DE102016114906A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Speichern und Rückgewinnen von Energie - Google Patents

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Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Speichern und Rückgewinnen von Energie (1), insbesondere Flüssigluftenergiespeicherkraftwerk, umfassend einen Tieftemperaturteil mit einem Luftverflüssiger (8), einen Flüssigluftverdampfer (12) einen Speicherteil (3) mit einem Flüssigluftspeicher (9), einen Kältespeicher (10) und einen Wärmespeicher (11) und eine Power-Island (6) mit einen Wärmeübertrager (14), mindestens einem strombetriebene Verdichter (7) zur Kompression von Luft und mindestens einer Expansionsmaschine (13) zur Stromproduktion aus komprimierter Luft, soll eine Lösung geschaffen werden, die eine verbesserte Vorrichtung zum Speichern und Rückgewinnen von Energie angibt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Wärmeübertrager (14) thermodynamisch sowohl für eine Luftkühlung bei der Luftkompression durch den mindestens einen Verdichter (7) zur Wärmeeinspeicherung eines sich in einem Zwischenkreislauf (15) befindlichen Wärmeträgermediums, insbesondere Luft, in den Wärmespeicher (11) als auch für eine Lufterwärmung bei Luftexpansion durch die mindestens eine Expansionsmaschine (13) zur Wärmeausspeicherung des Wärmeträgermediums aus dem Wärmespeicher (11) ausgebildet ist und zeitlich getrennt sowohl für die Wärmeeinspeicherung in einer Einspeicherphase als auch für die Wärmeausspeicherung in einer Ausspeicherphase betreibbar ist.

Description

  • Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zum Speichern und Rückgewinnen von Energie, insbesondere ein Flüssigluftenergiespeicherkraftwerk, umfassend einen Tieftemperaturteil mit einem Luftverflüssiger, einen Flüssigluftverdampfer, einen Speicherteil mit einem Flüssigluftspeicher, einen Kältespeicher und einen Wärmespeicher, und eine Power-Island mit einen Wärmeübertrager, mindestens einem strombetriebene Verdichter zur Kompression von Luft und mindestens einer Expansionsmaschine zur Stromproduktion aus komprimierter Luft.
  • Weiterhin richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung.
  • Eine Methode zur Speicherung von Überschuss-Strom ist die sogenannte „Liquid Air Energy Storage”(LAES)-Technologie. Dabei wird Luft, insbesondere Umgebungsluft komprimiert und dann so weit abgekühlt, bis die zunächst gasförmige Luft sich verflüssigt, also in den flüssigen Aggregatzustand übergeht. Anschließend wird die verflüssigte Luft in speziellen, sogenannten Kryobehältern, gespeichert. Nimmt die Last im Stromnetz zu, so kann die so gespeicherte Luft bei Lastspitzen mit einer Pumpe auf ein höheres Druckniveau gebracht und dann verdampft werden. Die unter Druck stehende gasförmige Luft wird dabei aufgeheizt und treibt hocheffiziente Turbomaschinen zur Stromerzeugung an. LAES lässt sich als Speichertechnologie im Bereich bis zu mehreren Gigawattstunden nutzen. Das Verfahren ähnelt der Druckluftspeicherung in Salzkavernen, ist aber von den geologischen Bedingungen unabhängig und daher überall einsetzbar. Weiterhin ist der Zeitaufwand für Planung, Bau und Genehmigungsverfahren solcher Anlagen deutlich reduziert. Außerdem ist mit relativ kurzen Bau- und Vorlaufzeiten zu rechnen, was die Möglichkeit einer schnellen Umsetzung eröffnet. Zudem sind die notwendigen Komponenten gut entwickelte Einheitsprozesse, die in der Prozess- und Kraftwerksindustrie seit Jahrhunderten eingesetzt werden. Um diese an ein LAES-System anzupassen, sind lediglich geringe Änderungen notwendig. Bei der Integration in einen bereits bestehenden Kraftwerks- und Industriestandort wäre die erforderliche Netz- und Gasinfrastruktur bereits verfügbar.
  • Prozesstechnisch bestehen solche Anlagen im Wesentlichen aus drei Einheiten: einem Tieftemperaturteil mit Luftverflüssiger, einem Flüssigverdampfer und einer Kryopumpe, einem Speichersystem umfassend einen Flüssigluftspeicher, einen Kältespeicher und optional einem Wärmespeicher und eine sogenannte „Power-Island”, welches einen Abhitzelufterwärmer und Expansionsmaschinen zur Stromproduktion aus komprimierter Luft umfasst.
  • Bei der hier betrachteten Variante der Flüssigluftspeicherung (LAES) handelt es sich um eine sogenannte adiabate Flüssigluftspeicherung (A-LAES). Diese umfasst adiabate Zustandsänderungen, also thermodynamische Vorgänge, bei denen ein System von einem Zustand in einen anderen Zustand überführt wird, ohne das Wärme über die Systemgrenzen hinaus mit der Umgebung des Systems ausgetauscht wird. D. h. die bei dem Einspeicherprozess anfallende Kompressionsabwärme wird in einem Wärmespeicher gespeichert und beim Ausspeicherprozess wieder zur Erwärmung der hochgespannten Druckluft (nach Verdampfer) verwendet, welche im Anschluss für den Betrieb der Expansionsmaschinen zur Stromproduktion verwendet wird.
  • Wie vorstehend beschrieben wird bei dem A-LAES Prozess die Luftkompressionsabwärme bei der Einspeicherphase in einem Wärmespeicher gespeichert. Die Luftkompression erfolgt dabei in mehreren Stufen. Zwischen den verschiedenen Kompressionsstufen wird die Luft auf den jeweiligen Druckniveaus zur Erwärmung des Wärmespeichers zwischengekühlt. Dazu zirkuliert in einem Zwischenkreislauf, zwischen Wärmespeicher und dem Wärmeübertrager ein Wärmeträgermedium, wie beispielsweise Luft, Wasser oder Thermoöl. Hierzu wird üblicherweise das Wärmeträgermedium mittels eines ersten Wärmeübertragers zwischengekühlt.
  • Beim Ausspeicherprozess wird nach der Verdampfung, kalte gasförmige Druckluft mit der, bei der Einspeicherphase gespeicherten Wärme in einem zweiten Wärmeübertrager erwärmt. Die Expansion erfolgt dabei, wie die Kompression, in mehreren Stufen. Zwischen den verschiedenen Expansionsstufen wird die Druckluft auf den jeweiligen Druckniveaus unter Nutzung der Wärme aus dem Wärmespeicher erwärmt. Die Wärme wird, wie bei der Einspeicherphase, mit einem Wärmeträgermedium in einem Zwischenkreislauf vom Wärmespeicher zur Druckluft übertragen.
  • Eine Vorrichtung zum Speichern und Rückgewinnen von Energie mittels eines A-LAES Prozesses ist aus der DE 10 2014 105 237 B3 bekannt.
  • Hierbei hat es sich als nachteilhaft erwiesen, dass bei der bekannten Ein- und Ausspeicherung der Luft sowohl für die Wärmeeinspeicherung ein erster Wärmeübertrager als auch für die Ausspeicherung der Luft ein zweiter Wärmeübertrager vorgesehen ist.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Speichern und Rückgewinnen von Energie angibt.
  • Bei einer Vorrichtung der eingangs näher bezeichneten Art, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Wärmeübertrager thermodynamisch sowohl für eine Luftkühlung bei der Luftkompression durch den mindestens einen Verdichter zur Wärmeeinspeicherung eines sich in einem Zwischenkreislauf befindlichen Wärmeträgermediums, insbesondere Luft, in den Wärmespeicher als auch für eine Lufterwärmung bei Luftexpansion durch die mindestens eine Expansionsmaschine zur Wärmeausspeicherung des Wärmeträgermediums aus dem Wärmespeicher ausgebildet ist und zeitlich getrennt sowohl für die Wärmeeinspeicherung in einer Einspeicherphase als auch für die Wärmeausspeicherung in einer Ausspeicherphase betreibbar ist.
  • Bei einem Verfahren der eingangs näher bezeichneten Art, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Wärmeübertrager sowohl für eine Luftkühlung bei der Luftkompression durch den mindestens einen Verdichter zur Wärmeeinspeicherung eines sich in einem Zwischenkreislauf befindlichen Wärmeträgermediums, insbesondere Luft, in den Wärmespeicher als auch für eine Lufterwärmung bei Luftexpansion durch die mindestens eine Expansionsmaschine zur Wärmeausspeicherung des Wärmeträgermediums aus dem Wärmespeicher zeitlich getrennt sowohl für die Wärmeeinspeicherung in einer Einspeicherphase als auch für die Wärmeausspeicherung in einer Ausspeicherphase betrieben wird.
  • Mit Hilfe der vorgeschlagenen Lösung ist es möglich lediglich einen Wärmeübertrager zu verwenden, der sowohl für die Einspeicherung als auch für die Ausspeicherung eingesetzt werden kann. Also für die Luftkühlung bei der Luftkompression während des Einspeicherphase als auch bei der Lufterwärmung bei der Luftexpansion während der Ausspeicherphase. Dieser Wärmeübertrager wird in den beiden Prozessphasen jeweils in entgegengesetzter Richtung durchströmt.
  • Hierdurch können im Vergleich zu einer vorbekannten Variante mit zwei Wärmeübertragern, wobei jeweils einer für die Einspeicherphase und einer für die Ausspeicherphase vorgesehen ist, die Investitionskosten eine A-LAES Anlage deutlich gesenkt werden. Die verringerten Investitionskosten tragen dabei in einem hohen Maße zu einer Kommerzialisierung der LAES Technologie bei.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
  • So ist es in Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, dass der Wärmeübertrager derart ausgebildet ist, dass dieser für die Wärmeeinspeicherung in den Wärmespeicher und für die Wärmeausspeicherung aus dem Wärmespeicher jeweils in entgegengesetzter Richtung durchströmbar ausgebildet ist.
  • Weiterhin besteht eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung darin, dass die mindestens eine Expansionsmaschine zweistufig ausgebildet ist und eine Hochdruckexpansionsmaschine und eine Niederdruckexpansionsmaschine umfasst, und/oder der mindestens eine Verdichter zweistufig ausgebildet ist und einen Niederdruckverdichter und einen Hochdruckverdichter umfasst, welche in Leitungsverbindung mit dem Wärmeübertrager stehen und der Wärmeübertrager eine erste Heizfläche für die erste Stufe und eine zweite Heizfläche für die zweite Stufe umfasst, wobei die erste Heizfläche derart größer ausgebildet ist als die zweite Heizfläche, dass während der Ausspeicherphase durch eine Adsorber-Regenerierleitung ein Regenerierluftstrom nach der Erwärmung durch die erste Heizfläche des Wärmeübertragers abzweigbar ist und einem Adsorber zuführbar ist.
  • In Weiterbildung sieht die Erfindung weiterhin vor, dass der Adsorber durch die Adsorber-Regenerierleitung in Leitungsverbindung mit einer zusätzlichen Heizfläche des Wärmeübertragers steht und der Regenerierluftstrom nach Durchströmen der zusätzlichen Heizfläche dem Lufthauptstrom in der zweiten Wärmeübertragerleitung nach Austritt aus dem Wärmeübertrager wieder zuführbar ist.
  • Von Vorteil ist weiterhin eine Vorrichtung, bei welcher in der zweiten Wärmeübertragerleitung im Lufthauptstrom eine Drosselvorrichtung zur Drosselung des Lufthauptstroms ausgebildet ist, durch welche der Druck des Lufthauptstroms auf den, insbesondere aufgrund Durchströmung des Adsorbers, verringerten Druck des Regenerierluftstroms in der Adsorber-Regenerationsleitung hinter dem Adsorber drosselbar ist und/oder im Lufthauptstrom eine Strahlpumpe angeordnet ist, durch welche der Druckverlust des Regenerierluftstroms ausgleichbar ist.
  • Weiterhin besteht eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung darin, dass die zusätzliche Heizfläche in Leitungverbindung mit einer Bypassleitung steht, sodass die zusätzliche Heizfläche zur Wärmeeinspeicherung bei der Abkühlung der Luft nach einer Kompressionsstufe ausgebildet ist und/oder die zusätzliche Heizfläche zur Wärmeausspeicherung für die Erwärmung der Luft vor der Hochdruckexpansionsmaschine ausgebildet ist.
  • In Weiterbildung sieht die Erfindung weiterhin vor, dass der Wärmeübertrager derart ausgebildet ist, dass sowohl der bei der Einspeicherung in den Flüssigluftspeicher während der Einspeicherphase herrschende geringe Druck, welcher beispielsweise zwischen 10 und 90 bar liegt, insbesondere 26,5 bar beträgt, als auch der bei der Ausspeicherung aus dem Flüssigluftspeicher während der Ausspeicherphase herrschende höhere Druck welcher beispielsweise zwischen 60 und 110 bar liegt, insbesondere 89,5 bar beträgt, bei der Auslegung des Wärmeübertragers berücksichtigt ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich in Ausgestaltung dadurch aus, dass der Wärmeübertrager für die Wärmeeinspeicherung in den Wärmespeicher und für die Wärmeausspeicherung aus dem Wärmespeicher jeweils in entgegengesetzter Richtung durchströmt wird.
  • Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass während der Ausspeicherphase durch die Adsorber-Regenerierleitung ein Regenerierluftstrom nach der Erwärmung durch die erste Heizfläche des Wärmeübertragers abgezweigt wird und einem Adsorber zugeführt wird.
  • Ferner ist in Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass der Adsorber durch die Adsorber-Regenerierleitung in Leitungsverbindung mit einer zusätzlichen Heizfläche des Wärmeübertragers steht und der Regenerierluftstrom nach Durchströmen der zusätzlichen Heizfläche dem Lufthauptstrom in der zweiten Wärmeübertragerleitung nach Austritt aus dem Wärmeübertrager wieder zugeführt wird.
  • Von Vorteil kann es auch sein, dass der Druck des Lufthauptstroms auf den, insbesondere aufgrund Durchströmung des Adsorbers, verringerten Druck des Regenerierluftstroms in der Adsorber-Regenerationsleitung hinter dem Adsorber durch die Drosselvorrichtung in der zweiten Wärmeübertragerleitung gedrosselt wird und/oder der Druckverlust des Regenerierluftstroms durch eine Strahlpumpe im Hauptluftstrom ausgeglichen wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die zusätzliche Heizfläche in Leitungverbindung mit der Bypassleitung steht, sodass die zusätzliche Heizfläche zur Wärmeeinspeicherung bei der Abkühlung der Luft nach der ersten Kompressionsstufe durchströmt wird und/oder die zusätzliche Heizfläche zur Wärmeausspeicherung für die Erwärmung der Luft vor der Hochdruckexpansionsmaschine durchströmt wird.
  • Bezüglich der Druckbereiche sieht die Erfindung in Ausgestaltung vor, dass bei der Einspeicherung in den Flüssigluftspeicher während der Einspeicherphase der Druck zwischen 10 und 90 bar liegt, insbesondere 26,5 bar beträgt, und bei der bei der Ausspeicherung aus dem Flüssigluftspeicher während der Ausspeicherphase der Druck zwischen 60 und 110 bar liegt, insbesondere 89,5 bar beträgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich in Ausgestaltung dadurch aus, dass
  • Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in
  • 1 schematisch den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speichern und Rückgewinnen von Energie in Form eines Flüssigluftenergiespeicherkraftwerks basierend auf einem A-LAES Prozess,
  • 2 schematisch die Power-Island der Vorrichtung zum Speichern und Rückgewinnen von Energie in Form eines Flüssigluftenergiespeicherkraftwerks,
  • 3 die Power-Island während der Einspeicherung von Luft in den Flüssigluftspeicher und Wärme in den Wärmespeicher, während der Einspeicherphase,
  • 4 schematisch den in 2 und 3 dargestellten Wärmeübertrager, während der Einspeicherphase,
  • 5 schematisch eine Draufsicht des in 4 dargestellten Wärmeübertragers,
  • 6 schematisch die Power-Island während der Ausspeicherung von Luft aus dem Flüssigluftspeicher und Wärme aus dem Wärmespeicher während der Ausspeicherphase,
  • 7 schematisch den Wärmeübertrager während der Ausspeicherphase
  • 8 schematisch eine Draufsicht des in 7 dargestellten Wärmeübertragers.
  • 1 zeigt schematisch den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speichern und Rückgewinnen von Energie in Form eines Flüssigluftenergiespeicherkraftwerks basierend auf einem A-LAES Prozess, das insgesamt mit 1 bezeichnet wird. Dieses umfasst eine Beladung 2, einen Speicherteil 3 und eine Entladung 4. Im Wesentlichen wird ein Flüssigluftenergiespeicherkraftwerk 1 in drei Einheiten zusammengefasst, nämlich einen Tieftemperaturteil, einen Speicherteil 3 und als warmen Teil eine sogenannte Power-Island 6. Der Tieftemperaturteil umfasst einen Luftverflüssiger 8 und einen Flüssigluftverdampfer 12. Der Speicherteil 3 umfasst einen Flüssigluftspeicher 9, einen Kältespeicher 10 und einen optionalen Wärmespeicher 11. In dem Speicherteil 3 wird in einer Einspeicherphase flüssige Luft in dem Flüssigluftspeicher 9, Wärme in dem Wärmespeicher 11 und Kälte in dem Kältespeicher 10 gespeichert.
  • In 2 ist schematisch die „Power-Island” 6 der Vorrichtung zum Speichern und Rückgewinnen von Energie 1 in Form eines Flüssigluftenergiespeicherkraftwerks dargestellt. Die Power-Island 6 umfasst einen Wärmeübertrager 14, mindestens eine Expansionsmaschine 13 zur Stromproduktion, mindestens einen Verdichter 7 zur Luftverdichtung, mindestens einen Wärmespeicher 11 und einen Flüssigluftspeicher 9. Die mindestens eine Expansionsmaschine 13 umfasst eine Hochdruckexpansionmaschine 13a und eine Niederdruckexpansionsmaschine 13b, welche mit einem Generator zur Stromproduktion verbunden sind. Der mindestens eine Verdichter 7 umfasst einen Niederdruckverdichter 7a und einen Hochdruckverdichter 7b, welche durch einen Motor angetrieben werden, der mit elektrischem Strom aus dem Stromnetz oder einer anderen Quelle betreibbar ist. Der Wärmespeicher 11 ist über einen Zwischenkreislauf 15 mit dem Wärmeübertrager 14 verbunden, sodass über den Zwischenkreislauf 15 Wärme in den Wärmespeicher 11 während einer Einspeicherphase eingespeichert wird und während einer zeitlich von der Einspeicherphase getrennten Ausspeicherphase ausgespeichert wird. In dem Zwischenkreislauf 15 ist ein Gebläse 25 ausgebildet. Als Wärmeträgermedium in dem Zwischenkreislauf 15 wird vorzugsweise Luft verwendet, welche durch das Gebläse 25 während der Einspeicherphase dem Wärmespeicher 11 zugeführt wird und während der Ausspeicherphase aus dem Wärmespeicher 11 abgeführt wird. Es können aber auch andere Wärmeträgermedien, wie beispielsweise Wasser oder Thermoöl verwendet werden. Der Wärmespeicher 11 ist als ein sogenannter Solid Bed Heat Storage SBHS ausgebildet.
  • Der Wärmeübertrager 14 ist derart ausgebildet, dass dieser thermodynamisch sowohl für die Wärmeeinspeicherung als auch für die Wärmeausspeicherung einsetzbar ist, also für die Luftkühlung bei der Luftkompression während des Einspeicherprozesses und für die Lufterwärmung bei der Luftexpansion während des Ausspeicherprozesses. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 14 ist derart ausgebildet, dass dieser bei den beiden Prozessphasen, also der Einspeicherphase und der Ausspeicherphase jeweils in entgegengesetzter Richtung durchströmbar ist. Dies ist verfahrenstechnisch möglich, da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung Einspeicher- und Ausspeicherprozess nicht gleichzeitig betrieben werden, sondern Einspeicherphase und Ausspeicherphase zeitlich getrennt voneinander ablaufen.
  • Der Wärmeübertrager 14 ist dabei derart ausgebildet, dass sowohl der bei der Einspeicherung in den Flüssigluftspeicher 9 während der Einspeicherphase herrschende geringe Druck, welcher beispielsweise zwischen 10 und 90 bar liegt, insbesondere 26,5 bar beträgt, als auch der bei der Ausspeicherung aus dem Flüssigluftspeicher 9 während der Ausspeicherphase herrschende höhere Druck welcher beispielsweise zwischen 60 und 110 bar liegt, insbesondere 89,5 bar beträgt, bei der Auslegung des Wärmeübertragers 14 berücksichtigt ist.
  • Ferner umfasst der Wärmeübertrager 14 eine erste Heizfläche 17 und eine zweite Heizfläche 16 sowie eine zusätzliche Heizfläche 26. Die Dimensionierung der ersten und zweiten Heizfläche 16, 17 richtet sich dabei nach der größeren benötigten Heizfläche 16, 17 in Abhängigkeit von der vorgegebenen Spezifikation des Wärmeübertragers 14. Bei der Wärmeeinspeicherung und bei der Wärmeausspeicherung liegen unterschiedliche Prozessparameter, wie z. B. Druck vor. Daher benötigt einer der beiden Prozesse, also die Einspeicherung oder Ausspeicherung eine größere Heizfläche, sodass anhand der größeren benötigten Heizfläche 16, 17 die Dimensionierung der Heizflächen 16, 17 erfolgt. Der Wärmeübertrager 14 steht über eine erste Wärmeübertragerleitung 21 in Leitungsverbindung mit dem Niederdruckverdichter 7a und der Niederdruckexpansionsmaschine 13b. Die erste Wärmeübertragerleitung 21 steht in Leitungsverbindung mit der zweiten Heizfläche 16. Ferner steht der Wärmeübertrager 14 in Leitungsbindung mit einer Rückführungsleitung 22. Die Rückführungsleitung 22 steht in Leitungsverbindung mit der zweiten Heizfläche 16 und der Hochdruckexpansionsmaschine 13a sowie dem Hochdruckverdichter 7b. Der Wärmeübertrager 14 steht zudem in Leitungsverbindung mit einer zweiten Wärmeübertragerleitung 23, welche den Wärmeübertrager 14 mit der Hochdruckexpansionsmaschine 13a sowie dem Hochdruckverdichter 7b verbindet. Ferner steht der Wärmeübertrager mittels einer Lufthauptleitung 24 in Leitungsverbindung mit dem Flüssigluftspeicher 9, sodass über diese dem Flüssigluftspeicher 9 die noch zu verflüssigende Luft während der Einspeicherphase zugeführt und während der Ausspeicherphase abgeführt werden kann.
  • Ferner ist eine Adsorber-Regenerationsleitung 20 ausgebildet, welche einen Adsorber 19 einerseits mit der Lufthauptleitung 24 und andererseits mit der zweiten Wärmeübertragerleitung 23 verbindet. Ferner ist eine Bypassleitung 18 ausgebildet, mit welcher eine Bypass-Schaltung zwischen einer zweiten Wärmeübertragerleitung und Lufthauptleitung 24 ausgebildet ist. Die Bypassleitung 18 ist mit der zusätzlichen Heizfläche 26 leitungsmäßig verbunden, sodass diese zur Abkühlung der Luft nach der ersten Kompressionsstufe durch den Niederdruckverdichter 13b während der Einspeicherphase ausgebildet ist.
  • In 3 ist die Power-Island 6 während der Einspeicherung von Luft in den Flüssigluftspeicher 9 und Wärme in den Wärmespeicher 11 während der Einspeicherphase dargestellt. Während der Einspeicherphase wird der Wärmeübertrager 14 in eine erste Richtung durchströmt. Dabei wird Umgebungsluft dem mindestens einen Verdichter 7 zugeführt. Dieser wird über einen Elektromotor angetrieben, welcher Strom aus dem Stromnetz entnimmt. Dies geschieht vorzugsweise zur Schwachlastzeiten oder zu Zeiten niedriger oder negativer Strompreise. Die Umgebungsluft wird dabei zunächst von dem Niederdruckverdichter 7a aufgenommen und über die erste Wärmeübertragerleitung 21 der zweiten Heizfläche 16 des Wärmeübertragers 14 zugeführt. Anschließend tritt die Luft aus der zweiten Heizfläche 16 aus und wird mittels der daran angeschlossenen Rückführungsleitung 22 dem Hochdruckverdichter 7b zugeführt. Der Hochdruckverdichter 7b verdichtet die Luft und führt diese über die zweite Wärmeübertragerleitung 23 der zweiten Heizfläche 16 des Wärmeübertragers 14 zu. Nachdem die Luft die zweite Heizfläche des Wärmeübertragers 14 durchlaufen hat, strömt diese in die Lufthauptleitung 24 und wird über diese dem Flüssigluftspeicher 9 nach Durchlaufen des Luftverflüssigers 8 zugeführt und ggf. weiteren nicht dargestellten Anlagenteilen zugeführt.
  • Die so in den Wärmeübertrager 14 eingetragene Kompressionswärme der Luft aus dem mindestens einen Verdichter 7 wird durch den Wärmeübertrager 14 auf einen Zwischenkreislauf 15 übertragen. Über den Zwischenkreislauf 15 wird die Wärme dem Wärmespeicher 11 zugeführt und dort gespeichert. Ferner wird während der Einspeicherphase die zusätzliche Heizfläche 26, welche mit der Bypassleitung 18 verbunden ist, bei der Abkühlung der Luft nach dem Niederdruckverdichter 7a durchströmt.
  • 4 zeigt den in 2 und 3 dargestellten Wärmeübertrager 14 während der Einspeicherphase. 5 zeigt eine Draufsicht des in 4 dargestellten Wärmeübertragers 14. Hieraus ist der Aufbau des Wärmeübertragers 14 zu erkennen. Auf der einen Seite ist die erste Heizfläche 17 ausgebildet und auf der anderen Seite die zweite Heizfläche 16, welche kleiner dimensioniert ist als die erste Heizfläche 17. In dem Raum, welcher durch die kleinere Dimensionierung der zweiten Heizfläche 16 noch vorhanden ist, ist die zusätzliche Heizfläche 26 ausgebildet.
  • In 6 ist die Power-Island 6 während der Ausspeicherung von Luft aus dem Flüssigluftspeicher 9 und Wärme aus dem Wärmespeicher 11 während der Ausspeicherphase dargestellt. Während der Ausspeicherphase wird der Wärmeübertrager 14 in eine zweite Richtung durchströmt, welche der ersten Richtung entgegengesetzt ist. Dabei wird nach vorheriger Verdampfung, kalte gasförmige Luft mit in Einspeicherphase im Wärmespeicher 11 gespeicherten Wärme in dem Wärmeübertrager 14 zugeführt. Dabei wird die Luft zunächst über die Lufthauptleitung 24 dem Wärmeübertrager zugeführt. Über die Lufthauptleitung 24 strömt die Luft zunächst in die erste Heizfläche 17 des Wärmeübertragers. Anschließend verlässt die Luft die erste Heizfläche 17 und strömt in die zweite Wärmeübertragerleitung 23 mittels der zweiten Wärmeübertragerleitung 23 wird die erwärmte Luft der Hochdruckexpansionsmaschine 13a zugeführt und in dieser entspannt und diese dadurch angetrieben. Hierdurch wird der damit verbundene Generator zur Stromproduktion angetrieben. Nach Durchlaufen der Hochdruckexpansionsmaschine 13a, strömt die Luft in die Rückführungsleitung 22 und wird mittels dieser der zweiten Heizfläche 16 des Wärmeübertragers 14 zugeführt. Anschließend durchläuft die Luft die zweite Heizfläche 16 des Wärmeübertragers 14 aus und verlässt diesen durch die erste Wärmeübertragerleitung 21. Durch die erste Wärmeübertragerleitung 21 wird die unter Druck stehende Luft der Niederdruckexpansionsmaschine 13b zugeführt und in dieser entspannt, wodurch diese angetrieben wird. Diese treibt den damit verbundenen Generator zur Stromproduktion an. Dies geschieht vorzugsweise zu Starklastzeiten, also zu Zeiten in denen der Strompreis besonders hoch ist und/oder zusätzlicher Strom in das Netz eingespeist werden muss.
  • In der ersten und zweiten Heizfläche 17, 16 wird die kalte, aus dem Flüssigluftspeicher 9 entnommene und vorher verflüssigte Luft, beim Durchströmen des Wärmeübertragers erwärmt. Hierzu wird die in dem Wärmespeicher 11 gespeicherte Wärme über den Zwischenkreislauf 15 dem Wärmeübertrager 14 zugeführt.
  • Ferner wird während der Ausspeicherphase für die Regeneration des Adsorbers 19 Wärme und möglichst unbeladene Tragluft benötigt. Der Adsorber 19, welcher ein Molsieb ist, entfernt Substanzen aus der Luft, welche ausfrieren können – im vorliegenden Fall im Wesentlichen CO2 und Wasser – während der Einspeicherphase vor dem Luftverflüssiger 8, um zu vermeiden, dass diese Bestandteile der Luft in dem Wärmeübertrager 14 und dem Luftverflüssiger 8 ausfrieren und damit den Betrieb der Komponenten unmöglich machen. Sinnvollerweise wird die Regeneration des Adsorbers 19 während der Ausspeicherphase, also während des Ausspeicherprozesses durchgeführt. Hierzu wird die benötigte Wärme aus dem Wärmespeicher 11 und die beladene Tragluft aus der verdampften ausgespeicherten Luft bereitgestellt. In Ausgestaltung ist dazu die erste Stufe des Wärmeübertragers 14 mit einer größeren ersten Heizfläche 17 ausgebildet. Während des Speichervorgangs wird nach Durchlaufen der ersten Heizfläche 17 und der Erwärmung der Luft im Wärmeübertrager 14 ein Teilstrom der Luft unmittelbar hinter dem Wärmeübertrager 14 von der zweiten Wärmeübertragerleitung 23 in die Adsorber-Regenerationsleitung 20 abgezweigt. Die Adsorber-Regenerationsleitung 20 führt dem Adsorber 19 Regenerierluft zu. Diese Regenerierluft wird nach dem Durchströmen des Adsorbers 19 dem Prozess im kalten aber druckaufgeladenen Zustand wieder zugeführt und anschließend in der zusätzlichen Heizfläche 26 des Wärmeübertragers 14 wieder erwärmt. Nach dem Durchströmen des Wärmeübertragers 14 und stromabwärts des Abzweigs der Adsorber-Regenerationsleitung 20 wird der Luftstrom aus der zusätzlichen Heizfläche 26 wieder der zweiten Wärmeübertragerleitung 23 zugeführt. Dazu wird der Lufthauptstrom in der zweiten Wärmeübertragerleitung leicht angedrosselt, da der Regenerierluftstrom einen geringfügig niedrigeren Druck aufgrund des höheren Druckverlustes aufgrund der Adsorberdurchströmung gegenüber dem Lufthauptstrom aufweist. Hierzu ist erfindungsgemäß an der zweiten Wärmeübertragerleitung 23 eine Drosselvorrichtung 27 ausgebildet. Alternativ zur Drosselung der Luft ist es möglich den Druckverlust des Regenerierluftstroms durch eine Strahlpumpe, die im Lufthauptstrom angeordnet ist, zu überwinden. Da der Adsorber 19 gegen Ende der Auspeicherphase wieder für den Luftreinigungsprozess während der Einspeicherphase kalt sein muss, wird der Adsorber 19 nach seiner Regeneration anstelle von erwärmter Luft aus dem Wärmeübertrager 14, mit kalter, druckaufgeladener und mit CO2 und Wasser unbeladener Luft aus der Verdampfung durchströmt. Zur ausreichenden Regenerierung des Adsorbers 19 strömt über einen gewissen Zeitraum ein bestimmter im Wärmeübertrager 14 aufgeheizter Luftstrom durch den Adsorber 19 strömen. Dabei kann allerdings die regeneriert Zeit variiert werden, wenn gleichzeitig der Luftstrom entsprechend geändert wird. Die Regenerierzeit kann folglich länger als die Abkühlzeit gewählt werden. Der Luftstrom, der im Wärmeübertrager aufgeheizt werden muss, wird dadurch entsprechend verringert, was einen positiven Einfluss auf die Größe der zusätzlich benötigten Heizflächen hat. Damit wird auch die zur Regeneration benötigte Wärme dem Energiespeicherprozess wieder zugeführt, wodurch ein nennenswerter Wirkungsgradverlust durch die Regeneration vermieden wird.
  • Die zusätzliche Heizfläche 26 findet ferner bei der Abkühlungsphase des Adsorbers 19 während des Ausspeicherprozesses über die Bypass-schaltung für die Erwärmung der Luft vor der ersten Stufe der mindestens einen Expansionsmaschinen 13 Verwendung. Ein weiterer Vorteil der zusätzlichen Heizfläche 26 ist dabei der geringere Druckverlust.
  • 7 zeigt den Wärmeübertrager 14 während der Ausspeicherungsphase. 8 zeigt eine Draufsicht des in 7 dargestellten Wärmeübertragers 14.
  • Unter den Begriffen „Einspeicherphase” und „Ausspeicherphase” werden insbesondere Zeiträume verstanden, die einander nicht überlappen. Dies bedeutet, dass die vorstehend und nachfolgend für die Einspeicherphase beschriebenen Maßnahmen, typischerweise nicht während der Ausspeicherphase durchgeführt werden und umgekehrt. Die Einspeicherphase und die Ausspeicherphase entsprechen jeweils einem Betriebs- bzw. Verfahrensmodus einer entsprechenden Vorrichtung bzw. eines entsprechenden Verfahrens.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102014105237 B3 [0008]

Claims (14)

  1. Vorrichtung zum Speichern und Rückgewinnen von Energie (1), insbesondere Flüssigluftenergiespeicherkraftwerk, umfassend einen Tieftemperaturteil mit einem Luftverflüssiger (8), einen Flüssigluftverdampfer (12), einen Speicherteil (3) mit einem Flüssigluftspeicher (9), einen Kältespeicher (10) und einen Wärmespeicher (11), und eine Power-Island (6) mit einen Wärmeübertrager (14), mindestens einem strombetriebene Verdichter (7) zur Kompression von Luft und mindestens einer Expansionsmaschine (13) zur Stromproduktion aus komprimierter Luft, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (14) thermodynamisch sowohl für eine Luftkühlung bei der Luftkompression durch den mindestens einen Verdichter (7) zur Wärmeeinspeicherung eines sich in einem Zwischenkreislauf (15) befindlichen Wärmeträgermediums, insbesondere Luft, in den Wärmespeicher (11) als auch für eine Lufterwärmung bei Luftexpansion durch die mindestens eine Expansionsmaschine (13) zur Wärmeausspeicherung des Wärmeträgermediums aus dem Wärmespeicher (11) ausgebildet ist und zeitlich getrennt sowohl für die Wärmeeinspeicherung in einer Einspeicherphase als auch für die Wärmeausspeicherung in einer Ausspeicherphase betreibbar ist.
  2. Vorrichtung zum Speichern und Rückgewinnen von Energie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (14) derart ausgebildet ist, dass dieser für die Wärmeeinspeicherung in den Wärmespeicher (11) und für die Wärmeausspeicherung aus dem Wärmespeicher (11) jeweils in entgegengesetzter Richtung durchströmbar ausgebildet ist.
  3. Vorrichtung zum Speichern und Rückgewinnen von Energie (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Expansionsmaschine (13) zweistufig ausgebildet ist und eine Hochdruckexpansionsmaschine (13a) und eine Niederdruckexpansionsmaschine (13b) umfasst, und/oder der mindestens eine Verdichter (7) zweistufig ausgebildet ist und einen Niederdruckverdichter (7a) und einen Hochdruckverdichter (7b) umfasst, welche in Leitungsverbindung mit dem Wärmeübertrager (14) stehen und der Wärmeübertrager (14) eine erste Heizfläche (17) für die erste Stufe und eine zweite Heizfläche (16) für die zweite Stufe umfasst, wobei die erste Heizfläche (17) derart größer ausgebildet ist als die zweite Heizfläche (16), dass während der Ausspeicherphase durch eine Adsorber-Regenerierleitung (20) ein Regenerierluftstrom nach der Erwärmung durch die erste Heizfläche (17) des Wärmeübertragers (14) abzweigbar ist und einem Adsorber (19) zuführbar ist.
  4. Vorrichtung zum Speichern und Rückgewinnen von Energie (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber (19) durch die Adsorber-Regenerierleitung (20) in Leitungsverbindung mit einer zusätzlichen Heizfläche (26) des Wärmeübertragers (14) steht und der Regenerierluftstrom nach Durchströmen der zusätzlichen Heizfläche (26) dem Lufthauptstrom in der zweiten Wärmeübertragerleitung (23) nach Austritt aus dem Wärmeübertrager (14) wieder zuführbar ist.
  5. Vorrichtung zum Speichern und Rückgewinnen von Energie (1), nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Wärmeübertragerleitung (23) im Lufthauptstrom eine Drosselvorrichtung (27) zur Drosselung des Lufthauptstroms ausgebildet ist, durch welche der Druck des Lufthauptstroms auf den, insbesondere aufgrund Durchströmung des Adsorbers (19), verringerten Druck des Regenerierluftstroms in der Adsorber-Regenerationsleitung (20) hinter dem Adsorber (19) drosselbar ist und/oder im Lufthauptstrom eine Strahlpumpe angeordnet ist, durch welche der Druckverlust des Regenerierluftstroms ausgleichbar ist.
  6. Vorrichtung zum Speichern und Rückgewinnen von Energie (1), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Heizfläche (26) in Leitungverbindung mit einer Bypassleitung (18) steht, sodass die zusätzliche Heizfläche (26) zur Wärmeeinspeicherung bei der Abkühlung der Luft nach der ersten Kompressionsstufe ausgebildet ist und/oder die zusätzliche Heizfläche (26) zur Wärmeausspeicherung für die Erwärmung der Luft vor der Hochdruckexpansionsmaschine (13a) ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung zum Speichern und Rückgewinnen von Energie (1), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (14) derart ausgebildet ist, dass sowohl der bei der Einspeicherung in den Flüssigluftspeicher (9) während der Einspeicherphase herrschende geringe Druck, welcher beispielsweise zwischen 10 und 90 bar liegt, insbesondere 26,5 bar beträgt, als auch der bei der Ausspeicherung aus dem Flüssigluftspeicher 9 während der Ausspeicherphase herrschende höhere Druck welcher beispielsweise zwischen 60 und 110 bar liegt, insbesondere 89,5 bar beträgt, bei der Auslegung des Wärmeübertragers (14) berücksichtigt ist.
  8. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (14) sowohl für eine Luftkühlung bei der Luftkompression durch den mindestens einen Verdichter (7) zur Wärmeeinspeicherung eines sich in einem Zwischenkreislauf (15) befindlichen Wärmeträgermediums, insbesondere Luft, in den Wärmespeicher (11) als auch für eine Lufterwärmung bei Luftexpansion durch die mindestens eine Expansionsmaschine (13) zur Wärmeausspeicherung des Wärmeträgermediums aus dem Wärmespeicher (11) zeitlich getrennt sowohl für die Wärmeeinspeicherung in einer Einspeicherphase als auch für die Wärmeausspeicherung in einer Ausspeicherphase betrieben wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (14) für die Wärmeeinspeicherung in den Wärmespeicher (11) und für die Wärmeausspeicherung aus dem Wärmespeicher (11) jeweils in entgegengesetzter Richtung durchströmt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass während der Ausspeicherphase durch die Adsorber-Regenerierleitung (20) ein Regenerierluftstrom nach der Erwärmung durch die erste Heizfläche (17) des Wärmeübertragers (14) abgezweigt wird und einem Adsorber (19) zugeführt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8–10, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber (19) durch die Adsorber-Regenerierleitung (20) in Leitungsverbindung mit einer zusätzlichen Heizfläche (26) des Wärmeübertragers (14) steht und der Regenerierluftstrom nach Durchströmen der zusätzlichen Heizfläche (26) dem Lufthauptstrom in der zweiten Wärmeübertragerleitung (23) nach Austritt aus dem Wärmeübertrager (14) wieder zugeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8–11, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Lufthauptstroms auf den, insbesondere aufgrund Durchströmung des Adsorbers (19), verringerten Druck des Regenerierluftstroms in der Adsorber-Regenerationsleitung (20) hinter dem Adsorber (19) durch die Drosselvorrichtung (27) in der zweiten Wärmeübertragerleitung (23) gedrosselt wird und/oder der Druckverlust des Regenerierluftstroms durch eine Strahlpumpe im Hauptluftstrom ausgeglichen wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8–12, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Heizfläche (26) in Leitungverbindung mit der Bypassleitung (18) steht, sodass die zusätzliche Heizfläche (26) zur Wärmeeinspeicherung bei der Abkühlung der Luft nach der ersten Kompressionsstufe durchströmt wird und/oder die zusätzliche Heizfläche (26) zur Wärmeausspeicherung für die Erwärmung der Luft vor der Hochdruckexpansionsmaschine (13a) durchströmt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Einspeicherung in den Flüssigluftspeicher (9) während der Einspeicherphase der Druck zwischen 10 und 90 bar liegt, insbesondere 26,5 bar beträgt, und bei der bei der Ausspeicherung aus dem Flüssigluftspeicher 9 während der Ausspeicherphase der Druck zwischen 60 und 110 bar liegt, insbesondere 89,5 bar beträgt.
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