18 illustrated second embodiment of a memory device 102 in terms of structure and function essentially with the in the 9 until 15 illustrated first embodiment match, so that reference is made to the extent to their above description.

Eine in den 19 und 20 dargestellte dritte Ausführungsform einer Speichervorrichtung 102 unterscheidet sich von der in den 16 bis 18 dargestellten zweiten Ausführungsform einer Speichervorrichtung 102 im Wesentlichen dadurch, dass anstelle einer Grundplatte 126 und einer Deckplatte 128 zur Speicherung von Wärme ein im Wesentlichen zylindrischer Speicherbehälter 104 vorgesehen ist, welcher mit einem Wärmeübertragungsfluid (beispielsweise Luft) in vertikaler Richtung durchströmbar ist.one in the 19 and 20 illustrated third embodiment of a memory device 102 differs from that in FIGS 16 until 18 illustrated second embodiment of a storage device 102 essentially in that instead of a base plate 126 and a cover plate 128 for storing heat, a substantially cylindrical storage container 104 is provided, through which a heat transfer fluid (e.g. air) can flow in the vertical direction.

Die Durchströmung des Speicherbehälters 104 erfolgt dabei nicht über die gesamte Grundfläche des Speicherbehälters 104, sondern mittels einer Sektorenscheibe 132 des Speicherbehälters 104 gesteuert über jeweils lediglich einen Abschnitt 134 des Speicherbehälters 104.The flow through the storage container 104 does not take place over the entire base area of the storage container 104, but controlled by means of a sector disc 132 of the storage container 104 via only one section 134 of the storage container 104.

Ein solcher Abschnitt 134 ist somit durch die Größe der Sektorenscheibe 132 vorgegeben.Such a section 134 is thus predetermined by the size of the sector disk 132 .

Bei der in den 19 und 20 dargestellten dritten Ausführungsform der Speichervorrichtung 102 weist die Sektorenscheibe 132 eine Größe von ungefähr drei Viertel der Grundfläche des Speicherbehälters 104 auf, so dass über diesen Anteil der Grundfläche des Speicherbehälters 104 eine Zuführung von Wärmeübertragungsfluid zu dem Wärmespeichermedium in dem Speicherbehälter 104 mittels der Sektorenscheibe 132 verhindert wird.At the in the 19 and 20 In the third embodiment of storage device 102 illustrated, sector disk 132 has a size of approximately three quarters of the base area of storage container 104, so that this proportion of the base area of storage container 104 prevents heat transfer fluid from being supplied to the heat storage medium in storage container 104 by means of sector disk 132 .

Die Sektorenscheibe 132 ist im Wesentlichen horizontal ausgerichtet und kann um eine Zylinderachse 136 des Speicherbehälters 104 gedreht werden, so dass nacheinander unterschiedliche Abschnitte 134, das heißt unterschiedliche Speicherabschnitte 116 der Speichervorrichtung 102, mit Wärmeübertragungsfluid durchströmbar sind.The sector disk 132 is oriented essentially horizontally and can be rotated about a cylinder axis 136 of the storage container 104 so that successively different sections 134, ie different storage sections 116 of the storage device 102, can be flowed through with heat transfer fluid.

Bei der zyklischen Beladung der Speichervorrichtung 102 gemäß den 19 und 20 ist nicht zwingend notwendig, dass die Sektorenscheibe 132 stets eine vollständige Abdeckung der nicht zu durchströmenden Bereiche (Speicherabschnitte 116) gewährleistet.In the cyclic loading of the storage device 102 according to the 19 and 20 is not absolutely necessary for the sector disc 132 to always ensure complete coverage of the areas not to be flown through (storage sections 116).

Vielmehr kann es ausreichend sein, wenn die Durchströmung des Wärmespeichermediums in dem Speicherbehälter 104 zeitlich aufgrund der variablen Abdeckung durch die Sektorenscheibe 132 variiert.Rather, it can be sufficient if the flow through the heat storage medium in the storage container 104 varies over time due to the variable coverage by the sector disk 132 .

Grundsätzlich können die Speichervorrichtungen 102 zur Speicherung von thermischer Energie in der Prozess- und Kraftwerkstechnik bei Temperaturen über 100 °C verwendet werden.In principle, the storage devices 102 can be used to store thermal energy in process and power plant technology at temperatures above 100°C.

Insbesondere eignen sich diese Speichervorrichtungen 102 für solarthermische Kraftwerke, beispielsweise in Zweikreiskonzepten oder Systemen mit Salz als Arbeitsmedium im Receiver (z. B. Solar Tres).In particular, these storage devices 102 are suitable for solar thermal power plants, for example in two-circuit concepts or systems with salt as the working medium in the receiver (eg Solar Tres).

Vorteilhaft kann es sein, wenn eine Speichervorrichtung 102 auf der Basis sensibler Speichermaterialien mit Luft als Wärmeübertragungsmedium (Arbeitsmedium) realisiert wird.It can be advantageous if a storage device 102 is implemented on the basis of sensitive storage materials with air as the heat transfer medium (working medium).

So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass als Wärmeübertragungsfluid Thermoöl/Luft mit integrierter Speicherkapazität verwendet wird.For example, provision can be made for thermal oil/air with an integrated storage capacity to be used as the heat transfer fluid.

Ferner kann ein Phasenwechselmedium in einer Speichervorrichtung 102 insbesondere für Solar-Luftkollektoren vorteilhaft sein.Furthermore, a phase change medium in a storage device 102 may be advantageous, particularly for solar air collectors.

Im Übrigen stimmt die in den 19 und 20 dargestellte dritte Ausführungsform einer Speichervorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau und Funktion im Wesentlichen mit der in den 16 bis 18 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the correct in the 19 and 20 illustrated third embodiment of a memory device 102 in terms of structure and function essentially with the in the 16 until 18 illustrated second embodiment, so that reference is made to the above description in this respect.

In den 21 bis 23 ist eine vierte Ausführungsform einer Speichervorrichtung 102 dargestellt, bei welcher voneinander verschiedene Speicherabschnitte 116 der Speichervorrichtung 102 durch voneinander verschiedene Speicherbehälter 138 realisiert sind.In the 21 until 23 A fourth embodiment of a memory device 102 is shown, in which mutually different memory sections 116 of the memory device 102 are realized by mutually different storage containers 138.

Die Speicherbehälter 138 sind bei der in den 21 bis 23 dargestellten vierten Ausführungsform der Speichervorrichtung 102 mit Feststoffpartikeln als Wärmespeichermedium gefüllt, welche in einer Schüttung angeordnet sind.The storage containers 138 are in the in the 21 until 23 illustrated fourth embodiment of the storage device 102 filled with solid particles as a heat storage medium, which are arranged in a bed.

Eine Beladung der Speichervorrichtung 102 mit Wärme erfolgt vorzugsweise dadurch, dass das Wärmeübertragungsfluid direkt durch die Schüttung hindurchgeleitet wird.The storage device 102 is preferably charged with heat in that the heat transfer fluid is passed directly through the bed.

Die Fluidzuführvorrichtung 112 ist bei der in den 21 bis 23 dargestellten vierten Ausführungsform der Speichervorrichtung 102 mit mehreren Ventilen 140 versehen, so dass das mittels einer Pumpe 142 der Fluidzuführvorrichtung 112 geförderte Wärmeübertragungsfluid wahlweise gezielt jeweils nur einem Speicherbehälter 138 zugeführt werden kann.The fluid delivery device 112 is in the in the 21 until 23 illustrated fourth embodiment of the storage device 102 is provided with a plurality of valves 140, so that the heat transfer fluid conveyed by means of a pump 142 of the fluid supply device 112 can be selectively supplied to only one storage container 138 in each case.

Bei dem in 21 dargestellten Speicherzustand der Speichervorrichtung 102 ist das Wärmeübertragungsfluid in einem Vorratsbehälter 144 der Speichervorrichtung 102 angeordnet.At the in 21 storage state of the storage device 102 shown, the heat transfer fluid is arranged in a reservoir 144 of the storage device 102 .

Zur Beladung der Speicherbehälter 138 mit Wärme wird das Wärmeübertragungsfluid aus dem Vorratsbehälter 144 entnommen und mittels der Pumpe 142 zunächst der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 zugeführt.In order to charge the storage tank 138 with heat, the heat transfer fluid is removed from the storage tank 144 and first fed to the heat transfer device 106 by means of the pump 142 .

In der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 wird das Wärmeübertragungsfluid erhitzt.In the heat transfer device 106, the heat transfer fluid is heated.

Anschließend wird das Wärmeübertragungsfluid mittels der Fluidzuführvorrichtung 112 einem der Speicherbehälter 138 zugeführt.Subsequently, the heat transfer fluid is supplied to one of the storage tanks 138 by means of the fluid supply device 112 .

Das Wärmeübertragungsfluid wird zur Übertragung der Wärme auf das Wärmespeichermedium durch den Speicherbehälter 138 hindurchgeführt und kühlt sich dabei ab.The heat transfer fluid is passed through the storage container 138 to transfer the heat to the heat storage medium and cools down in the process.

Mittels der Fluidrückführvorrichtung 130 wird das abgekühlte Fluid aus dem soeben durchströmten Speicherbehälter 138 erneut der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 zugeführt.The cooled fluid from the storage container 138 through which it has just flowed is fed back to the heat transfer device 106 by means of the fluid return device 130 .

Innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums von beispielsweise ungefähr acht Stunden wird das Wärmeübertragungsfluid in einem Kreislauf durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 106 und den einen Speicherbehälter 138 geführt und wird dabei in der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 auf eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 500 °C erhitzt und anschließend durch ein Übertragen der Wärme auf das Wärmespeichermedium in dem Speicherbehälter 138 auf eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 200 °C abgekühlt.Within a predetermined time period of, for example, approximately eight hours, the heat transfer fluid is circulated through the heat transfer device 106 and one storage tank 138 and is thereby heated in the heat transfer device 106 to a temperature of, for example, approximately 500° C. and then by transferring the heat to the heat storage medium in the storage tank 138 is cooled to a temperature of, for example, about 200°C.

Wenn der erste Speicherbehälter 138 zu einem vorgegebenen Maß mit Wärme beladen ist, kann mittels der Ventile 140 die Zuführung des Wärmeübertragungsfluids so gesteuert werden, dass nunmehr anstelle des ersten Speicherbehälters 138 ein anderer Speicherbehälter 138 zum Beladen mit Wärme mit Wärmeübertragungsfluid durchströmt wird.If the first storage container 138 is loaded with heat to a predetermined extent, the supply of the heat transfer fluid can be controlled by means of the valves 140 such that instead of the first storage container 138, another storage container 138 for loading with heat is flowed through with heat transfer fluid.

Der Fluidkreislauf des Wärmeübertragungsfluids wird dann mittels des zweiten Speicherbehälters 138 für eine vorgegebene Zeit aufrechterhalten, bis die gewünschte Wärmemenge in dem zweiten Speicherbehälter 138 gespeichert ist.The fluid circuit of the heat transfer fluid is then maintained via the second storage tank 138 for a predetermined time until the desired amount of heat is stored in the second storage tank 138 .

Entsprechend kann eine Beladung der weiteren Speicherbehälter 138 mit Wärme erfolgen.Accordingly, the additional storage containers 138 can be charged with heat.

Insbesondere können auf diese Weise beispielsweise 10 t Wärmespeichermedium, beispielsweise Gestein, mittels beispielsweise ungefähr 2,5 t flüssigem Salz zuverlässig und effizient durchströmt und mit Wärme beladen werden.In particular, in this way, for example, 10 t of heat storage medium, for example rock, can be flowed through reliably and efficiently by means of, for example, approximately 2.5 t of liquid salt and charged with heat.

Zwischen dem Beladen zweier Speicherbehälter 138 kann vorgesehen sein, dass das Wärmeübertragungsfluid zurück in den Vorratsbehälter 144 befördert wird.Provision can be made for the heat transfer fluid to be conveyed back into the storage container 144 between the loading of two storage containers 138 .

Dies kann beispielsweise mittels der Pumpe 142 geschehen. Alternativ hierzu kann eine (nicht dargestellte) Saugvorrichtung an dem Vorratsbehälter 144 angeordnet sein, mittels welcher das Wärmeübertragungsfluid zurück in den Vorratsbehälter 144 gesaugt werden kann.This can be done by means of the pump 142, for example. As an alternative to this, a suction device (not shown) can be arranged on the reservoir 144 by means of which the heat transfer fluid can be sucked back into the reservoir 144 .

Bei der in den 21 bis 23 dargestellten vierten Ausführungsform der Speichervorrichtung 102 ist die Gesamtmasse des Wärmeübertragungsfluids reduziert. Das Gesamtvolumen des Wärmespeichermediums ist in vier Teilvolumen unterteilt, so dass sich das zum Durchströmen des Wärmeübertragungsmediums benötigte Volumen des Wärmeübertragungsfluids im Wesentlichen auf ein Viertel der Menge beschränkt, welche bei der Verwendung eines einzigen großen Speicherbehälters 138 benötigt würde.At the in the 21 until 23 illustrated fourth embodiment of the storage device 102, the total mass of the heat transfer fluid is reduced. The total volume of the heat storage medium is divided into four sub-volumes, so that the volume of heat transfer fluid required to flow through the heat transfer medium is essentially limited to a quarter of the amount that would be required if a single large storage container 138 were used.

Somit kann eine kostengünstige Speichervorrichtung 102 mit hoher Wärmespeicherkapazität realisiert werden.Thus, an inexpensive storage device 102 with a high heat storage capacity can be realized.

Bezugszeichenlistereference list

100100: Wärmespeichersystemheat storage system
102102: Speichervorrichtungstorage device
104104: Speicherbehälterstorage tank
106106: Wärmeübertragungsvorrichtungheat transfer device
108108: Heißtankhot tank
110110: Kalttankcold tank
112112: Fluidzuführvorrichtungfluid delivery device
113113: Fluidrückführvorrichtungfluid return device
114114: Verteilungsvorrichtungdistribution device
116116: Speicherabschnittstorage section
118118: Segmentsegment
120120: Wärmespeicherelementheat storage element
122122: Rinnegutter
124124: Niedertemperaturspeicherlow-temperature storage
126126: Grundplattebase plate
127127: konusförmige Ausnehmungconical recess
128128: Deckplattecover plate
129129: Öffnungopening
130130: Strömungskanalflow channel
131131: Umfangsrandperimeter edge
132132: Sektorenscheibesector disc
134134: Abschnittsection
136136: Zylinderachsecylinder axis
138138: Speicherbehälterstorage tank
140140: VentilValve
142142: Pumpepump
144144: Vorratsbehälterreservoir

Claims

Wärmespeichersystem zur Speicherung von Wärme mittels eines Wärmespeichermediums, umfassend: eine Speichervorrichtung (102) und eine Fluidzuführvorrichtung (112) zur Zuführung eines Wärmeübertragungsfluids von einer Wärmeübertragungsvorrichtung (106) zu der Speichervorrichtung (102) zur Beladung der Speichervorrichtung (102) mit Wärme, wobei die Speichervorrichtung (102) mindestens zwei Speicherabschnitte (116) umfasst, welche jeweils zumindest teilweise mit einem Wärmespeichermedium gefüllt und unabhängig voneinander mit Wärmeübertragungsfluid durchströmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsfluid mittels der Fluidzuführvorrichtung (112) wahlweise jeweils einem der mindestens zwei Speicherabschnitte (116) zuführbar ist, wobei eine Übertragung der Wärme von dem Wärmespeichermedium auf das Wärmeübertragungsfluid und/oder von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium durch direkten stofflichen Kontakt erfolgt, wobei das Wärmespeichermedium in mindestens einem Speicherabschnitt (116) ein Feststoff ist und ein Mineral und/oder ein Gestein umfasst, wobei das Wärmeübertragungsfluid ein flüssiges Salz und/oder ein Thermoöl umfasst.A heat storage system for storing heat by means of a heat storage medium, comprising: a storage device (102) and a fluid supply device (112) for supplying a heat transfer fluid from a heat transfer device (106) to the storage device (102) for charging the storage device (102) with heat, the Storage device (102) comprises at least two storage sections (116), which are each at least partially filled with a heat storage medium and through which heat transfer fluid can flow independently of one another, characterized in that the heat transfer fluid can be supplied to one of the at least two storage sections (116) by means of the fluid supply device (112) can be fed, wherein a transfer of heat from the heat storage medium to the heat transfer fluid and / or from the heat transfer fluid to the heat storage medium takes place by direct material contact, the heat storage medium in at least a storage portion (116) is a solid and comprises a mineral and/or a rock, wherein the heat transfer fluid comprises a liquid salt and/or a thermal oil.

Wärmespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichersystem (100) eine Fluidrückführvorrichtung (113) zur Rückführung des Wärmeübertragungsfluids von der Speichervorrichtung (102) zu der Wärmeübertragungsvorrichtung (106) umfasst.heat storage system claim 1 , characterized in that the heat storage system (100) comprises a fluid return device (113) for returning the heat transfer fluid from the storage device (102) to the heat transfer device (106).

Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichersystem (100) mindestens einen Vorratsbehälter (144) zur Aufnahme des Wärmeübertragungsfluids umfasst.Heat storage system according to one of Claims 1 until 2 , characterized in that the heat storage system (100) comprises at least one reservoir (144) for receiving the heat transfer fluid.

Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Speicherabschnitte (116) der Speichervorrichtung (102) durch mindestens zwei voneinander getrennte Abschnitte (134) eines Speicherbehälters (104, 138) gebildet sind.Heat storage system according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that at least two storage sections (116) of the storage device (102) are formed by at least two separate sections (134) of a storage container (104, 138).

Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Speicherabschnitte (116) der Speichervorrichtung (102) durch mindestens zwei voneinander getrennte Speicherbehälter (104, 138) gebildet sind.Heat storage system according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that at least two storage sections (116) of the storage device (102) are formed by at least two separate storage containers (104, 138).

Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gesamtvolumen des Wärmeübertragungsfluids des Wärmespeichersystems (100) höchstens ungefähr 50% des Gesamtvolumens des Wärmespeichermediums des Wärmespeichersystems (100) beträgt.Heat storage system according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that a total volume of the heat transfer fluid of the thermal storage system (100) is at most about 50% of the total volume of the thermal storage medium of the thermal storage system (100).

Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Speicherabschnitte (116) der Speichervorrichtung (102) unabhängig voneinander transportabel sind.Heat storage system according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that at least two storage sections (116) of the storage device (102) are independently transportable.

Verfahren zum Speichern von Wärme mittels eines Wärmespeichersystems (100), umfassend Folgendes: - Erhitzen von Wärmeübertragungsfluid mittels einer Wärmeübertragungsvorrichtung (106); - Beladen einer Speichervorrichtung (102) des Wärmespeichersystems (100) mit Wärme durch Zuführen des Wärmeübertragungsfluids von der Wärmeübertragungsvorrichtung (106) zu der Speichervorrichtung (102) mittels einer Fluidzuführvorrichtung (112), wobei die Speichervorrichtung (102) mindestens zwei zumindest teilweise mit einem Wärmespeichermedium gefüllte, unabhängig voneinander mit Wärmeübertragungsfluid durchströmbare Speicherabschnitte (116) umfasst, wobei das Wärmespeichermedium in mindestens einem Speicherabschnitt (116) ein Feststoff ist und ein Mineral und/oder ein Gestein umfasst, wobei das Wärmeübertragungsfluid ein flüssiges Salz und/oder ein Thermoöl umfasst, wobei für eine intermittierende Beladung der Speichervorrichtung (102) das Wärmeübertragungsfluid mittels der Fluidzuführvorrichtung (112) wahlweise jeweils mindestens einem der mindestens zwei Speicherabschnitte (116) zugeführt wird, so dass sich Phasen, in welchen ein Speicherabschnitt (116) mit Wärmeübertragungsfluid durchströmt wird, mit Phasen, in welchen keine Durchströmung des Speicherabschnitts (116) mit Wärmeübertragungsfluid erfolgt, abwechseln, wobei eine Übertragung der Wärme von dem Wärmespeichermedium auf das Wärmeübertragungsfluid und/oder von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium durch direkten stofflichen Kontakt erfolgt.A method of storing heat using a thermal storage system (100), comprising: - heating heat transfer fluid using a heat transfer device (106); - Loading a storage device (102) of the heat storage system (100) with heat by supplying the heat transfer fluid from the heat transfer device (106) to the storage device (102) by means of a fluid supply device (112), wherein the storage device (102) comprises at least two storage sections (116) which are at least partially filled with a heat storage medium and through which heat transfer fluid can flow independently of one another, the heat storage medium in at least one storage section (116) being a solid and a mineral and/or a comprises rock, wherein the heat transfer fluid comprises a liquid salt and/or a thermal oil, wherein for intermittent charging of the storage device (102) the heat transfer fluid is selectively supplied to at least one of the at least two storage sections (116) by means of the fluid supply device (112), so that phases in which heat transfer fluid flows through a storage section (116) alternate with phases in which no heat transfer fluid flows through the storage section (116), with transfer of the heat from the heat storage medium to the heat transfer fluid and/or takes place from the heat transfer fluid to the heat storage medium by direct physical contact.

Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beladung der Speichervorrichtung (102) mit Wärme mehrere Beladungszyklen durchgeführt werden, wobei in einem Beladungszyklus mindestens zwei Speicherabschnitten (116) der Speichervorrichtung (102) nacheinander jeweils mindestens einmal Wärmeübertragungsfluid zugeführt wird.procedure after claim 8 , characterized in that several loading cycles are carried out to load the storage device (102) with heat, wherein in a loading cycle at least two storage sections (116) of the storage device (102) are successively supplied with heat transfer fluid at least once.

Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer eines Beladungszyklus so gewählt wird, dass innerhalb eines Beladungszyklus höchstens ungefähr 30 % der maximal in der Speichervorrichtung (102) speicherbaren Wärme in die Speichervorrichtung (102) eingebracht wird.procedure after claim 9 , characterized in that the duration of a loading cycle is selected such that at most approximately 30% of the maximum heat that can be stored in the storage device (102) is introduced into the storage device (102) within a loading cycle.

Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Speicherzustand des Wärmespeichersystems (100) das Wärmeübertragungsfluid in einem Vorratsbehälter (144) aufbewahrt wird.Procedure according to one of Claims 8 until 10 , characterized in that in a storage state of the heat storage system (100), the heat transfer fluid is stored in a reservoir (144).

Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entladung der Speichervorrichtung (102) Wärmeübertragungsfluid durch mindestens einen Speicherabschnitt (116) der Speichervorrichtung (102) geleitet und einer Wärmeübertragungsvorrichtung (106) zugeführt wird.Procedure according to one of Claims 8 until 11 , characterized in that for discharging the storage device (102) heat transfer fluid is passed through at least one storage section (116) of the storage device (102) and a heat transfer device (106) is supplied.