-
Die Erfindung betrifft einen sensiblen Wärmespeicher, ein Wärmespeichersystem mit einem sensiblen Wärmespeicher und ein Verfahren zur bedarfsgerechten Speicherung und Nutzung von sensibler Wärmeenergie.
-
Sensible Wärmespeicher arbeiten nach dem Prinzip der Temperaturveränderung eines Speichermediums. Unterschieden werden insbesondere sensible Feststoffwärmespeicher und sensible Flüssigkeitswärmespeicher.
-
In sensiblen Feststoffwärmespeichern wird thermische Energie durch Aufheizung und Abkühlung eines aus einem Feststoff gebildeten Speicherelements eingespeichert und ausgespeichert, wodurch der Feststoffwärmespeicher beladen bzw. entladen wird. Das Speicherelement kann aus Natursteinschüttungen oder stapelbaren keramischen Formsteinen, typischerweise Oxidkeramiken, gebildet sein. Speicherelemente sensibler Feststoffwärmespeicher können in Temperaturbereichen von über 1000° C eingesetzt werden und deshalb Energie in hoher Dichte aufnehmen. Bei der Einspeicherung thermischer Energie bzw. der Beladung eines sensiblen Feststoffwärmespeichers strömt ein heißes gasförmiges Wärmeträgermedium in den Wärmespeicher, heizt das aus einem Feststoff gebildete Speicherelement auf und verlässt abgekühlt den Wärmespeicher. Das für die Einspeicherung verwendete gasförmige Wärmeträgermedium kann beispielsweise solar oder elektrisch erhitzte Heißluft, Verbrennungsgas einer Gasturbine, Rauchgas einer Ersatzbrennstoffanlage oder adiabat komprimierte Druckluft sein. Bei der Ausspeicherung wird bei entgegengesetzter Durchströmung des Wärmespeichers ein gasförmiges Wärmeträgermedium erhitzt, das beispielweise als vorgewärmte Verbrennungsluft genutzt wird oder die aufgenommene Wärme an ein weiteres Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser zur Dampferzeugung in einem Wärmekraftwerk, überträgt.
-
Durch die Nutzung von Gasen, sowohl bei der Einspeicherung als auch bei der Ausspeicherung thermischer Energie in sensiblen Feststoffwärmespeichern, werden die beiden grundlegenden Funktionen der Speicherung und der Bereitstellung thermischer Energie vom sensiblen Feststoffwärmespeicher erfüllt. Unter ökonomischen Gesichtspunkten ist dies vorteilhaft, da in diesem Fall keine zusätzlichen teuren Wärmeübertragungskomponenten installiert werden müssen.
-
Bei sensiblen Flüssigkeitswärmespeichern wird als Speicherelement eine Flüssigkeit eingesetzt. Da Flüssigkeiten mithilfe von Pumpen und Rohrleitungssystemen leicht förderbar sind, können Flüssigkeiten sowohl als Speicherelement als auch als Wärmespeichermedium eingesetzt werden. Flüssigkeiten zeichnen sich durch ihre hohe volumetrische Wärmespeicherkapazität und durch einen sehr guten Wärmeübergang im Vergleich zu Gasen aus. Leistungskomponenten, wie Wärmetauscher oder Elektroerhitzer, können bei sensiblen Flüssigkeitswärmespeichern somit sehr kompakt gebaut werden. Ferner ist, aufgrund der meist niedrigen Viskosität der Flüssigkeiten und der zugleich niedrigen Druckverluste bei der Förderung, die aufzuwendende Leistung, um die in einem flüssigen Medium gespeicherte thermische Energie über Rohrleitungssysteme zu transportieren, sehr viel geringer als bei gasförmigen Medien.
-
Ein Beispiel von großtechnisch eingesetzten sensiblen Flüssigkeitswärmespeichern sind sogenannte Flüssigsalzspeicher in solarthermischen Kraftwerken. Diese werden seit einigen Jahren kommerziell eingesetzt und ermöglichen es, thermische Energie für ein Kraftwerk großmaßstäblich und wirtschaftlich zu speichern. Zur Speicherung werden in der Regel zwei Tanks, ein Kalttank (bei z. B. 300° C) und ein Heißtank (bei z. B. 560° C), eingesetzt, in denen sich ein Flüssigsalz befindet. Beim Be- und Entladen des Wärmespeichers ändern sich die Füllstände der Tanks, wobei die Temperaturen in den Tanks jeweils konstant bleiben. Die Kosten der reinen Speichermaterialien sind bei Flüssigsalzen im Vergleich zu Feststoffen deutlich höher. Daher erfolgt die Wahl der Salzmischung in der Regel primär nach ökonomischen Gesichtspunkten. Die häufig verwendeten Nitratsalze fangen an sich verstärkt bei Temperaturen über 560° C zu zersetzen. Salzmischungen, die eine höhere thermische Stabilität aufweisen, sind meist teurer als Nitratsalze oder haben andere Nachteile, wie beispielsweise eine zu hohe Schmelztemperatur oder starke Korrosivität.
-
Bei sensiblen Feststoffwärmespeichern ist nachteilig, dass die Einspeicherung und Ausspeicherung mit einem gasförmigen Wärmeträgermedium erfolgt. Gase weisen im Vergleich zu Flüssigkeiten einen schlechteren Wärmeübergang auf. Ferner ist der Transport von Gasen im Vergleich zum Transport von Flüssigkeiten mit einem hohen Druckverlust behaftet. Um den Druckverlust in einem akzeptablen Bereich zu halten, werden für den Transport von Gasen in der Regel große und somit vergleichsweise teure Leistungskomponenten (Rohre, Wärmeübertrager o. Ä.) verwendet, die einen großen Strömungsquerschnitt aufweisen. Nachteilig bei sensiblen Flüssigkeitswärmespeichern ist, dass das eingesetzte Flüssigsalz im Vergleich zu beispielsweise Natursteinschüttungen in Feststoffspeichern sehr teuer ist.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen sensiblen Wärmespeicher bereitzustellen, der kostengünstig ist und gleichzeitig eine hohe Effizienz aufweist. Ferner ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärmespeichersystem mit einem derartigen sensiblen Wärmespeicher bereitzustellen. Ferner ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges und effizientes Verfahren zur bedarfsgerechten Speicherung und Nutzung von Wärmeenergie mittels eines sensiblen Wärmespeichers bereitzustellen.
-
Der erfindungsgemäße sensible Wärmespeicher ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
-
Das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 7.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur bedarfsgerechten Speicherung und Nutzung von Wärme oder Kälte ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 11 und durch die Merkmale des Anspruchs 16.
-
Der erfindungsgemäße sensible Wärmespeicher weist einen Speicherbehälter mit einer Eintrittsöffnung zum Einleiten und einer Austrittsöffnung zum Ausleiten eines ersten Wärmeträgermediums auf, wobei die Eintrittsöffnung in einem oberen Abschnitt des Speicherbehälters angeordnet ist und die Austrittsöffnung in einem unteren Abschnitt des Speicherbehälters angeordnet ist, wobei das erste Wärmeträgermedium unter der Wirkung der Schwerkraft durch den Speicherbehälter leitbar ist. Der sensible Wärmespeicher ist gekennzeichnet durch eine im oberen Abschnitt des Speicherbehälters angeordnete erste Strömungsöffnung, wobei mittels der ersten Strömungsöffnung ein zweites Wärmeträgermedium in den Speicherbehälter leitbar ist, und mindestens eine in dem Speicherbehälter aufgenommene Wärmespeichereinheit, wobei die Wärmespeichereinheit mindestens eine Speichereinrichtung aufweist, die mehrere Durchlässe bildet, durch die das erste und/oder zweite Wärmeträgermedium durchleitbar ist, wobei mittels der Wärmespeichereinheit eine Wärme oder Kälte speicherbar ist.
-
Vorzugsweise ist das erste Wärmeträgermedium in Schwerkraftrichtung durch den Speicherbehälter leitbar. Insbesondere kann das erste Wärmeträgermedium durch den Speicherbehälter rieseln, d. h. sich in feinen Tropfen durch den Speicherbehälter bewegen.
-
Vorzugsweise ist die mindestens eine Speichereinrichtung der Wärmespeichereinheit durch einen Feststoff gebildet. Ferner ist der Speicherbehälter vorzugsweise mittels des ersten und/oder zweiten Wärmeträgermediums von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung, von der Austrittsöffnung zur Eintrittsöffnung, von der Eintrittsöffnung zur ersten Strömungsöffnung, und von der ersten Strömungsöffnung zur Eintrittsöffnung durchströmbar. Besonders bevorzugt ist das erste Wärmespeichermedium und das zweite Wärmespeichermedium im Gegenstrom, also in zueinander entgegengesetzten Fließrichtungen, durch den Speicherbehälter leitbar.
-
Die Beladung des sensiblen Wärmespeichers kann mittels des ersten Wärmeträgermediums erfolgen, während die Entladung mittels des zweiten Wärmeträgermediums erfolgt. Alternativ kann die Beladung des sensiblen Wärmespeichers mittels des zweiten Wärmeträgermediums erfolgen, während die Entladung mittels des ersten Wärmeträgermediums erfolgt. Alternativ können Be- und Entladung mittels des ersten Wärmeträgermediums erfolgen.
-
Beispielsweise kann eine Beladung des sensiblen Wärmespeichers mit einem flüssigen Wärmeträgermedium, das unter der Wirkung der Schwerkraft durch den Speicherbehälter leitbar ist, erfolgen, während die Entladung mit einem gasförmigen Wärmeträgermedium erfolgt. Alternativ kann beispielsweise eine Beladung des sensiblen Wärmespeichers mit einem gasförmigen Wärmeträgermedium erfolgen, während die Entladung mit einem flüssigen Wärmeträgermedium, das unter der Wirkung der Schwerkraft durch den Speicherbehälter leitbar ist, erfolgt. In beiden Fällen kann das gasförmige Wärmeträgermedium im Gleichstrom oder im Gegenstrom zum flüssigen Wärmeträgermedium durch den Speicherbehälter geleitet werden. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass sowohl die Beladung als auch die Entladung mittels eines flüssigen Wärmeträgermediums erfolgt, das unter der Wirkung der Schwerkraft durch den Speicherbehälter leitbar ist.
-
Vorzugsweise sind an der Eintrittsöffnung und an der Austrittsöffnung rohrförmige Abschnitte angesetzt. Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Speicherbehälter eine Isolationsschicht aufweist.
-
Es kann ferner vorgesehen sein, dass der sensible Wärmespeicher mobil ist, d. h. unter geringem Aufwand von einem Ort zu einem anderen Ort transportierbar ist. Dadurch können die Orte, an denen der sensible Wärmespeicher Beladen bzw. Entladen wird, voneinander verschieden sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Speicherbehälter des sensiblen Wärmespeichers Tragelemente zum Aufstellen des sensiblen Wärmespeichers auf einem Untergrund aufweisen.
-
Vorzugsweise ist die mindestens eine Speichereinrichtung aus mindestens einem Speicherkörper gebildet. Der mindestens eine Speicherkörper ist vorzugsweise porös. Beispielsweise können die Speicherkörper durch ein Schüttgut, vorzugsweise durch eine Steinschüttung, gebildet sein. Alternativ dazu kann der mindestens eine Speicherkörper eine lamellenartige Struktur aufweisen und/oder von Rohren durchzogen sein.
-
Durch die Verwendung mindestens eines porösen und/oder lamellenartigen und/oder von Rohren durchzogenen Speicherkörpers wird die wärmeübertragende Oberfläche der mindestens einen Speichereinrichtung der Wärmespeichereinheit erhöht. Dadurch kann sowohl bei der Durchleitung von Gasen als auch bei der Durchleitung von Flüssigkeiten ein verbesserter Wärmeübergang zwischen dem mindestens einen Speicherkörper und dem gasförmigen oder flüssigen Wärmespeichermedium realisiert werden. Der Wirkungsgrad des sensiblen Wärmespeichers wird dadurch in vorteilhafter Weise erhöht.
-
Es kann ferner vorgesehen sein, dass als erstes Wärmeträgermedium ein Fluid, vorzugsweise eine Flüssigkeit, durch den Speicherbehälter leitbar ist. Beispielsweise kann das erste Wärmeträgermedium durch ein Flüssigkeit-Gas-Gemisch gebildet sein.
-
Flüssigkeiten weisen meist eine niedrige Viskosität auf und lassen sich bei geringen Druckverlusten mittels Rohrleitungssystemen fördern. Die aufzuwendende Leistung für die Förderung von Flüssigkeiten ist geringer als bei Gasen. Ferner weisen Flüssigkeiten einen deutlich besseren Wärmeübergang im Vergleich zu Gasen auf.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass als erstes Wärmeträgermedium ein Flüssigsalz, das vorzugsweise ein niedrigschmelzendes Salz aufweist oder daraus besteht, durch den Speicherbehälter leitbar ist.
-
Flüssigsalze als Wärmeträgermedium sind bei bestehenden Systemen, insbesondere bei Solaranlagen, weit verbreitet. Durch die Verwendbarkeit eines Flüssigsalzes als Wärmeträgermedium ist der erfindungsgemäße sensible Wärmespeicher in vorteilhafter Weise mit derartigen bestehenden Systemen, die als externe Vorrichtungen an den sensiblen Wärmspeicher angeschlossen werden können, kompatibel.
-
Es kann ferner vorgesehen sein, dass im unteren Abschnitt des Speicherbehälters eine zweite Strömungsöffnung angeordnet ist, wobei das zweite Wärmeträgermedium durch die zweite Strömungsöffnung leitbar ist.
-
Durch das Vorsehen einer zweiten Strömungsöffnung im unteren Abschnitt des Speicherbehälters entsteht von der ersten zur zweiten Strömungsöffnung und umgekehrt ein Strömungsweg für das zweite Wärmeträgermedium, der von der Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung des ersten Wärmeträgermediums unabhängig ist. Das Durchleiten der Wärmeträgermedien kann dadurch in vorteilhafter Weise an die Bedürfnisse des Anwenders angepasst werden. Beispielsweise kann das Beladen des sensiblen Wärmespeichers mittels Durchleitung eines ersten Wärmeträgermediums von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung erfolgen, während das Entladen des Wärmespeichers mittels Durchleitung eines zweiten Wärmeträgermediums von der ersten Strömungsöffnung zur zweiten Strömungsöffnung oder von der zweiten Strömungsrichtung zur ersten Strömungsöffnung erfolgt.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein gasförmiges zweites Wärmeträgermedium sowohl von der ersten Strömungsöffnung zur zweiten Strömungsöffnung als auch von der zweiten Strömungsöffnung zur ersten Strömungsöffnung durch den Speicherbehälter leitbar ist. Dabei ist die Wärmespeichereinheit vorzugsweise zwischen den beiden Strömungsöffnungen angeordnet.
-
Durch die Durchströmbarkeit des Speicherbehälters in beide Richtungen, von der ersten Strömungsöffnung zur zweiten Strömungsöffnung und von der zweiten Strömungsöffnung zur ersten Strömungsöffnung, wird die Einsatzflexibilität und Kompatibilität des sensiblen Wärmespeichers in vorteilhafter Weise erhöht. Beispielsweise kann die Beladung und/oder Entladung mit zwei Wärmeträgermedien gleichzeitig erfolgen. Der Speicherbehälter erfüllt somit zugleich die Funktion eines Wärmetauschers.
-
Vorzugsweise sind das erste Wärmeträgermedium und das zweite Wärmeträgermedium im Gegenstrom zueinander durch den Speicherbehälter leitbar.
-
Bei der Beladung des sensiblen Wärmespeichers, beispielsweise mittels des ersten Wärmeträgermediums, befindet sich das erste Wärmeträgermedium beim Eintritt in den Speicherbehälter in erhitztem Zustand und kühlt zum Austritt aus dem Speicherbehälter ab. Entsprechend weist der Speicherbehälter eine heiße Seite beim Eintritt des ersten Wärmeträgermediums und eine kalte Seite beim Austritt des Wärmeträgermediums auf. Im Speicherbehälter befindet sich eine sogenannte Temperaturwechselzone bzw. Temperaturmischzone, deren Größe maßgeblich von der inneren Oberfläche und der Art des sensiblen Wärmespeichers, der Durchström- bzw. Durchrieselgeschwindigkeit sowie dem Grad der Be- und Entladung abhängt. Je kleiner die Temperaturwechselzone im Speicherbehälter ist, desto besser ist dessen Ausnutzung. Es ist somit vorteilhaft, die Temperaturwechselzone möglichst klein zu halten bzw. ein kontinuierliches Anwachsen der Temperaturwechselzone zu vermeiden, beispielsweise durch eine geeignete Auslegung des sensiblen Wärmespeichers unter Berücksichtigung der oben genannten Randbedingungen. Bei der Entladung des sensiblen Wärmespeichers, beispielsweise mittels des zweiten Wärmeträgermediums, ist es im Hinblick auf den Wirkungsgrad des Wärmespeichers besonders vorteilhaft, wenn das zweite Wärmeträgermedium in umgekehrter Richtung durch den Speicherbehälter geleitet wird. Mit anderen Worten, wird das zweite Wärmeträgermedium unter dem Aspekt des Wirkungsgrads vorzugsweise an der kalten Seite des Speicherbehälters eingeleitet und an der heißen Seite des Speicherbehälters ausgeleitet. Eine Ausnahme stellt der Fall dar, wenn das gesamte Inventar im Speicherbehälter eine einheitliche Temperatur erreicht hat, das heißt voll beladen bzw. voll entladen ist. In diesem Fall kann der Speicherbehälter wahlweise von oben oder von unten durchströmt werden. Der Wirkungsgrad ist bei beiden Strömungsrichtungen gleich.
-
Der Vorteil der entgegengesetzten Durchleitung der Wärmeträgermedien gegenüber einer gleichgerichteten Durchleitung der Wärmeträgermedien ist abhängig vom Temperaturprofil zum Zeitpunkt der Be- bzw. Entladung. Bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen sensiblem Wärmespeicher und den Wärmeträgermedien, wie sie bei einer gleichgerichteten Durchleitung im Bereich der Eintrittsöffnung des Speicherbehälters vorkommen würden, ergibt sich beim Wärmeübergang von heiß nach kalt ein hoher Exergieverlust bzw. ein verringerter Wirkungsgrad der Ein- bzw. Ausspeicherung.
-
Vorzugsweise ist in dem unteren Abschnitt des Speicherbehälters eine Leitvorrichtung angeordnet, wobei die Leitvorrichtung das erste Wärmeträgermedium zur Austrittöffnung leitet. Die Leitvorrichtung kann dabei durch ein über einem inneren Zugang der zweiten Strömungsöffnung angeordnetes haubenförmiges Blech gebildet sein.
-
Ein beispielsweise flüssiges durch den Speicherbehälter rieselndes erstes Wärmeträgermedium trifft im unteren Abschnitt des Speicherbehälters auf die Leitvorrichtung, wodurch verhindert wird, dass das erste Wärmeträgermedium zur zweiten Strömungsöffnung gelangt. Das erste Wärmeträgermedium kann nach dem Auftreffen auf die Leitvorrichtung in eine gewünschte Richtung, die mittels der Form der Leitvorrichtung beeinflussbar ist, abfließen. Durch das Vorsehen einer Leitvorrichtung im Speicherbehälter wird somit ein Vermischen des ersten und des zweiten Wärmeträgermediums beim Austritt aus dem Speicherbehälter in vorteilhafter Weise vermieden.
-
Vorzugsweise erfolgt die Beladung des Wärmespeichers bzw. die Einspeicherung thermischer Energie in den Wärmespeicher mittels des ersten Wärmeträgermediums, während die Entladung des Wärmespeichers bzw. das Ausspeichern von thermischer Energie aus dem Wärmespeicher mittels des zweiten Wärmeträgermediums erfolgt. Alternativ kann die Beladung des Wärmespeichers mittels des ersten und zweiten Wärmeträgermediums zusammen erfolgen.
-
Die Beladung des Wärmespeichers kann somit in vorteilhafter Weise an die verfügbaren Wärmequellen angepasst werden, während die Entladung des Wärmespeichers an die Bedürfnisse des jeweils vorgesehenen Verbrauchers anpassbar ist.
-
Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Speicherbehälter eine Verteilvorrichtung aufweist, wobei die Verteilvorrichtung zum verteilten Einleiten des ersten Wärmeträgermediums an der Eintrittsöffnung angeordnet ist. Die Verteilvorrichtung ist vorzugsweise durch einen Zerstäuber und/oder eine perforierte Platte gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann an einer der Strömungsöffnungen eine Verteilvorrichtung vorgesehen sein.
-
Durch das Vorsehen einer Verteilvorrichtung an der Eintrittsöffnung des Speicherbehälters kann ein über die Eintrittsöffnung eingeleitetes Wärmeträgermedium in vorteilhafter Weise über den Querschnitt der mindestens einen Speichereinrichtung der Wärmespeichereinheit verteilt werden. Insbesondere in Kombination mit einer porösen Speichereinrichtung der Wärmespeichereinheit kann mittels der Verteilvorrichtung erreicht werden, dass das Wärmeträgermedium in vorteilhafter Weise mit einem möglichst großen Teil der wärmeübertragenden Oberfläche der Speichereinrichtung in Kontakt kommt und ein möglichst hoher Anteil der im Wärmeträgermedium gespeicherten thermischen Energie auf die Speichereinrichtung der Wärmespeichereinheit übertragen wird.
-
Es kann ferner vorgesehen sein, dass eine oder mehrere Öffnungen des Speicherbehälters einen Flansch aufweisen, wobei der Speicherbehälter mittels der Flansche mit externen Vorrichtungen verbindbar ist, um einen Austausch eines Wärmeträgermediums mit den externen Vorrichtungen zu ermöglichen. Die Flansche können beispielsweise rohrförmig ausgebildet sein und/oder einen Stutzen aufweisen.
-
Der sensible Wärmespeicher kann mittels der Flansche auf einfache Art und Weise an externe Vorrichtungen angeschlossen werden. Somit kann, mittels der Flansche, die Variabilität und Kompatibilität des sensiblen Wärmespeichers in vorteilhafter Weise erhöht werden. Vorzugsweise sind an den Flanschen Sensoren zur Anzeige und/oder Überwachung des Beladungszustandes und/oder der Temperatur und/oder der Durchströmungsgeschwindigkeit der Wärmespeichermedien angeordnet.
-
Vorzugsweise weisen die Flansche ferner Ventile auf, mittels derer der Beladungszustand des Wärmespeichers und/oder die Temperatur des Wärmespeichers und/oder die Durchströmungsgeschwindigkeit der Wärmespeichermedien regelbar ist.
-
Das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem weist einen sensiblen Wärmespeicher, eine Erhitzungsvorrichtung und ein erstes Wärmeträgermedium auf, wobei der sensible Wärmespeicher zur Bildung eines Kreislaufs des ersten Wärmeträgermediums mit der Erhitzungsvorrichtung verbunden ist, und wobei das erste Wärmeträgermedium mittels der Erhitzungsvorrichtung erhitzbar ist.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Erhitzungsvorrichtung ein Elektroerhitzer ist.
-
Das Vorsehen eines Elektroerhitzers ist insbesondere in Kombination mit Kraftwerken vorteilhaft, die eine hohe Fluktuation aufweisen. Insbesondere bei Wind- oder Photovoltaikanlagen kann es wetterabhängig zu überschüssiger elektrischer Energie kommen, die mittels des Elektroerhitzers verwertet und in Wärmeenergie umgewandelt werden kann, die im Wärmespeicher speicherbar ist.
-
Es kann ferner vorgesehen sein, dass das erste Wärmeträgermedium eine Flüssigkeit ist.
-
Flüssigkeiten weisen meist eine niedrige Viskosität auf und lassen sich bei geringen Druckverlusten mittels Rohrleitungssystemen fördern. Die aufzuwendende Leistung für die Förderung von Flüssigkeiten ist geringer als bei Gasen.
-
Ferner weisen Flüssigkeiten einen deutlich besseren Wärmeübergang im Vergleich zu Gasen auf.
-
Vorzugsweise ist das erste Wärmeträgermedium durch ein Flüssigsalz gebildet, das vorzugsweise ein niedrigschmelzendes Salz aufweist.
-
Flüssigsalze als Wärmeträgermedium sind bei bestehenden Systemen, insbesondere bei Solaranlagen, weit verbreitet. Durch die Verwendbarkeit eines Flüssigsalzes als Wärmeträgermedium ist der erfindungsgemäße sensible Wärmespeicher in vorteilhafter Weise mit derartigen bestehenden Systemen, die als externe Vorrichtungen an den sensiblen Wärmspeicher angeschlossen werden können, kompatibel.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur bedarfsgerechten Speicherung und Nutzung von Wärme oder Kälte umfasst
ein Beladen eines sensiblen Wärmespeichers mit den Schritten:
- 1) Bereitstellen eines ersten Wärmeträgermediums,
- 2) Einleiten des ersten Wärmeträgermediums in den sensiblen Wärmespeicher, wobei beim Durchleiten des ersten Wärmeträgermediums durch den sensiblen Wärmespeicher eine Wärme bzw. Kälte des ersten Wärmeträgermediums in dem sensiblen Wärmespeicher eingespeichert wird,
- 3) Ausleiten des ersten Wärmeträgermediums aus dem sensiblen Wärmespeicher,
und ein Entladen des sensiblen Wärmespeichers mit den Schritten:
- 4) Bereitstellen eines zweiten Wärmeträgermediums, das vom ersten Wärmeträgermedium verschieden ist,
- 5) Einleiten des zweiten Wärmeträgermediums in den sensiblen Wärmespeicher, wobei beim Durchleiten des zweiten Wärmeträgermediums durch den sensiblen Wärmespeicher eine in dem sensiblen Wärmespeicher gespeicherte Wärme bzw. Kälte ausgespeichert wird,
- 6) Ausleiten des zweiten Wärmeträgermediums aus dem sensiblen Wärmespeicher.
-
Bei der Einspeicherung von Wärme in den sensiblen Wärmespeicher wird beim Durchleiten des ersten Wärmeträgermediums durch den sensiblen Wärmespeicher Wärme vom ersten Wärmeträgermedium auf den sensiblen Wärmespeicher übertragen, während bei der Einspeicherung von Kälte Wärme vom sensiblen Wärmespeicher auf das erste Wärmeträgermedium übertragen wird. Bei der Ausspeicherung von Wärme aus dem sensiblen Wärmespeicher wird beim Durchleiten des zweiten Wärmeträgermediums durch den sensiblen Wärmespeicher Wärme vom sensiblen Wärmespeicher auf das zweite Wärmeträgermedium übertragen, während bei der Ausspeicherung von Kälte Wärme vom zweiten Wärmeträgermedium auf den sensiblen Wärmespeicher übertragen wird.
-
Grundsätzlich können das erste Wärmeträgermedium und das zweite Wärmeträgermedium jeweils eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erste Wärmeträgermedium eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Flüssigsalz, ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das zweite Wärmeträgermedium ein Gas ist.
-
Durch das Vorsehen einer Flüssigkeit als erstes Wärmeträgermedium, wobei die Flüssigkeit beispielsweise durch ein Flüssigsalz gebildet sein kann, ist es beispielsweise möglich, den sensiblen Wärmespeicher mittels bereits existierender Kraftwerke mit einer Flüssigkeit als Arbeitsmedium zu beladen. Für die Beladung können beispielsweise eine oder mehrere ausgesuchte Kraftwerke als Beladungsstationen verwendet werden. Durch die Möglichkeit der Verwendung eines Gases als zweites Wärmeträgermedium wird die Variabilität und Kompatibilität des sensiblen Wärmespeichers, insbesondere bei der Entladung, in vorteilhafter Weise erhöht. Beispielsweise ist es bei der Entladung mittels eines gasförmigen zweiten Wärmeträgermediums möglich, je nach Art und Aufbau der externen Vorrichtung, für die die Entladung des sensiblen Wärmespeichers vorgesehen ist, ein in der externen Vorrichtung bereits vorhandenes Gas (Luft, feuchte Luft, Rauchgas etc.) zu verwenden. Die Entladung ist somit an den bestehenden Bedarf bzw. an die für die Entladung vorgesehene externe Vorrichtung anpassbar. Insbesondere ist es nicht erforderlich, eine bestimmte Flüssigkeit für die Entladung zu verwenden, die nicht direkt in der jeweiligen externen Vorrichtung verwendbar ist.
-
Es kann ferner vorgesehen sein, dass beim Beladen eines sensiblen Wärmespeichers das erste Wärmeträgermedium nach dem Ausleiten aus dem sensiblen Wärmespeicher durch eine Erhitzungsvorrichtung geleitet wird und anschließend die Schritte 1) bis 3) wiederholt werden.
-
Mit der Wiederholung der Schritte 1) bis 3) wird der sensible Wärmespeicher soweit mit thermischer Energie beladen wie gewünscht. Die Beladung wird vorzugsweise mit dem Eintritt einer bestimmten Abbruchbedingung, beispielsweise dem Erreichen einer bestimmten Temperatur im Speicherbehälter oder an einem Austritt des Speicherbehälters, beendet.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass beim Entladen eines sensiblen Wärmespeichers das zweite Wärmeträgermedium nach dem Ausleiten aus dem sensiblen Wärmespeicher durch einen Verbraucher, vorzugsweise durch ein Kraftwerk geleitet wird, und anschließend die Schritte 4) bis 6) wiederholt werden.
-
Mit der Wiederholung der Schritte 4) bis 6) erfolgt die Entladung des sensiblen Wärmespeichers soweit wie gewünscht. Die Entladung wird vorzugsweise mit dem Eintritt einer vordefinierten Abbruchbedingung, beispielsweise dem Erreichen einer bestimmten Temperatur im Speicherbehälter, beendet.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Schritte 1) bis 3) beim Beladen des sensiblen Wärmespeichers bzw. die Schritte 4) bis 6) beim Entladen des sensiblen Wärmespeichers kontinuierlich erfolgen.
-
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur bedarfsgerechten Speicherung und Nutzung von Wärmeenergie umfasst die Erhitzung eines ersten Wärmeträgermediums mittels einer Erhitzungsvorrichtung, die Einspeicherung der in dem ersten Wärmeträgermedium gespeicherten Wärmeenergie in einem erfindungsgemäßen sensiblen Wärmespeicher, wobei das erste Wärmeträgermedium durch den sensiblen Wärmespeicher durchgeleitet wird, und die Ausspeicherung der im sensiblen Wärmespeicher gespeicherten Wärmeenergie mittels eines zweiten Wärmeträgermediums, wobei das zweite Wärmeträgermedium durch den sensiblen Wärmespeicher durchgeleitet wird.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Temperatur im sensiblen Wärmespeicher, vorzugsweise kontinuierlich, gemessen wird.
-
Der Messwert der Temperatur kann grundsätzlich als Abbruchkriterium für die Beladung und/oder Entladung des sensiblen Wärmespeichers herangezogen werden. Beispielsweise kann die Beladung und/oder Entladung des Wärmespeichers beendet werden, sobald die Temperatur im sensiblen Wärmespeicher oder an einem Austritt des Speicherbehälters einen vordefinierten Wert erreicht.
-
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Temperatur des ersten Wärmeträgermediums vor und nach der Durchleitung durch den sensiblen Wärmespeicher, vorzugsweise kontinuierlich, gemessen wird.
-
Durch das Messen der Temperatur des ersten Wärmeträgermediums vor und nach der Durchleitung durch den sensiblen Wärmespeicher ist es möglich, eine Temperaturdifferenz des ersten Wärmeträgermediums vor und nach der Durchleitung durch den sensiblen Wärmespeicher zu bestimmen, die als Abbruchkriterium beim Beladen und/oder Entladen des sensiblen Wärmespeichers herangezogen werden kann. Beispielsweise kann das Beladen und/oder Entladen des sensiblen Wärmespeichers beendet werden, sobald die Temperaturdifferenz einen vordefinierten Wert erreicht bzw. unterschreitet.
-
Vorzugsweise wird das zweite Wärmeträgermedium nach der Durchleitung durch den sensiblen Wärmespeicher einem Kraftwerk zugeleitet.
-
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen sensiblen Wärmespeichers.
- 2 zeigt eine Schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen sensiblen Wärmespeichers zusammen mit externen Vorrichtungen beim Beladevorgang.
- 3 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen sensiblen Wärmespeichers zusammen mit externen Vorrichtungen beim Entladevorgang.
-
Der sensible Wärmespeicher 10 weist einen Speicherbehälter 1 auf, der eine Eintrittsöffnung 2 und eine Austrittsöffnung 3 aufweist. Die Eintrittsöffnung 2 ist in einem oberen Abschnitt 1a des Speicherbehälters 1 angeordnet, während die Austrittsöffnung 3 in einem unteren Abschnitt 1b des Speicherbehälters angeordnet ist. An der Eintrittsöffnung 2 ist eine Verteilvorrichtung 8 zum verteilten Einbringen eines ersten Wärmeträgermediums vorgesehen.
-
Der Speicherbehälter 1 weist ferner eine erste Strömungsöffnung 4 und eine zweite Strömungsöffnung 5 auf, wobei die erste Strömungsöffnung 4 in dem oberen Abschnitt 1a des Speicherbehälters 1 angeordnet ist und die zweite Strömungsöffnung 5 im unteren Abschnitt 1b des Speicherbehälters 1 angeordnet ist. Die Öffnungen 2, 3, 4, 5 des Speicherbehälters 1 weisen jeweils einen Flansch 2a, 3a, 4a, 5a auf. Mittels der Flansche 2a, 3a, 4a, 5a ist der Speicherbehälter 1 mit externen Vorrichtungen verbindbar, um einen Austausch eines Wärmeträgermediums mit den externen Vorrichtungen zu realisieren.
-
Ferner ist eine Wärmespeichereinheit 6 mit einer Speichereinrichtung 6a in dem Speicherbehälter 1 aufgenommen. Die vorzugsweise poröse Speichereinrichtung 6a der Wärmespeichereinheit 6 ist mittels eines oder mehrerer Wärmespeichermedien durchströmbar. Mittels der an der Eintrittsöffnung 2 angeordneten Verteilvorrichtung 8 ist ein verteiltes Einbringen eines ersten Wärmeträgermediums in den Speicherbehälter möglich. Das erste Wärmeträgermedium kann die Wärmespeichereinheit 6 unter der Einwirkung der Schwerkraft in Schwerkraftrichtung durchströmen und mittels der Austrittsöffnung 3 aus dem Speicherbehälter 1 ausströmen. Mittels der ersten Strömungsöffnung 4 und der zweiten Strömungsöffnung 5 ist ein zweites Wärmeträgermedium durch den Speicherbehälter 1 leitbar, wobei die Wärmespeichereinheit 6 auch mittels des zweiten Wärmeträgermediums durchströmbar ist. Das zweite Wärmeträgermedium kann die Wärmespeichereinheit 6 entgegen der Schwerkraftrichtung durchströmen.
-
Im unteren Abschnitt 1b des Speicherbehälters 1 ist ferner eine Leitvorrichtung 7 zur Vermeidung eines Austritts des ersten Wärmeträgermediums aus der zweiten Strömungsöffnung 5 vorgesehen. Die Leitvorrichtung 7 ist dabei durch ein über dem inneren Zugang der zweiten Strömungsöffnung angeordnetes haubenförmiges Blech gebildet. Ein beispielsweise flüssiges erstes Wärmeträgermedium, das mittels der Eintrittsöffnung 2 und der Verteilvorrichtung 8 in den Speicherbehälter eingebracht wird und unter der Einwirkung der Schwerkraft in Schwerkraftrichtung durch die Wärmespeichereinheit 6 rieselt, trifft im unteren Abschnitt 1b des Speicherbehälters 1 auf die Leitvorrichtung 7. Dadurch wird verhindert, dass das erste Wärmeträgermedium durch den im Speicherbehälter 1 befindlichen inneren Zugang zur zweiten Strömungsöffnung 5 gelangt. Das erste Wärmeträgermedium kann nach dem Auftreffen auf die Leitvorrichtung 7 in eine gewünschte Richtung, vorliegend in Richtung der Austrittsöffnung 3, abfließen.
-
Wird bei dem in 1 dargestellten sensiblen Wärmespeicher als erstes Wärmeträgermedium eine Flüssigkeit und als zweites Wärmeträgermedium ein Gas verwendet, kann das flüssige erste Wärmeträgermedium mittels der Eintrittsöffnung 2 und der Verteilvorrichtung 8 in den Speicherbehälter 1 eingebracht werden und mittels der Austrittsöffnung 3 den Speicherbehälter 1 verlassen, ohne an die zweite Strömungsöffnung 5 zu gelangen. Das gasförmige zweite Wärmeträgermedium kann, beispielsweise beim Entladen des sensiblen Wärmespeichers 10 wahlweise in beide Richtungen mittels der ersten und zweiten Strömungsöffnung 4, 5 durch den Speicherbehälter 1 geleitet werden.
-
2 zeigt den erfindungsgemäßen sensiblen Wärmespeicher 10 während eines Beladungsvorgangs. Der sensible Wärmespeicher 10 ist mittels Leitungen 12 zum Durchführen eines ersten Wärmeträgermediums mit einer durch einen Elektroerhitzer gebildeten Erhitzungsvorrichtung 11 verbunden. Das erste Wärmeträgermedium wird mittels einer Pumpe die Erhitzungsvorrichtung 11 und durch den sensiblen Wärmespeicher 10 geleitet. Die Pumpe ist in einem Sammelbehälter 14 angeordnet, wobei der Sammelbehälter 14 im Kreislauf des ersten Wärmeträgermediums als Puffer dient. Die elektrische Energie, die die Erhitzungsvorrichtung 11 zum Erwärmen des ersten Wärmeträgermediums benötigt, wird mittels einer Photovoltaikanlage 20, die an die Erhitzungsvorrichtung 11 angeschlossen ist, eingespeist. Die Photovoltaikanlage 20, die Erhitzungsanlage 11, der mit einer Pumpe ausgestattete Sammelbehälter 14 und die Leitungen 12 bilden zusammen eine Beladungsstation für den erfindungsgemäßen sensiblen Wärmespeicher 10.
-
In 3 ist der sensible Wärmespeicher 10 bei einem Entladungsvorgang zusammen mit einem Verbraucher 30, der durch ein Wärmekraftwerk gebildet ist, dargestellt. Beim Entladevorgang wird ein gasförmiges zweites Wärmeträgermedium, beispielsweise vorgewärmte Frischluft, mittels Leitungen 13, die an den Strömungsöffnungen 4, 5 des Speicherbehälters 1 angeschlossen sind, durch den sensiblen Wärmespeicher geleitet und in einem erhitzten Zustand dem Verbraucher 30 zugeführt. Die thermische Energie, die dabei von dem sensiblen Wärmespeicher 10 auf das zweite Wärmeträgermedium übertragen wird, kann somit in vorteilhafter Weise im Verbraucher 30 verwendet werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Speicherbehälter
- 1a
- oberer Abschnitt des Speicherbehälters
- 1b
- unterer Abschnitt des Speicherbehälters
- 2
- Eintrittsöffnung
- 2a
- Flansch
- 3
- Austrittsöffnung
- 3a
- Flansch
- 4
- erste Strömungsöffnung
- 4a
- Flansch
- 5
- zweite Strömungsöffnung
- 5a
- Flansch
- 6
- Wärmespeichereinheit
- 6a
- Speichereinrichtung
- 7
- Leitvorrichtung
- 8
- Verteilvorrichtung
- 10
- sensibler Wärmespeicher
- 11
- Erhitzungsvorrichtung
- 12
- Leitungen
- 13
- Leitungen
- 14
- Sammelbehälter
- 20
- Photovoltaikanlage
- 30
- Verbraucher
