DE102016114906A1 - Apparatus and method for storing and recovering energy - 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.In a device for storing and recovering energy (1), in particular liquid-air energy storage plant, comprising a low-temperature part with an air liquefier (8), a liquid-air evaporator (12), a storage part (3) with a liquid-air storage (9), a cold storage (10) and a Heat storage (11) and a power island (6) with a heat exchanger (14), at least one power-driven compressor (7) for compressing air and at least one expansion machine (13) for producing electricity from compressed air, a solution is to be created indicates an improved device for storing and recovering energy. This is achieved in that the heat exchanger (14) thermodynamically both for air cooling in the air compression by the at least one compressor (7) for heat storage of a in an intermediate circuit (15) located heat transfer medium, in particular air, in the heat storage (11) also for air heating during air expansion by the at least one expansion machine (13) for heat storage of the heat transfer medium from the heat storage (11) is formed and separated in time for both heat storage in a Einspeicherphase and for the heat storage in a Ausspeicherphase is operable.

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.The invention is directed to a device for storing and recovering energy, in particular a liquid-air energy storage power plant, comprising a low-temperature part with an air liquefier, a liquid air evaporator, a storage part with a liquid air reservoir, a cold storage and a heat storage, and a power island with a heat exchanger, at least a power compressor for compressing air and at least one expansion machine for producing electricity from compressed air.

Weiterhin richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung.Furthermore, the invention is directed to a method for operating such a device.

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.One method of storing excess electricity is the so-called "Liquid Air Energy Storage" (LAES) technology. In this case, air, in particular ambient air is compressed and then cooled so long until the first gaseous air liquefies, ie passes into the liquid state. Subsequently, the liquefied air is stored in special, so-called cryogenic containers. If the load in the power grid increases, the air stored in this way can be pumped to a higher pressure level at peak loads and then vaporized. The pressurized gaseous air is heated and drives highly efficient turbomachinery for power generation. LAES can be used as storage technology in the range of up to several gigawatt hours. The process is similar to compressed air storage in salt caverns, but is independent of the geological conditions and therefore can be used everywhere. Furthermore, the time required for planning, construction and approval procedures of such facilities is significantly reduced. In addition, relatively short construction and lead times are to be expected, which opens up the possibility of rapid implementation. In addition, the necessary components are well-developed unit processes that have been used in the process and power industry for centuries. To adapt them to a LAES system, only minor changes are necessary. When integrated into an existing power plant and industrial site, the required grid and gas infrastructure would already be available.

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.In terms of process technology, such systems consist essentially of three units: a low-temperature part with air liquefier, a liquid evaporator and a cryopump, a storage system comprising a liquid air reservoir, a cold storage and optionally a heat storage and a so-called "power island", which is a Abhitzelufterwärmer and expansion machines for electricity production Compressed air includes.

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.The variant of liquid air storage (LAES) considered here is what is known as adiabatic liquid air storage (A-LAES). This includes adiabatic state changes, ie thermodynamic processes in which a system is transferred from one state to another without the heat being exchanged beyond the system boundaries with the environment of the system. Ie. the resulting in the Einspeicherprozess compression heat is stored in a heat accumulator and used in the Ausspeicherprozess again for heating the high-tension compressed air (after evaporator), which is then used for the operation of the expansion machines for power production.

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.As described above, in the A-LAES process, the air-compression waste heat at the injection phase is stored in a heat storage. The air compression takes place in several stages. Between the different compression stages, the air is cooled to the respective pressure levels for heating the heat accumulator. For this circulates in an intermediate circuit between the heat accumulator and the heat exchanger, a heat transfer medium, such as air, water or thermal oil. For this purpose, the heat transfer medium is usually cooled by means of a first heat exchanger.

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.During the withdrawal process, after the evaporation, cold gaseous compressed air is heated with the heat stored in the injection phase in a second heat exchanger. The expansion takes place, as the compression, in several stages. Between the various expansion stages, the compressed air is heated to the respective pressure levels using the heat from the heat accumulator. The heat is transferred, as in the Einspeicherphase, with a heat transfer medium in an intermediate circuit from the heat storage to the compressed air.

Eine Vorrichtung zum Speichern und Rückgewinnen von Energie mittels eines A-LAES Prozesses ist aus der DE 10 2014 105 237 B3 bekannt.A device for storing and recovering energy by means of an A-LAES process is known from DE 10 2014 105 237 B3 known.

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.It has proved to be disadvantageous that in the known storage and withdrawal of air, a second heat exchanger is provided both for the heat storage, a first heat exchanger and for the removal of air.

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.It is therefore an object of the invention to provide a solution indicating an improved apparatus and method for storing and recovering energy.

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.In a device of the type described in more detail, this object is achieved according to the invention solved in that the heat exchanger thermodynamically both for air cooling in the air compression by the at least one compressor for heat storage of a located in an intermediate circuit heat transfer medium, in particular air, in the heat storage and for air heating in air expansion by the at least one expansion machine for heat storage of Heat transfer medium is formed from the heat storage and separated in time for both the heat storage in a Einspeicherphase and for heat storage in a Ausspeicherphase is operable.

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.In a method of the type described in more detail, this object is achieved in that the heat exchanger both for air cooling in the air compression by the at least one compressor for heat storage of a located in an intermediate circuit heat transfer medium, in particular air, in the heat storage and for an air heating during air expansion by the at least one expansion machine for heat storage of the heat transfer medium from the heat storage time separated is operated both for the heat storage in a Einspeicherphase and for the heat storage in a Ausspeicherphase.

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.With the help of the proposed solution, it is possible to use only a heat exchanger, which can be used both for storage and for the withdrawal. So for the air cooling in the air compression during the Einspeicherphase as well as in the air heating during the air expansion during the Ausspeicherphase. This heat exchanger is flowed through in each case in the opposite direction in the two process phases.

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.In this way, in comparison to a previously known variant with two heat exchangers, one for the injection phase and one for the Ausspeicherphase is provided, the investment costs of an A-LAES system can be significantly reduced. The reduced investment costs make a significant contribution to the commercialization of LAES technology.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.Advantageous embodiments and modifications of the invention are the subject of the dependent subclaims.

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.Thus, it is expedient in an embodiment of the invention that the heat exchanger is designed such that it is designed for the heat storage in the heat storage and heat storage from the heat storage in each case in the opposite direction permeable.

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.Furthermore, an advantageous development of the device according to the invention is that the at least one expansion machine is formed in two stages and comprises a Hochdruckexpansionsmaschine and a Niederdruckexpansionsmaschine, and / or the at least one compressor is formed in two stages and includes a low-pressure compressor and a high-pressure compressor, which in line connection with the heat exchanger and the heat exchanger comprises a first heating surface for the first stage and a second heating surface for the second stage, wherein the first heating surface is formed such larger than the second heating surface, that during the Ausspeicherphase by an adsorber regeneration a Regenerierluftstrom after heating by the first heating surface of the heat exchanger is branched off and an adsorber can be supplied.

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.In a further development, the invention further provides that the adsorber through the adsorber regeneration line is in line connection with an additional heating surface of the heat exchanger and Regenerierluftstrom after flowing through the additional heating surface of the main air flow in the second heat transfer line after exiting the heat exchanger can be fed again.

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.Another advantage is a device in which in the second heat exchanger line in the main air flow throttle device for throttling the main air flow is formed, through which the pressure of the main air flow on the, in particular due to flow through the adsorber, reduced pressure of Regenerierluftstroms in the adsorber regeneration behind the Adsorber can be throttled and / or a jet pump is arranged in the main air flow through which the pressure loss of Regenerierluftstroms is compensated.

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.Furthermore, an advantageous development of the device according to the invention is that the additional heating surface is in line connection with a bypass line, so that the additional heating surface is formed for heat storage in the cooling of the air after a compression stage and / or the additional heating surface for heat storage for the heating of the air is formed before the high-pressure expansion machine.

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.In a further development, the invention further provides that the heat exchanger is designed such that both the low pressure prevailing during storage in the liquid storage during the Einspeicherphase low pressure, which is for example between 10 and 90 bar, in particular 26.5 bar, and the during the withdrawal from the liquid air reservoir prevailing during the Ausspeicherphase higher pressure which, for example, between 60 and 110 bar, in particular 89.5 bar, is taken into account in the design of the heat exchanger.

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.The inventive method is characterized in an embodiment in that the heat exchanger for the heat storage in the heat storage and heat storage from the heat storage is flowed through in each case in the opposite direction.

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.Furthermore, the invention provides that during the Ausspeicherphase by the adsorber regeneration a Regenerierluftstrom is branched off after heating by the first heating surface of the heat exchanger and an adsorber is supplied.

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.Furthermore, it is provided in an embodiment of the method that the adsorber is connected by the adsorber Regenerierleitung in line with an additional heating surface of the heat exchanger and Regenerierluftstrom is fed back after flowing through the additional heating surface of the main air flow in the second heat exchanger line after exiting the heat exchanger.

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.It may also be advantageous that the pressure of the main air flow to the, in particular due to flow through the adsorber, reduced pressure of Regenerierluftstroms is throttled in the adsorber regeneration behind the adsorber through the throttle device in the second heat transfer line and / or the pressure loss of Regenerierluftstroms by a jet pump is balanced in the main air flow.

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.A further advantageous embodiment provides that the additional heating surface is in line connection with the bypass line, so that the additional heating surface for heat storage is flowed through during the cooling of the air after the first compression stage and / or the additional heating surface for heat storage for the heating of the air before High-pressure expansion machine is flowed through.

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.With regard to the pressure ranges, the invention provides in an embodiment that during storage in the liquid storage during the Einspeicherphase the pressure is between 10 and 90 bar, in particular 26.5 bar, and in the case of the withdrawal from the liquid storage during the Ausspeicherphase the pressure is between 60 and 110 bar, in particular 89.5 bar.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich in Ausgestaltung dadurch aus, dassThe inventive method is characterized in an embodiment in that

Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt inThe invention is explained in more detail below by way of example with reference to a drawing. This shows 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, 1 1 schematically shows the basic structure of a device according to the invention for storing and recovering energy in the form of a liquid-air energy storage power plant based on an A-LAES process,

2 schematisch die Power-Island der Vorrichtung zum Speichern und Rückgewinnen von Energie in Form eines Flüssigluftenergiespeicherkraftwerks, 2 schematically the power island of the device for storing and recovering energy in the form of a liquid-air energy storage power plant,

3 die Power-Island während der Einspeicherung von Luft in den Flüssigluftspeicher und Wärme in den Wärmespeicher, während der Einspeicherphase, 3 the power island during the storage of air in the liquid air storage and heat in the heat storage during the Einspeicherphase,

4 schematisch den in 2 und 3 dargestellten Wärmeübertrager, während der Einspeicherphase, 4 schematically the in 2 and 3 shown heat exchanger during the Einspeicherphase,

5 schematisch eine Draufsicht des in 4 dargestellten Wärmeübertragers, 5 schematically a top view of the in 4 illustrated heat exchanger,

6 schematisch die Power-Island während der Ausspeicherung von Luft aus dem Flüssigluftspeicher und Wärme aus dem Wärmespeicher während der Ausspeicherphase, 6 schematically the power island during the withdrawal of air from the liquid air storage and heat from the heat storage during the Ausspeicherphase,

7 schematisch den Wärmeübertrager während der Ausspeicherphase 7 schematically the heat exchanger during the Ausspeicherphase

8 schematisch eine Draufsicht des in 7 dargestellten Wärmeübertragers. 8th schematically a top view of the in 7 shown heat exchanger.

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. 1 schematically shows the basic structure of an inventive device for storing and recovering energy in the form of a liquid-air energy storage power plant based on an A-LAES process, the total with 1 referred to as. This includes a load 2 , a memory part 3 and a discharge 4 , In essence, a liquid-air energy storage power plant will become 1 summarized in three units, namely a cryogenic part, a memory part 3 and as a warm part a so-called power island 6 , The low temperature part comprises an air liquefier 8th and a liquid-air evaporator 12 , The storage part 3 includes a liquid air reservoir 9 , a cold storage 10 and an optional heat storage 11 , In the storage part 3 In a Einspeicherphase liquid air in the liquid air storage 9 , Heat in the heat storage 11 and cold in the cold storage 10 saved.

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.In 2 is schematically the "power island" 6 the device for storing and recovering energy 1 in form of Liquid air energy storage power plant shown. The power island 6 includes a heat exchanger 14 , at least one expansion machine 13 for power production, at least one compressor 7 for air compression, at least one heat storage 11 and a liquid air storage 9 , The at least one expansion machine 13 includes a high pressure expansion machine 13a and a low pressure expansion engine 13b , which are connected to a generator for electricity production. The at least one compressor 7 includes a low pressure compressor 7a and a high pressure compressor 7b which are powered by a motor that is operable with electrical power from the power grid or other source. The heat storage 11 is via an intermediate circuit 15 with the heat exchanger 14 connected, so over the intermediate circuit 15 Heat in the heat storage 11 is stored during a Einspeicherphase and is stored during a temporally separated from the Einspeicherphase Ausspeicherphase. In the intermediate circuit 15 is a fan 25 educated. As heat transfer medium in the intermediate circuit 15 Air is preferably used by the blower 25 during the Einspeicherphase the heat storage 11 is supplied and during the Ausspeicherphase from the heat storage 11 is dissipated. But it can also be used other heat transfer media, such as water or thermal oil. The heat storage 11 is designed as a so-called Solid Bed Heat Storage SBHS.

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.The heat exchanger 14 is designed such that it can be thermodynamically used both for heat storage and for heat storage, ie for the air cooling in the air compression during the Einspeicherprozesses and for the air heating in the air expansion during the Ausspeicherprozesses. The heat exchanger according to the invention 14 is designed such that it can be flowed through in each case in the opposite direction in the two process phases, ie the Einspeicherphase and the Ausspeicherphase. This is procedurally possible because in the inventive device injection and Ausspeicherprozess not be operated simultaneously, but Einspeicherphase and Ausspeicherphase run separated in time.

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.The heat exchanger 14 is designed such that both the storage in the liquid storage 9 During the Einspeicherphase prevailing low pressure, which is, for example, between 10 and 90 bar, in particular 26.5 bar, as well as in the withdrawal from the liquid storage tank 9 during the Ausspeicherphase prevailing higher pressure which, for example, between 60 and 110 bar, in particular 89.5 bar, in the design of the heat exchanger 14 is taken into account.

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.Furthermore, the heat exchanger comprises 14 a first heating surface 17 and a second heating surface 16 as well as an additional heating surface 26 , The dimensioning of the first and second heating surface 16 . 17 depends on the larger required heating surface 16 . 17 depending on the given specification of the heat exchanger 14 , In the heat storage and heat storage are different process parameters, such. B. pressure before. Therefore, one of the two processes, that is, the storage or withdrawal requires a larger heating surface, so based on the larger required heating surface 16 . 17 the dimensioning of the heating surfaces 16 . 17 he follows. The heat exchanger 14 is via a first heat exchanger line 21 in line connection with the low-pressure compressor 7a and the low pressure expansion engine 13b , The first heat exchanger line 21 is in line connection with the second heating surface 16 , Furthermore, the heat exchanger is 14 in line connection with a return line 22 , The return line 22 is in line connection with the second heating surface 16 and the high pressure expansion machine 13a and the high pressure compressor 7b , The heat exchanger 14 is also in line connection with a second heat transfer line 23 , which the heat exchanger 14 with the high pressure expansion machine 13a and the high pressure compressor 7b combines. Furthermore, the heat exchanger is by means of an air main line 24 in line connection with the liquid air reservoir 9 so that over this the liquid air reservoir 9 the still to be liquefied air supplied during the Einspeicherphase and can be removed during the Ausspeicherphase.

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.Further, an adsorber regeneration line 20 formed, which is an adsorber 19 on the one hand with the main air line 24 and on the other hand with the second heat transfer line 23 combines. Furthermore, a bypass line 18 designed, with which a bypass circuit between a second heat transfer line and the main air line 24 is trained. The bypass line 18 is with the additional heating surface 26 connected in line, so that these to cool the air after the first stage compression by the low pressure compressor 13b is formed during the Einspeicherphase.

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.In 3 is the power island 6 during the storage of air in the liquid air storage 9 and heat in the heat storage 11 during the injection phase. During the Einspeicherphase the heat exchanger 14 flows through in a first direction. In this case, ambient air is the at least one compressor 7 fed. This is driven by an electric motor, which draws electricity from the power grid. This is preferably done during off-peak hours or at times of low or negative electricity prices. The ambient air is initially from the low pressure compressor 7a taken and over the first heat transfer line 21 the second heating surface 16 of the heat exchanger 14 fed. Then the air comes out of the second heating surface 16 off and is by means of the connected return line 22 the high pressure compressor 7b fed. The high pressure compressor 7b compresses the air and leads it over the second heat exchanger line 23 the second heating surface 16 of the heat exchanger 14 to. After the air is the second heating surface of the heat exchanger 14 has passed through, this flows into the main air line 24 and is about this the liquid air storage 9 after passing through the air liquefier 8th fed and optionally supplied to other equipment not shown.

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.The so in the heat exchanger 14 registered compression heat of the air from the at least one compressor 7 is through the heat exchanger 14 on an intermediate circuit 15 transfer. About the intermediate circuit 15 The heat is the heat storage 11 fed and stored there. Furthermore, during the Einspeicherphase the additional heating surface 26 , which with the bypass line 18 connected during the cooling of the air after the low pressure compressor 7a flows through.

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. 4 shows the in 2 and 3 shown heat exchanger 14 during the storage phase. 5 shows a plan view of the in 4 shown heat exchanger 14 , This is the structure of the heat exchanger 14 to recognize. On one side is the first heating surface 17 formed and on the other side the second heating surface 16 which is smaller in size than the first heating surface 17 , In the room, which due to the smaller dimensions of the second heating surface 16 is still present, is the additional heating surface 26 educated.

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 6 is the power island 6 during the withdrawal of air from the liquid air reservoir 9 and heat from the heat storage 11 during the withdrawal phase. During the Ausspeicherphase the heat exchanger 14 flows through in a second direction, which is opposite to the first direction. In this case, after previous evaporation, cold gaseous air with in Einspeicherphase in the heat storage 11 stored heat in the heat exchanger 14 fed. The air is first over the main air line 24 supplied to the heat exchanger. About the main air line 24 The air first flows into the first heating surface 17 of the heat exchanger. Then the air leaves the first heating surface 17 and flows into the second heat transfer line 23 by means of the second heat transfer line 23 becomes the heated air of the high pressure expansion machine 13a supplied and relaxed in this and this driven. As a result, the associated generator is driven to produce electricity. After passing through the high-pressure expansion machine 13a , the air flows into the return line 22 and is by means of this the second heating surface 16 of the heat exchanger 14 fed. Then the air passes through the second heating surface 16 of the heat exchanger 14 and leaves it through the first heat transfer line 21 , Through the first heat transfer line 21 becomes the pressurized air of the low-pressure expansion engine 13b supplied and relaxed in this, whereby it is driven. This drives the associated generator for electricity production. This is preferably done at peak load times, ie at times when the price of electricity is particularly high and / or additional power must be fed into the grid.

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.In the first and second heating surface 17 . 16 gets the cold, from the liquid air storage 9 removed and previously liquefied air, heated when flowing through the heat exchanger. This is done in the heat storage 11 stored heat via the intermediate circuit 15 the heat exchanger 14 fed.

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.Further, during the Ausspeicherphase for the regeneration of the adsorber 19 Heat and unloaded carrying air needed. The adsorber 19 , which is a molecular sieve, removes substances from the air, which can freeze - in the present case essentially CO 2 and water - during the injection phase before the air liquefier 8th To avoid these components of the air in the heat exchanger 14 and the air liquefier 8th freeze and thus make the operation of the components impossible. It makes sense to regenerate the adsorber 19 during the Ausspeicherphase, ie performed during the Ausspeicherprozesses. For this purpose, the required heat from the heat storage 11 and the loaded carrying air is provided from the vaporized stored air. In an embodiment, this is the first stage of the heat exchanger 14 with a larger first heating surface 17 educated. During the storage process, after passing through the first heating surface 17 and the heating of the air in the heat exchanger 14 a partial flow of air immediately behind the heat exchanger 14 from the second heat transfer line 23 in the adsorber regeneration line 20 diverted. The adsorber regeneration line 20 leads the adsorber 19 Regeneration air too. This regeneration air is after flowing through the adsorber 19 fed back to the process in the cold but pressure-charged state and then in the additional heating surface 26 of the heat exchanger 14 reheated. After flowing through the heat exchanger 14 and downstream of the branch of the adsorber regeneration line 20 the air flow is removed from the additional heating surface 26 again the second heat exchanger line 23 fed. For this purpose, the main air flow in the second heat exchanger line is slightly throttled, since the Regenerierluftstrom has a slightly lower pressure due to the higher pressure loss due to the Adsorberdurchströmung compared to the main air flow. For this purpose, according to the invention on the second heat transfer line 23 a throttle device 27 educated. As an alternative to throttling the air, it is possible to overcome the pressure loss of the Regenerierluftstroms by a jet pump, which is arranged in the main air flow. As the adsorber 19 towards the end of the storage phase again must be cold for the air purification process during Einspeicherphase, the adsorber 19 after its regeneration instead of heated air from the heat exchanger 14 , flows through with cold, pressure-charged and with CO 2 and water unloaded air from the evaporation. For sufficient regeneration of the adsorber 19 over a certain period of time a certain flows in the heat exchanger 14 heated air flow through the adsorber 19 stream. However, the regenerated time can be varied, if at the same time the air flow is changed accordingly. The regeneration time can therefore be selected longer than the cooling time. The air flow, which must be heated in the heat exchanger, is reduced accordingly, which has a positive influence on the size of the additionally required heating surfaces. Thus, the heat required for regeneration is fed back to the energy storage process, whereby a significant loss of efficiency is avoided by the regeneration.

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.The additional heating surface 26 also finds in the cooling phase of the adsorber 19 during the Ausspeicherprozesses via the bypass circuit for the heating of the air before the first stage of the at least one expansion machine 13 Use. Another advantage of the additional heating surface 26 is the lower pressure loss.

7 zeigt den Wärmeübertrager 14 während der Ausspeicherungsphase. 8 zeigt eine Draufsicht des in 7 dargestellten Wärmeübertragers 14. 7 shows the heat exchanger 14 during the withdrawal phase. 8th shows a plan view of the in 7 shown heat exchanger 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.The terms "injection phase" and "Ausspeicherphase" are understood in particular periods that do not overlap each other. This means that the measures described above and below for the injection phase are typically not performed during the Ausspeicherphase and vice versa. The injection phase and the Ausspeicherphase each correspond to an operating or process mode of a corresponding device or a corresponding method.

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Claims (14)

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.Device for storing and recovering energy ( 1 ), in particular liquid-air energy storage power plant, comprising a low-temperature part with an air liquefier ( 8th ), a liquid-air evaporator ( 12 ), a memory part ( 3 ) with a liquid air reservoir ( 9 ), a cold storage ( 10 ) and a heat storage ( 11 ), and a power island ( 6 ) with a heat exchanger ( 14 ), at least one power-driven compressor ( 7 ) for compressing air and at least one expansion machine ( 13 ) for the production of electricity from compressed air, characterized in that the heat exchanger ( 14 ) thermodynamically for both air cooling in the air compression by the at least one compressor ( 7 ) for storing heat in an intermediate circuit ( 15 ) located heat transfer medium, in particular air, in the heat storage ( 11 ) as well as for air heating by air expansion through the at least one expansion machine ( 13 ) for heat storage of the heat transfer medium from the heat storage ( 11 ) is formed and separated in time for both the heat storage in a Einspeicherphase and for the heat storage in a Ausspeicherphase is operable. 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.Device for storing and recovering energy ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the heat exchanger ( 14 ) is designed such that this for the heat storage in the heat storage ( 11 ) and for the heat transfer from the heat storage ( 11 ) is formed through in each case in the opposite direction. 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.Device for storing and recovering energy ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one expansion machine ( 13 ) is formed in two stages and a high pressure expansion machine ( 13a ) and a low-pressure expansion machine ( 13b ), and / or the at least one compressor ( 7 ) is formed in two stages and a low-pressure compressor ( 7a ) and a high pressure compressor ( 7b ), which in line connection with the heat exchanger ( 14 ) and the heat exchanger ( 14 ) a first heating surface ( 17 ) for the first stage and a second heating surface ( 16 ) for the second stage, the first heating surface ( 17 ) is formed so larger than the second heating surface ( 16 ) that during the Ausspeicherphase by an adsorber regeneration line ( 20 ) a Regenerierluftstrom after heating by the first heating surface ( 17 ) of the heat exchanger ( 14 ) is branchable and an adsorber ( 19 ) can be fed. 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.Device for storing and recovering energy ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the adsorber ( 19 ) through the adsorber regeneration line ( 20 ) in line connection with an additional heating surface ( 26 ) of the heat exchanger ( 14 ) and the Regenerierluftstrom after flowing through the additional heating surface ( 26 ) the main air flow in the second heat transfer line ( 23 ) after exiting the heat exchanger ( 14 ) can be fed again. 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.Device for storing and recovering energy ( 1 ), according to claim 4, characterized in that in the second heat transfer line ( 23 ) in the main air flow a throttle device ( 27 ) is formed for throttling the main air flow through which the pressure of the main air flow on the, in particular due to flow through the adsorber ( 19 ), reduced pressure of Regenerierluftstroms in the adsorber regeneration line ( 20 ) behind the adsorber ( 19 ) can be throttled and / or a jet pump is arranged in the main air flow, through which the pressure loss of Regenerierluftstroms is compensated. 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.Device for storing and recovering energy ( 1 ), according to one of the preceding claims, characterized in that the additional heating surface ( 26 ) in line connection with a bypass line ( 18 ), so that the additional heating surface ( 26 ) is designed for heat storage during the cooling of the air after the first compression stage and / or the additional heating surface ( 26 ) for heat transfer for the heating of the air upstream of the high pressure expansion machine ( 13a ) is trained. 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.Device for storing and recovering energy ( 1 ), according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger ( 14 ) is designed such that both in the storage in the liquid storage tank ( 9 ) during the Einspeicherphase prevailing low pressure, which is for example between 10 and 90 bar, in particular 26.5 bar, as well as in the withdrawal from the liquid air reservoir 9 During the Ausspeicherphase prevailing higher pressure which, for example, between 60 and 110 bar, in particular 89.5 bar, in the design of the heat exchanger ( 14 ) is taken into account. 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.Method for operating a device according to one of claims 1-7, characterized in that the heat exchanger ( 14 ) for both air cooling during air compression by the at least one compressor ( 7 ) for storing heat in an intermediate circuit ( 15 ) located heat transfer medium, in particular air, in the heat storage ( 11 ) as well as for air heating by air expansion through the at least one expansion machine ( 13 ) to Heat transfer of the heat transfer medium from the heat storage ( 11 ) is operated separately in time for the heat storage in a Einspeicherphase as well as for the heat storage in a Ausspeicherphase. 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.Method according to claim 8, characterized in that the heat exchanger ( 14 ) for the heat storage in the heat storage ( 11 ) and for the heat transfer from the heat storage ( 11 ) is flowed through in each case in the opposite direction. 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.A method according to claim 8 or 9, characterized in that during the Ausspeicherphase by the adsorber Regenerierleitung ( 20 ) a Regenerierluftstrom after heating by the first heating surface ( 17 ) of the heat exchanger ( 14 ) is branched off and an adsorber ( 19 ) is supplied. 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.Method according to one of claims 8-10, characterized in that the adsorber ( 19 ) through the adsorber regeneration line ( 20 ) in line connection with an additional heating surface ( 26 ) of the heat exchanger ( 14 ) and the Regenerierluftstrom after flowing through the additional heating surface ( 26 ) the main air flow in the second heat transfer line ( 23 ) after exiting the heat exchanger ( 14 ) is returned. 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.Method according to one of claims 8-11, characterized in that the pressure of the main air flow on the, in particular due to flow through the adsorber ( 19 ), reduced pressure of Regenerierluftstroms in the adsorber regeneration line ( 20 ) behind the adsorber ( 19 ) through the throttle device ( 27 ) in the second heat transfer line ( 23 ) is throttled and / or the pressure loss of Regenerierluftstroms is compensated by a jet pump in the main air flow. 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.Method according to one of claims 8-12, characterized in that the additional heating surface ( 26 ) in line connection with the bypass line ( 18 ), so that the additional heating surface ( 26 ) is traversed for heat storage during the cooling of the air after the first compression stage and / or the additional heating surface ( 26 ) for heat transfer for the heating of the air upstream of the high pressure expansion machine ( 13a ) is flowed through. 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.Method according to one of claims 1-13, characterized in that during injection into the liquid air reservoir ( 9 ) is during the Einspeicherphase the pressure between 10 and 90 bar, in particular 26.5 bar, and in the case of the withdrawal from the liquid air reservoir 9 during the Ausspeicherphase the pressure is between 60 and 110 bar, in particular 89.5 bar.
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