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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Erwärmung eines gasförmigen Fluides, insbesondere von Luft, bei hohen Leistungen, insbesondere im Megawatt-Bereich auf Temperaturen, die insbesondere größer 400 °C sind.
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Insbesondere bei der Zwischenspeicherung elektrischer Energie gibt es herkömmlicherweise verschiedene Konzepte. Beispielsweise wird Elektrizität in Form von Wärme gespeichert. Dabei wird Elektrizität auf verschiedenen Wegen in Wärme umgewandelt.
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Beispielsweise ist eine Widerstandsheizung bekannt, bei der an einem Draht eine elektrische Spannung angelegt wird und der Draht somit erhitzt wird. Vorbeiströmende Luft kann diese Wärme aufnehmen. Derartige Systeme können zwar bis ca. 600 °C funktionieren, werden allerdings mit steigender Leistung unwirtschaftlich. Mit höherer Leistung steigen das benötigte Spannungsniveau und eine benötigte Kabellänge stark an. Lufterhitzer mit hohen Leistungen können aber hohe Temperaturen nicht erreichen. Gemäß dem Stand der Technik sind keine Ausführungen bekannt, bei denen eine große Heizleistung mit hohen Temperaturen kombiniert wird.
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Ein weiteres Beispiel ist die Erzeugung von Kompressionswärme, bei der Elektrizität theoretisch dazu verwendet werden kann, eine Strömungsmaschine, beispielsweise einen Kompressor, zu betreiben und dabei die Luft zu erhitzen. Ein Beispiel dafür ist ein sogenannter verdichteter Luftenergiespeicher, der ebenso Compressed Air Energy Storage genannt werden kann. Es wird ein Kompressor elektrisch betrieben. Die dabei entstandene heiße Luft wird dann beispielsweise in einer Kaverne gespeichert und mittels eines Expanders, beziehungsweise einer Gasturbine, wieder in Strom umgewandelt. Diese Vorgehensweise ermöglicht herkömmlicherweise lediglich ein oberes Temperaturlimit von maximal 400 °C.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie und elektrischer Leistung mittels deren Umwandlung in Wärmeenergie und Wärmeleistung eines Nutzfluid auf einem Temperaturniveau, wobei die Wärmeenergie und Wärmeleistung des aufgeheizten Nutzfluid weiter verwendbar, insbesondere zur Generierung von elektrischer Energie und elektrischer Leistung verwendbar ist. Die zwischen zu speichernde elektrische Leistung kann im Megawattbereich liegen. Das Temperaturniveau kann größer 400°C und insbesondere größer 600°C sein.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Nutzfluid auf ein Temperaturniveau vorgeschlagen, wobei danach die Wärmeenergie und Wärmeleistung des Nutzfluid zur Weiterverwendung nutzbar sind, wobei das Nutzfluid einen mittels eines elektrisch nicht leitenden ersten Gehäuses ausgebildeten und eine elektrisch leitende erste Materialschüttung beinhaltenden Heizkanal durchströmt, wobei um diesen herum ein induktiv wirkender elektrischer Leiter angeordnet ist, der bei Wechselstromdurchfluss mittels magnetischen Feldern in der ersten Materialschüttung, diese und damit das vorbeiströmende Nutzfluid auf das Temperaturniveau erhitzende Wirbelströme erzeugt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein entsprechendes Verfahren vorgeschlagen.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Konzept für eine Fluiderhitzung, insbesondere auf große Temperaturen ≥400 °C und mit großen Leistungen, insbesondere Megawatt-Bereich, bereit. Das Wort Nutzfluid wird nachfolgend stellvertretend für alle möglichen Fluide, insbesondere gasförmige Fluide, verwendet. Ein Beispiel für ein Nutzfluid ist Luft. Das Wort Nutzfluid soll zum Ausdruck bringen, dass das auf ein Temperaturniveau aufgeheiztes Nutzfluid mit dessen Wärmeenergie und Wärmeleistung weiter verwendet beziehungsweise weiter genutzt werden kann. Erfindungsgemäß wird das Prinzip einer induktiven Heizung angewendet. Herkömmlicherweise sind induktive Heizungen bei Elektroherden bekannt. Es wird ein hochfrequenter Strom beispielsweise durch ein Induktorkabel oder eine Spule erzwungen und somit ein elektrischer Schwingkreis erzeugt. Dabei entsteht ein magnetisches Feld. Mittels dieses Feldes kann Wirbelstrom in einem leitfähigen Material erzeugt werden. Der Wirbelstrom erhitzt das Material. Das vorbeiströmende Nutzfluid kann diese Wärme dann aufnehmen.
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Erfindungsgemäß wird eine Fluiderhitzung mittels einer induktiven Heizung ausgeführt. Vorteilhaft kann mittels der induktiven Heizung eine große Heizleistung, insbesondere im Megawatt-Bereich, mit einem großen zu erzielenden Temperaturniveau, insbesondere >400 °C, kombiniert werden. Die induktive Heizung erfordert im Unterschied zum Stand der Technik ein kleineres Einbauvolumen am oder im ersten Gehäuse. Auf diese Weise kann eine kostengünstige induktive Heizung, die ebenso kostengünstig herstellbar ist, eine wirksame Nutzfluiderwärmung realisieren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann anstelle des Nutzfluid ein Zwischenfluid im Heizkanal erhitzt werden und stromabwärts vom Heizkanal einen mittels eines zweiten Gehäuses ausgebildeten und eine zweite Materialschüttung beinhaltenden Wärmespeicherkanal durchströmen, wobei das an der zweiten Materialschüttung vorbeiströmende Zwischenfluid Wärme an die zweite Materialschüttung abgeben und diese aufheizen kann, und danach das Nutzfluid den Wärmespeicherkanal durchströmen kann, wobei das an der aufgeheizten zweiten Materialschüttung vorbeiströmende Nutzfluid Wärme von der zweiten Materialschüttung aufnehmen und sich auf das Temperaturniveau aufheizen kann. Vorteilhaft wird eine erfindungsgemäße induktive Heizung in ein beispielsweise sensibles Speicherkonzept integriert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Zwischenfluid in einer Richtung und danach als Nutzfluid in der Gegenrichtung strömen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels eines Zeitgebers, einer Temperaturerfassungseinrichtung und einer Steuereinrichtung zuerst die zweite Materialschüttung und danach das Fluid aufgeheizt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die zweite Materialschüttung für eine erste Zeitdauer auf eine Temperatur >400 °C und danach das Nutzfluid für eine zweite Dauer auf das Temperaturniveau >400 °C aufgeheizt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die erste und die zweite Zeitdauer >20 Stunden und <60 Stunden sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Wärmeleistung das Nutzfluid auf dem Temperaturniveau im Megawatt-Bereich sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Zwischenfluid stromabwärts vom Wärmespeicherkanal einen mittels eines dritten Gehäuses ausgebildeten Abschlusskanal durchströmen und verlassen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können das erste und das dritte Gehäuse jeweils eine trichterförmige, von dem zweiten Gehäuse ausgehend sich verjüngende Geometrie aufweisen. Auf diese Weise kann eine möglichst gleichmäßige Strömungsverteilung in dem Wärmespeicherkanal bewirkt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die erste Materialschüttung eine poröse Metallschüttung, insbesondere Metallschaum, Metallgitter oder Metallschrott sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die zweite Materialschüttung eine große spezifische Wärmekapazität, insbesondere >1kJ/(kg K), aufweisen und insbesondere ein Steinmaterial sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das zweite Gehäuse zusätzlich den elektrischen Leiter umschließen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können das zweite Gehäuse und das dritte Gehäuse in einem Stück ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das erste Gehäuse eine keramische Außenseite aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das erste, zweite oder dritte Gehäuse aus Ziegelstein oder einer Keramik bestehen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können das Nutzfluid und das Zwischenfluid Luft oder ein beliebiges Gas sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können das Nutzfluid und das Zwischenfluid vor und nach dem Erhitzen in Behältern oder Kavernen zwischengespeichert sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Wärmeenergie und Wärmeleistung des auf das Temperaturniveau aufgeheizten Nutzfluid mittels eines Wärmekraftmaschinenprozesses wieder zur Generierung von elektrischer Energie und elektrischer Leistung verwendet werden.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung erwärmt ein Nutzfluid 1 auf ein Temperaturniveau T, wobei die Wärmeenergie und Wärmeleistung des erwärmten Nutzfluids 1 für eine Weiterverwendung nutzbar sind. Das Nutzfluid 1 durchströmt einen mittels eines elektrisch nicht leitenden ersten Gehäuses 3 ausgebildeten Heizkanal. Innerhalb dieses Heizkanales ist eine elektrisch leitende erste Materialschüttung 5 fixiert oder lose positioniert. Um den Heizkanal herum, beispielsweise um das erste Gehäuse 3 herum, beispielsweise dieses umwickelnd, ist ein induktiv wirkender elektrischer Leiter 7 angeordnet. Dieser Leiter 7 kann beispielsweise als ein Induktorkabel oder eine Spule ausgeführt sein. Dieser Leiter 7 wird von einem elektrischen Wechselstrom durchflossen und erzeugt entsprechende elektromagnetische Felder, insbesondere Magnetfelder in der ersten Materialschüttung 5. Es werden entsprechende Wirbelströme in der ersten Materialschüttung 5 erzeugt, die die erste Materialschüttung 5 und damit das vorbeiströmende Nutzfluid 1 auf das Temperaturniveau T erhitzen. Auf diese Weise ist ein induktiver Nutzfluiderhitzer ausgebildet, bei dem beispielsweise eine Spule oder Wicklung als Leiter 7 an einer keramischen Außenseite des ersten Gehäuses 3 angebracht wurde. Das erste Gehäuse 3 kann beispielsweise aus Ziegelsteinen oder Keramik hergestellt worden sein. Um die erforderlichen Wirbelströme zu erzeugen, ist das Innere des ersten Gehäuses 3 mit einer, beispielsweise porösen, Metallschüttung, beispielsweise Metallschrott, als erste Materialschüttung 5 gefüllt. Die erste Materialschüttung 5 kann beispielsweise aus Metallschaum, Metallgitter oder Metallschrott ausgeführt werden. Die thermischen Verluste infolge der Wirbelströme können auf diese Weise direkt zur Erwärmung des Nutzfluidstroms verwendet werden. Die Wärmeenergie oder Wärmeleistung des auf das Temperaturniveau T aufgeheizten Nutzfluid 1 kann beispielsweise mittels eines Wärmekraftmaschinenprozesses wieder zur Generierung von elektrischer Energie oder elektrischer Leistung verwendet werden. Die Wärmeleistung des Nutzfluid 1 auf den Temperaturniveau T kann beispielsweise im Megawatt-Bereich liegen. Die Temperaturen auf dem Temperaturbereich T sind insbesondere >400 °C. Auf diese Weise kann eine Stromversorgung im Megawatt-Bereich gepuffert werden. Das erhitzte Nutzfluid 1 auf dem Temperaturniveau T kann alternativ oder kumulativ in Behältern oder Kavernen gespeichert werden. Erst bei einem erneuten Strombedarf kann die im erhitzten Nutzfluid 1 gespeicherte Wärmeenergie wieder in elektrische Leistung gewandelt werden.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Gemäß 2 entspricht der linke Teil der Vorrichtung der Anordnung gemäß 1. Im Unterschied zu 1 ist der erste Behälter 3 trichter- oder konusförmig ausgebildet, wobei das erste Gehäuse 3 sich ausgehend von einem Eingang hin zu einem Ausgang zu einem zweiten Gehäuse 9 erweitert. Im Unterschied zu 1 wird zunächst anstelle des Nutzfluid 1 ein Zwischenfluid 2 im ersten Behälter 3 erhitzt. Dem ersten Behälter 3 folgt stromabwärts ein mittels eines zweiten Gehäuses 9 ausgebildeter Heizkanal. In diesem ist eine insbesondere lose zweite Materialschüttung 11 positioniert. Das Zwischenfluid 2 durchströmt diese zweite Materialschüttung 11 und gibt auf diese Weise Wärme an die zweite Materialschüttung 11 ab. Die zweite Materialschüttung 11 heizt sich auf und wirkt somit als ein sensibler Wärmespeicher. Das erkaltete Zwischenfluid 2 verlässt den zweiten Behälter 9 stromabwärts und durchströmt ein drittes Gehäuse 19 bis zu einem Ausgang. Das dritte Gehäuse 19 kann ebenso trichterförmig sich vom zweiten Behälter 9 verjüngend ausgebildet sein. Das Zwischenfluid 2 kann die Vorrichtung in einer Richtung R durchströmen. Zusätzlich kann das Zwischenfluid 2 vor und nach dem Durchströmen der Vorrichtung in Behältern 21 gespeichert oder zwischengespeichert werden. Beispielsweise kann mittels eines Zeitgebers 13, einer Temperaturerfassungseinrichtung 15 und einer Steuereinrichtung 17 die zweite Materialschüttung 11 für eine erste Zeitdauer auf eine Temperatur insbesondere >400 °C erhitzt werden. Die erste Zeitdauer kann beispielsweise ein oder zwei Tage sein. Auf diese Weise wird Wärmeenergie im zweiten Behälter 9 gespeichert. Das aus der Vorrichtung ausgeströmte erkaltete Zwischenfluid 2 kann in einem Behälter 21 zwischengespeichert werden. Auf diese Weise ist eine Anordnung gemäß 1 in einen sensiblen Wärmespeicher integriert worden. Es wird die lose zweite Materialschüttung 11 in dem zweiten Gehäuse 9 mittels des umströmenden Zwischenfluids 2 während eines Beladungsprozesses die Wärme des umströmenden Zwischenfluids 2 aufnehmen. Bei einer Entladung kann dann ein zu erwärmendes Nutzfluid 1 mittels des heißen Materials der zweiten Materialschüttung 11 erhitzt werden. Beispielsweise können als das Material der zweiten Materialschüttung 11 Steine verwendet werden, die die Strömung sehr gut verteilen. Beispielsweise kann nach einer ersten Zeitdauer, von beispielsweise einem Tag, das Aufwärmen oder Erhitzen des Wärmespeicherkanals gestoppt werden. Nach dieser Beladungsphase kann eine Entladungsphase begonnen werden. Dazu wird besonders vorteilhaft das erkaltete in einem Behälter 21 zwischengespeicherte Zwischenfluid 2 nun als ein Nutzfluid 1 verwendet. Dieses Nutzfluid 1 strömt dann in der Gegenrichtung G zu der ursprünglichen Richtung R des Zwischenfluids 2. Dies ist mittels der Pfeile am Eingang und Ausgang der Vorrichtung dargestellt. In der Entladungsphase durchströmt nun das Nutzfluid 1 den Wärmespeicherkanal in der Gegenrichtung G, wobei das an der aufgeheizten zweiten Materialschüttung 11 vorbeiströmende Nutzfluid 1 dann Wärme von der zweiten Materialschüttung 11 aufnimmt und sich dann auf das Temperaturniveau T aufheizt. Auch die Entladephase kann mittels des Zeitgebers 13, der Temperaturerfassungseinrichtung 15 und der Steuereinrichtung 17 gesteuert oder geregelt werden. Beispielsweise kann das Nutzfluid 1 für eine zweite Zeitdauer auf das Temperaturniveau T, insbesondere >400 °C, aufgeheizt werden. Die zweite Zeitdauer kann beispielsweise zwischen 10 und 30 Stunden sein. Insbesondere sind Pufferungen von elektrischer Leistung im Kilowatt-Bereich oder Megawatt-Bereich für beispielsweise einen oder zwei Tage ausführbar. Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Prinzip ebenso im Gigawatt-Bereich verwendbar. Gemäß 2 kann eine möglichst gleichmäßige Strömungsverteilung in dem Wärmespeicherkanal bewirkt werden, indem vor oder nach diesem das erste Gehäuse 3 und/oder das dritte Gehäuse 19 eine trichterförmige Geometrie aufweisen. Die zweite Materialschüttung 11 kann vorteilhaft eine große spezifische Wärmekapazität, insbesondere >1 kJ/kg Kelvin aufweisen, und insbesondere ein Steinmaterial sein. Das zweite Gehäuse 9 kann zusätzlich den elektrischen Leiter 7 umschließen. Das zweite Gehäuse 9 und das dritte Gehäuse 19 können in einem Stück ausgebildet sein. Das erste Gehäuse 3 kann eine keramische Außenseite aufweisen. Das erste, zweite und dritte Gehäuse kann aus Ziegelstein oder einer Keramik bestehen. Das Nutzfluid 1 und das Zwischenfluid 2 können Luft oder ein beliebiges Gas sein. Ein Zwischenfluid 2 kann nach dessen Wärmeabgabe als Nutzfluid 1 verwendet werden. Um lediglich ein Fluid als Nutzfluid 1 und Zwischenfluid 2 zu verwenden, kann dieses vor und nach dem Erhitzen in Behältern 21 oder Kavernen am Eintritt und Austritt der Vorrichtung positioniert sein. Auch gemäß 2 kann die Wärmeenergie des auf das Temperaturniveau T aufgeheizten Nutzfluid 1 mittels eines Wärmekraftmaschinenprozesses wieder zur Generierung von elektrischer Energie und elektrischer Leistung verwendet werden.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit einem ersten Schritt S1 wird ein Zwischenfluid 2 durch einen Heizkanal getrieben, der mittels eines elektrisch nicht leitenden ersten Gehäuses ausgebildet ist und eine elektrisch leitende erste Materialschüttung aufweist. Um den Heizkanal herum ist ein induktiv wirkender elektrischer Leiter positioniert, der bei Wechselstromdurchfluss mittels magnetischen Feldern in der ersten Materialschüttung Wirbelströme erzeugt, die die erste Materialschüttung und damit das vorbeiströmende Zwischenfluid das Temperaturniveau T erhitzt. Mit einem zweiten Schritt S2 strömt das erhitzte Zwischenfluid in einen Wärmespeicherkanal, der mittels eines zweiten Gehäuses ausgebildet ist, in dem eine zweite Materialschüttung angeordnet ist. Das an der zweiten Materialschüttung vorbeiströmende Zwischenfluid gibt Wärme an die zweite Materialschüttung ab und heizt diese auf. Dieses Aufheizen kann grundsätzlich für eine beliebige erste Zeitdauer erfolgen. Beispielsweise kann eine mittels Windkrafträdern bereitgestellte elektrische Energie für Stunden oder Tage als Wärme zwischengespeichert werden. Ist ein Bedarf an elektrischer Leistung größer als eine von einem Leistungsversorgungsnetz bereitgestellte Leistung, kann in einem dritten Schritt S3 ein Nutzfluid den Wärmespeicherkanal vorteilhaft in einer Gegenrichtung G zur Strömungsrichtung R des Nutzfluid durchströmen, wobei das an der aufgeheizten zweiten Materialschüttung vorbeiströmende Nutzfluid nun die zwischengespeicherte Wärme der zweiten Materialschüttung aufnimmt und sich auf das geforderte Temperaturniveau T aufheizt.
