DE102013208974A1

DE102013208974A1 - Thermal energy storage

Info

Publication number: DE102013208974A1
Application number: DE102013208974.0A
Authority: DE
Inventors: Bernd Gromoll; Uwe Lenk; Jochen Schäfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2014-11-20
Also published as: WO2014183892A1

Abstract

Das erfindungsgemäße thermische Energiespeichersystem arbeitet mit einem Phasenwechselmaterial als Wärmespeichermaterial und einem Arbeitsfluid als Wärmetransportmaterial wobei das Wärmespeichermaterial ein fest-fest-Phasenwechselmaterial oder ein formstabiles fest-flüssig-Phasenwechselmaterial. Das Phasenwechselmaterial ist so in einen Organic-Rankine-Kreislauf und/oder in einen Kreislauf einer Hochtemperaturwärmepumpe integriert, dass das Arbeitsfluid zum Wärmebeladen oder -entladen des Phasenwechselmaterials in direkten Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial geführt werden kann und so die Kondensation beziehungsweise die Verdampfung des Arbeitsfluids direkt an der Oberfläche des Phasenwechselmaterials passiert, was einen größtmöglichen Wirkungsgrad gewährleistet.The thermal energy storage system according to the invention works with a phase change material as the heat storage material and a working fluid as the heat transport material, the heat storage material being a solid-solid phase change material or a dimensionally stable solid-liquid phase change material. The phase change material is integrated into an organic Rankine cycle and / or into a cycle of a high temperature heat pump so that the working fluid for heat loading or unloading of the phase change material can be brought into direct contact with the phase change material and thus the condensation or evaporation of the working fluid directly happens on the surface of the phase change material, which ensures the greatest possible efficiency.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermischen Energiespeicher, insbesondere einen PCM-Speicher. The present invention relates to a thermal energy storage, in particular a PCM memory.

Beim Be- und Entladen thermischer Energiespeicher muss Wärme über einen Wärmeträger auf das Speichermaterial übertragen werden oder vom Speichermaterial an einen Wärmeträger abgegeben werden. Dies erfolgt häufig beispielsweise über einen Zwischenkreislauf, zum Beispiel mit Thermoöl. Dabei wird eine zusätzliche Temperaturdifferenz in Kauf genommen oder die Wärmeübertragung erfolgt direkt über einen Wärmeträger wie beispielsweise Luft. Dies ist bisher auch die Vorgehensweise bei regenerativen Speichern. Deren Entladen und Beladen erfolgt in bestimmten Temperaturbändern, die je nach Weiterverwendung der gespeicherten Wärme größer oder kleiner sein dürfen. When loading and unloading thermal energy storage heat must be transferred to the storage material via a heat transfer medium or discharged from the storage material to a heat transfer medium. This is often done for example via an intermediate circuit, for example with thermal oil. In this case, an additional temperature difference is accepted or the heat transfer takes place directly via a heat transfer medium such as air. So far, this is also the procedure for regenerative storage. Their unloading and loading takes place in certain temperature bands, which may be larger or smaller depending on the further use of the stored heat.

Wird als Speichermaterial ein Phasenwechselmaterial (PCM) verwendet, soll das Beladen und Entladen des Speichers bei möglichst konstanter Temperatur erfolgen. Nur wenn das Beladen und Entladen des PCM bei eben der Umwandlungstemperatur dieses Materials liegt, wird die Umwandlungsenthalpie voll ausgenutzt. Um dies annähernd gewährleisten zu können muss bisher auf einen Zwischenkreislauf, etwa mit Thermoöl oder Luft, zurückgegriffen werden, was einen zusätzlichen Wärmetauscher notwendig macht und eine zusätzliche Temperaturdifferenz bedeutet. Diese zusätzliche Temperaturdifferenz würde aufgrund des schlechten Wärmeübergangskoeffizienten von Luft oder Öl in einem Wärmetauscher an das Speichermaterial sogar besonders groß ausfallen. Aufgrund der meist sehr niedrigen Wärmeleitfähigkeiten von PCM-Materialen, wie beispielsweise Paraffin, sind außerdem sehr großflächige Wärmetauscher erforderlich um eine entsprechende Lade- und Entladeleistung zu erreichen. If a phase change material (PCM) is used as storage material, the loading and unloading of the storage tank should take place at a temperature that is as constant as possible. Only when the loading and unloading of the PCM is at the same transformation temperature of this material, the transformation enthalpy is fully utilized. In order to be able to ensure this approximately, it has hitherto been necessary to resort to an intermediate circuit, for example with thermal oil or air, which necessitates an additional heat exchanger and means an additional temperature difference. This additional temperature difference would even be particularly large due to the poor heat transfer coefficient of air or oil in a heat exchanger to the storage material. Due to the usually very low thermal conductivity of PCM materials, such as paraffin, also very large heat exchanger are required to achieve a corresponding charge and discharge capacity.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten thermischen Energiespeicher anzugeben, der ohne einen Zwischenkreislauf mit zusätzlichem Wärmetauscher auskommt. It is an object of the present invention to provide an improved thermal energy storage, which manages without an intermediate circuit with additional heat exchanger.

Die Aufgabe ist durch ein System gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. The object is achieved by a system according to claim 1. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Das erfindungsgemäße thermische Energiespeichersystem verwendet ein Phasenwechselmaterial als Wärmespeichermaterial und ein Arbeitsfluid als Wärmetransportmaterial. Dabei ist das Wärmespeichermaterial ein fest-fest-Phasenwechselmaterial oder ein formstabiles fest-flüssig-Phasenwechselmaterial. Das bedeutet, dass das Phasenwechselmaterial auch in der flüssigen Phase formstabil bleibt. Das Phasenwechselmaterial ist dabei so in einen Kreislauf des Arbeitsfluids zum Wärmebeladen oder -entladen des Phasenwechselmaterials integriert, dass das Arbeitsfluid in direkten Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial führbar ist, so dass die Kondensation bzw. die Verdampfung des Arbeitsfluids direkt an der Oberfläche des Phasenwechselmaterials vornehmbar ist. Dies hat den Vorteil, dass durch die direkte Verdampfung und Kondensation des Arbeitsfluids auf dem Phasenwechselmaterial hohe Wärmeübergangskoeffizienten erhalten werden, sodass insgesamt nur kleine Temperaturdifferenzen zur Umwandlungstemperatur des Phasenwechselmaterials entstehen. Dadurch wird ein größtmöglicher Wirkungsgrad erreicht. Dies kann sich besonders vorteilhaft auswirken wenn der Entladevorgang des PCM-Speichers beispielsweise mit einem Kraftwerksprozess gekoppelt wird. Wird die Wärme des PCM-Speichers etwa für einen Organic-Rankine-Cycle-Prozess genutzt, dürfen die Temperaturbänder nicht zu groß sein, da eine Temperaturabnahme mit einer Abnahme des Wirkungsgrades verbunden wäre. Diese Anwendungsform ist daher durch den erfindungsgemäßen thermischen Energiespeicher ermöglicht. The thermal energy storage system according to the invention uses a phase change material as a heat storage material and a working fluid as a heat transport material. The heat storage material is a solid-solid phase change material or a dimensionally stable solid-liquid phase change material. This means that the phase change material remains dimensionally stable even in the liquid phase. The phase change material is integrated into a cycle of the working fluid for heat loading or unloading the phase change material so that the working fluid in direct contact with the phase change material is feasible, so that the condensation or evaporation of the working fluid is vornehmbar directly on the surface of the phase change material. This has the advantage that high heat transfer coefficients are obtained by the direct evaporation and condensation of the working fluid on the phase change material, so that overall only small temperature differences arise to the transition temperature of the phase change material. This achieves the greatest possible efficiency. This can have a particularly advantageous effect if the discharging process of the PCM memory is coupled, for example, to a power plant process. If the heat of the PCM memory is used for an Organic Rankine Cycle process, for example, the temperature bands must not be too large, as a decrease in temperature would be associated with a decrease in the efficiency. This application form is therefore made possible by the thermal energy storage device according to the invention.

Beispielsweise wird als Arbeitsfluid ein Prozessmaterial eingesetzt, welches für Hochtemperaturanwendungen geeignet ist. For example, a process material which is suitable for high-temperature applications is used as the working fluid.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Arbeitsfluid ein Fluorketon eingesetzt. In an advantageous embodiment of the invention, a fluorine ketone is used as the working fluid.

Der Einsatz von fest-fest-Phasenwechselmaterialien und formstabilen fest-flüssig-Phasenwechselmaterialien hat eben den Vorteil, dass die Form und somit die Oberfläche des Materials erhalten bleibt. Formstabile fest-flüssig-Phasenumwandlungen kommen etwa bei Molekülen sehr hoher Kettenlänge vor, z.B. wäre ultrahochmolekulares Polyethylen als solches formstabiles fest-flüssig-PCM einsetzbar. The use of solid-solid phase change materials and dimensionally stable solid-liquid phase change materials has the advantage that the shape and thus the surface of the material is retained. Dimensionally stable solid-liquid phase transformations occur, for example, in molecules of very high chain length, e.g. Ultra-high molecular weight polyethylene could be used as such a dimensionally stable solid-liquid PCM.

Durch die Gewährleistung einer formstabilen Oberfläche kann eben diese Fläche direkt zur Verdampfung und Kondensation des Arbeitsfluids eingesetzt werden. Insbesondere wird das Phasenwechselmaterial dafür so ausgestaltet, dass es eine maximale Kontaktfläche mit dem Arbeitsfluid aufweist. Für das Design des Speichers sind Ausgestaltungen ähnlich wie bei Kühlkörpern mit Noppen, Wellen oder Rippen zur Oberflächenvergrößerung möglich. Eine Ausgestaltung des Speichermaterials dahingehend, dass eine möglichst große Fläche für die direkte Verdampfung und Kondensation des Arbeitsfluids entsteht kann auch beispielsweise darin bestehen, dass die Oberfläche eine gewisse Rauigkeit aufweist oder, dass es sich um ein poröses Speichermaterial handelt. Auch eine einfache Aufteilung des PCM-Speichers in kleinere Untereinheiten anstelle eines einzelnen Speicherblocks bewirkt schon eine vorteilhafte Vergrößerung der Kontaktfläche. By ensuring a dimensionally stable surface, just this surface can be used directly for evaporation and condensation of the working fluid. In particular, the phase change material is designed so that it has a maximum contact surface with the working fluid. For the design of the memory designs are possible similar to heat sinks with nubs, waves or ribs for surface enlargement. An embodiment of the storage material to the effect that the largest possible area for the direct evaporation and condensation of the working fluid can also be, for example, that the surface has a certain roughness or that it is a porous storage material. Even a simple division of the PCM memory into smaller subunits instead of a single memory block already causes an advantageous increase in the contact area.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Wärmespeicher zum Wärmeentladen mit einem Organic-Rankine-Kreislauf verbunden. Durch den erzielten größtmöglichen Wirkungsgrad durch die direkte Verdampfung des Arbeitsfluids auf dem PCM kann ein Organic-Rankine-Cycle-Kraftwerksprozess betrieben werden. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the heat storage is connected to the heat discharge with an Organic Rankine cycle. Due to the highest possible efficiency achieved by the direct evaporation of the working fluid on the PCM, an organic Rankine cycle power plant process can be operated.

Insbesondere wird der thermische Energiespeicher zusätzlich mit einem Hochtemperaturwärmepumpenkreislauf zum Wärmebeladen des Speichermaterials gekoppelt. Eine Kombination des direkten PCM-Speichers mit einem Organic-Rankine-Cycle sowohl als auch einer Hochtemperaturwärmepumpe ermöglicht, für beide Arbeitskreisläufe das gleiche Arbeitsfluid zu verwenden. Dafür sind beispielsweise Arbeitsmittel aus der Familie der Fluorketone besonders geeignet. Damit ist das thermische Energiespeichersystem beispielsweise auch so ausgestaltbar, dass beide Kreisläufe eine gemeinsame Zu- und Ableitung zum bzw. vom Wärmespeicher aufweisen. Insbesondere ist dann der Wärmespeicher über die gemeinsame Zu- und Ableitung je über ein 3-Wege-Ventil mit dem Organic-Rankine-Kreislauf oder mit dem Kreislauf der Hochtemperaturwärmepumpe verbindbar. In particular, the thermal energy store is additionally coupled to a high-temperature heat pump cycle for heat loading of the storage material. A combination of direct PCM storage with an Organic Rankine cycle as well as a high-temperature heat pump enables the same working fluid to be used for both working cycles. For example, working fluids from the family of fluoroketones are particularly suitable. For example, the thermal energy storage system can also be configured such that both circuits have a common supply and discharge to or from the heat accumulator. In particular, the heat storage is then connected via the common supply and discharge via a 3-way valve with the Organic Rankine cycle or with the circuit of the high temperature heat pump.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in exemplarischer Weise mit Bezug auf die angehängte Zeichnung beschrieben: An embodiment of the present invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings:

Die Figur zeigt ein Fließdiagramm eines thermischen Energiespeichersystems. Dabei ist zentral in der Mitte des Diagramms der Energiespeicher mit dem Phasenwechselmaterial 10 gezeigt. Dabei ist der Energiespeicher so ausgestaltet, dass er eine möglichst große Oberfläche anbietet, die vom Wärmetransportmedium, zum Beispiel einem Fluorketon, überflossen werden kann. Die Zu- und Ableitung für eben dieses Arbeitsfluid vom und zum thermischen Energiespeicher 10 schließt an je ein 3-Wege-Ventil 17 an. Je nach Ventilstellung kann der Speicher 10 mit einem Kreislauf 20 zum Entladen des Speichers 10 verbunden werden oder mit einem Kreislauf 30 zum Beladen des Speichers 10. Der Kreislauf 20 zum Entladen des Speichers 10 ist im gezeigten Fall ein Organic-Rankine-Kreislauf. Dieser weist in der Reihenfolge des Arbeitsmittelflusses folgende Bauteile auf: Einen Generator 24 zum Antrieb einer Turbine 25, einen Verflüssiger 21 mit Wärmetauscher 22, über den Wärme Q_out an die Umgebung oder an einen weiteren Arbeitskreislauf abgegeben werden kann. Danach folgt eine Flüssigkeitspumpe 23, die für den Weitertransport des Arbeitsmediums zum Energiespeicher 10 hin sorgt. Beim Entladen des Wärmespeichers 10 über den Organic-Rankine-Kreislauf 20 agiert der Wärmespeicher 10 als Verdampfer 27, was bedeutet, dass das Arbeitsfluid in direktem Kontakt mit dem PCM-Material 10 kondensiert. The figure shows a flow diagram of a thermal energy storage system. The energy store with the phase change material is centrally in the middle of the diagram 10 shown. In this case, the energy storage is designed so that it offers the largest possible surface, which can be overflowed by the heat transfer medium, for example, a fluorine ketone. The supply and discharge for just this working fluid from and to the thermal energy storage 10 connects to a 3-way valve 17 at. Depending on the valve position, the memory 10 with a cycle 20 to unload the memory 10 be connected or with a cycle 30 to load the memory 10 , The circulation 20 to unload the memory 10 is in the case shown an Organic Rankine cycle. This has the following components in the order of the working medium flow: A generator 24 for driving a turbine 25 , a liquefier 21 with heat exchanger 22 , can be discharged through the heat Q _out to the environment or to another working cycle. This is followed by a liquid pump 23 , for the further transport of the working medium to the energy storage 10 ensures. When unloading the heat storage 10 about the Organic Rankine cycle 20 acts the heat storage 10 as an evaporator 27 , meaning that the working fluid is in direct contact with the PCM material 10 condensed.

Bei Änderung der Ventilstellung der 3-Wege-Ventile 17 wird der thermische Energiespeicher 10 an den Kreislauf einer Hochtemperaturpumpe 30 angeschlossen und kann über diesen wieder beladen werden. Beim Beladevorgang agiert also der Wärmespeicher 10 als Verflüssiger 37, bei dem das Arbeitsfluid in Kontakt mit dem PCM-Material 10 kondensiert. Der Hochtemperaturwärmepumpenkreislauf 30 weist in Flussrichtung des Arbeitsmediums folgende Bauteile auf: Ein Expansionsventil 33 ist vor den Verdampfer 31 geschaltet, der mittels eines Wärmetauschers 32 Wärme aus der Umgebung Q_in oder aus einem weiteren angeschlossenen Arbeitskreislauf aufnimmt. Danach befindet sich der Kompressor 35, der über einen Motor 34 angetrieben wird. When changing the valve position of the 3-way valves 17 becomes the thermal energy storage 10 to the circuit of a high-temperature pump 30 connected and can be loaded over this again. During the loading process, therefore, the heat storage acts 10 as a liquefier 37 in which the working fluid is in contact with the PCM material 10 condensed. The high temperature heat pump cycle 30 has the following components in the flow direction of the working medium: An expansion valve 33 is in front of the evaporator 31 switched by means of a heat exchanger 32 Heat from the environment receives Q _in or from another connected working cycle. After that is the compressor 35 that has an engine 34 is driven.

Claims

Thermisches Energiespeichersystem mit einem Phasenwechselmaterial (10) als Wärmespeichermaterial und einem Arbeitsfluid als Wärmetransportmaterial wobei das Wärmespeichermaterial ein fest-fest-Phasenwechselmaterial oder ein formstabiles fest-flüssig-Phasenwechselmaterial ist und wobei das Phasenwechselmaterial (10) so in einen Kreislauf des Arbeitsfluids zum Wärmebeladen oder -entladen des Phasenwechselmaterials (10) integriert ist (27, 37), dass das Arbeitsfluid in direkten Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial (10) führbar ist, so dass die Kondensation (37) beziehungsweise die Verdampfung (27) des Arbeitsfluids direkt an der Oberfläche des Phasenwechselmaterials (10) vornehmbar ist. Thermal energy storage system with a phase change material ( 10 ) as a heat storage material and a working fluid as a heat transport material wherein the heat storage material is a solid-solid phase change material or a dimensionally stable solid-liquid phase change material and wherein the phase change material ( 10 ) in a cycle of the working fluid for heat loading or unloading the phase change material ( 10 ) is integrated ( 27 . 37 ) that the working fluid is in direct contact with the phase change material ( 10 ) is feasible, so that the condensation ( 37 ) or the evaporation ( 27 ) of the working fluid directly at the surface of the phase change material ( 10 ) is vornehmbar.

Thermisches Energiespeichersystem nach Anspruch 1 wobei das Arbeitsfluid ein Fluoroketon ist. The thermal energy storage system of claim 1 wherein the working fluid is a fluoroketone.

Thermisches Energiespeichersystem nach Anspruch 1 oder 2 wobei das Phasenwechselmaterial (10) so ausgestaltet ist, dass es eine maximale Kontaktfläche mit dem Arbeitsfluid aufweist. Thermal energy storage system according to claim 1 or 2, wherein the phase change material ( 10 ) is designed so that it has a maximum contact surface with the working fluid.

Thermisches Energiespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Organic-Rankine-Kreislauf (20) zum Wärmeentladen (27) des Wärmespeichers (10). Thermal energy storage system according to one of the preceding claims with an Organic Rankine cycle ( 20 ) for heat discharge ( 27 ) of the heat accumulator ( 10 ).

Thermisches Energiespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Hochtemperaturwärmepumpe (30) zum Wärmebeladen (37) des Wärmespeichers (10). Thermal energy storage system according to one of the preceding claims with a high temperature heat pump ( 30 ) to the heat load ( 37 ) of the heat accumulator ( 10 ).

Thermisches Energiespeichersystem nach den vorstehenden Ansprüchen 4 und 5 wobei in den Kreisläufen, dem Organic-Rankine-Kreislauf (20) wie dem Kreislauf der Hochtemperaturwärmepumpe (30) das gleiche Arbeitsfluid verwendet wird und beide Kreisläufe (20, 30) eine gemeinsame Zu- und Ableitung zum beziehungsweise vom Wärmespeicher (10) aufweisen. Thermal energy storage system according to the preceding claims 4 and 5 wherein in the circuits, the Organic Rankine cycle ( 20 ) such as the circuit of the high-temperature heat pump ( 30 ) the same working fluid is used and both circuits ( 20 . 30 ) a common supply and discharge to or from the heat storage ( 10 ) exhibit.

Thermisches Energiespeichersystem nach Anspruch 6 wobei der Wärmespeicher (10) über die gemeinsame Zu- und Ableitung je über ein Dreiwegeventil (17) mit dem Organic-Rankine-Kreislauf (20) oder mit dem Kreislauf der Hochtemperaturwärmepumpe (30) verbindbar ist. Thermal energy storage system according to claim 6 wherein the heat storage ( 10 ) via the common supply and discharge via a three-way valve ( 17 ) with the Organic Rankine cycle ( 20 ) or with the circuit of the high-temperature heat pump ( 30 ) is connectable.