DE102021103883A1 - Device for temporarily storing energy - Google Patents

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Paul DIERINGER
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Abstract

Eine Vorrichtung zur Zwischenspeicherung von Energie umfasst eine Speichereinrichtung (110), die eine thermische Isolation (113) und ein metallhaltiges Speichermedium (119) aufweist, welches durch Reduktion Energie speichert und durch Oxidation Energie abgibt, wobei die Speichereinrichtung (110) zumindest einen Einlass (115) und einen Auslass (117) aufweist. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Umwandlungseinrichtung (200), die ausgebildet ist, um aus unter Druck stehenden Abgasen (20) einer Oxidation, die aus dem Auslass (117) der Speichereinrichtung (110) austreten, Energie für eine Erzeugung von elektrischem Strom (60) oder Fernwärme (70) zu gewinnen. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Steuereinrichtung (300), die ausgebildet ist, um in einem Entladevorgang Umgebungsluft (10) in einer vorbestimmten Menge über den Einlass (115) in die Speichereinrichtung (110) zu leiten, um dort eine Oxidation des Speichermediums (119) auszulösen. Dabei ist die thermische Isolation (113) ausgebildet, um eine Temperatur in der Speichereinrichtung (110) über eine vorbestimmte Zeit über einer Mindesttemperatur zu halten, um ein automatisches Auslösen der Oxidation auf ein Einlassen von Umgebungsluft (10) zu bewirken.A device for temporarily storing energy comprises a storage device (110) which has thermal insulation (113) and a metal-containing storage medium (119) which stores energy by reduction and releases energy by oxidation, the storage device (110) having at least one inlet ( 115) and an outlet (117). The device further comprises a conversion device (200), which is designed to convert pressurized exhaust gases (20) from oxidation, which exit from the outlet (117) of the storage device (110), energy for generating electrical power (60). or district heating (70). The device further comprises a control device (300) which is designed to direct ambient air (10) in a predetermined quantity via the inlet (115) into the storage device (110) in a discharge process in order to oxidize the storage medium (119) there. trigger. The thermal insulation (113) is designed to keep a temperature in the storage device (110) above a minimum temperature for a predetermined time in order to cause oxidation to be triggered automatically when ambient air (10) is admitted.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Zwischenspeicherung von Energie, und insbesondere auf einen Chemical-Looping-Speicher für elektrische Energie.The present invention relates to an apparatus and a method for temporarily storing energy, and in particular to a chemical loop storage device for electrical energy.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Die langfristige Energieverfügbarkeit beeinflusst maßgeblich die wirtschaftliche und soziale Entwicklung jedes Landes, sodass die Versorgungssicherheit ein strategisches Interesse jeder Nation darstellt. Zur Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit und zur Verbesserung der Flexibilität des künftigen Elektrizitätssystems kommen großtechnische Energiespeicher in Betracht. Dazu existieren etliche Energiespeicherkonzepte, wie zum Beispiel Batterien und thermische Speicher. Diese besitzen jedoch aufgrund von relativ hohen Investitionskosten, mangelnder Umweltverträglichkeit, hohem Wartungsbedarf, hohem Temperatur- und Druckniveau beziehungsweise hoher Selbstentladung oder mangelnder Skalierbarkeit nicht das Potential, die in Zukunft erwartete starke Fluktuation im deutschen und internationalen Stromnetz (kosten-)effizient abzufedern.The long-term availability of energy has a significant influence on the economic and social development of each country, so that the security of supply is a strategic interest of every nation. Large-scale energy storage systems can be used to maintain security of supply and improve the flexibility of the future electricity system. There are a number of energy storage concepts, such as batteries and thermal storage. However, due to relatively high investment costs, poor environmental compatibility, high maintenance requirements, high temperature and pressure levels or high self-discharge or lack of scalability, these do not have the potential to (cost-)efficiently cushion the strong fluctuations expected in the German and international power grid in the future.

Energiespeichersysteme werden in chemische, elektrische, mechanische und thermische Speicher unterteilt. Trotz der jüngsten Fortschritte der Akkumulatoren (wiederaufladbare Batterien) beschränken die spezifischen Kosten solcher Speichersysteme diese immer noch auf Anwendungen im kleinen Maßstab, und es gibt derzeit keine wirtschaftlich tragfähige Speichertechnologie für die erforderliche Kapazität (TWh statt MWh), insbesondere für längere Speicherdauern. Thermische Speicher werden in sensible, latente und chemische Speicherkonzepte klassifiziert. Die chemische Speicherung erfordert endotherme Reaktionen, welche zur Rückgewinnung der gespeicherten Energie vollständig reversibel sein müssen. Bei der latenten Energiespeicherung wird die Enthalpiedifferenz verwendet, welche für die Phasenänderung der Materialien erforderlich ist. Dabei ist die Auswahl geeigneter Materialien in Abhängigkeit von der Temperatur entscheidend. Trotz der geringen Energiedichte ist die sensible Wärmespeicherung ein verbreitetes Verfahren, das bei vielen Anwendungen eingesetzt wird.Energy storage systems are divided into chemical, electrical, mechanical and thermal storage. Despite the recent advances in accumulators (rechargeable batteries), the specific costs of such storage systems still limit them to small-scale applications and there is currently no economically viable storage technology for the required capacity (TWh rather than MWh), especially for longer storage durations. Thermal storage is classified into sensible, latent and chemical storage concepts. Chemical storage requires endothermic reactions that must be fully reversible to recover the stored energy. Latent energy storage uses the enthalpy difference required for the materials to change phase. The selection of suitable materials depending on the temperature is crucial. Despite the low energy density, sensible heat storage is a common process that is used in many applications.

Ein besserer Ansatz kombiniert die ausgereifte Elektrolyse mit dem Konzept des Chemical Looping. Als ein gattungsbestimmendes Beispiel kann hierzu das etwa im Dokument CA 2,211,391 A1 offenbarte Verfahren angesehen werden. Das Verfahren sieht vor, zur Speicherung von Energie eines elektrischen Stroms Wasser mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten, um den Wasserstoff durch einen Festbettreaktor zu führen und dort Eisenoxid bzw. Eisenerz zu reduzieren; der dabei entstehende Wasserdampf kann erneut der Elektrolyse zugeführt werden. Zur Rückgewinnung der Energie läuft die Anlage „rückwärts“, d.h. Wasserdampf wird den beladenen Festbettreaktor geführt. Ein Nachteil dieser Anlagen besteht darin, dass der Wasserdampf bei hohen Temperaturen (bis zu 800 °C) dem Festbettreaktor zugeführt werden muss, wobei hierzu Brennstoffzelle genutzt wird, die auch im Hochtemperaturbereich arbeitet.A better approach combines sophisticated electrolysis with the concept of chemical looping. As a generic example, this can be found in the document CA 2,211,391 A1 disclosed methods can be viewed. In order to store the energy of an electric current, the process provides for splitting water into hydrogen and oxygen by means of electrolysis in order to guide the hydrogen through a fixed-bed reactor and reduce iron oxide or iron ore there; the resulting water vapor can be fed back to the electrolysis. To recover the energy, the plant runs "backward", ie water vapor is fed through the loaded fixed-bed reactor. A disadvantage of these plants is that the water vapor has to be fed to the fixed-bed reactor at high temperatures (up to 800 °C), for which fuel cells are used, which also work in the high-temperature range.

Daher besteht ein Bedarf nach alternativen Anlagen und insbesondere nach Vorrichtungen, die eine effiziente, skalierbare, robuste und kosteneffiziente Zwischenspeicherung von Energie über längere Zeiträume ermöglichen.Therefore, there is a need for alternative systems and in particular for devices that enable efficient, scalable, robust and cost-effective temporary storage of energy over longer periods of time.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Ein Beitrag zu diesem Ziel wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 8 geleistet. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche.A contribution to this aim is made by an apparatus according to claim 1 and a method according to claim 8. The dependent claims relate to advantageous developments of the subject matter of the independent claims.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Zwischenspeicherung von Energie. Die Vorrichtung umfasst eine Speichereinrichtung, die eine thermische Isolation und ein metallhaltiges Speichermedium aufweist, welches durch Reduktion Energie speichert und durch Oxidation Energie abgibt. Die Speichereinrichtung weist zumindest einen Einlass und einen Auslass auf. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Umwandlungseinrichtung, die ausgebildet ist, um aus unter Druck stehenden Abgasen einer Oxidation, die aus dem Auslass der Speichereinrichtung austreten, Energie für eine Erzeugung von elektrischem Strom und/oder Fernwärme zu gewinnen. Die Vorrichtung umfasst zudem eine Steuereinrichtung, die ausgebildet ist, um in einem Entladevorgang Umgebungsluft in einer vorbestimmten Menge über den Einlass in die Speichereinrichtung zu leiten, um dort eine Oxidation des Speichermediums auszulösen. Dabei ist die thermische Isolation des Speichermediums ausgebildet, um eine Temperatur in der Speichereinrichtung über eine vorbestimmte Zeit (z.B. über mehrere Stunden oder Tage) über einer Mindesttemperatur zu halten, um so ein automatisches Auslösen der Oxidation auf ein Einlassen von Umgebungsluft zu bewirken.The present invention relates to a device for temporarily storing energy. The device comprises a storage device which has thermal insulation and a metal-containing storage medium which stores energy through reduction and releases energy through oxidation. The storage device has at least one inlet and one outlet. The device further comprises a conversion device which is designed to obtain energy for generating electricity and/or district heating from pressurized exhaust gases from an oxidation which emerge from the outlet of the storage device. The device also includes a control device, which is designed to direct ambient air in a predetermined quantity via the inlet into the storage device in a discharging process, in order to trigger oxidation of the storage medium there. The thermal insulation of the storage medium is designed to keep a temperature in the storage device above a minimum temperature for a predetermined time (e.g. over several hours or days) in order to trigger oxidation automatically when ambient air is admitted.

Die Speichereinrichtung kann mehrere Behälter aufweisen, die jeweils einen Teil das Speichermediums umfassen und jeweils über einen eigenen bzw. individuell ansteuerbaren Einlass und Auslass verfügen. Dies kann durch eine geeignetes Zuleitungs- bzw. Ableitungseinrichtung für die Umgebungsluft erreicht werden. Dabei kann die Zuleitungseinrichtung ausgebildet sein, um die Umgebungsluft vor dem Einlass zu komprimieren. In Ausführungsbeispielen wird dies durch die Steuereinrichtung automatisch gesteuert. Die Umgebungsluft kann insbesondere Luft aus einer Umgebung der Vorrichtung sein.The storage device can have a number of containers, each of which comprises part of the storage medium and each has its own or individually controllable inlet and outlet. This can be done by a suitable supply or discharge device for the environment exercise air can be achieved. In this case, the feed device can be designed to compress the ambient air in front of the inlet. In exemplary embodiments, this is automatically controlled by the control device. The ambient air can in particular be air from the surroundings of the device.

Als Speichermedium kommt insbesondere ein Metall bzw. ein Metalloxid in Betracht, das in einer oxidierten und in einer reduzierten Form vorliegen kann, etwa Fe/FeO, Fe2O3/Fe3O4, FeTiO3/Fe2TiO5. Neben dem Entladevorgang ist die Vorrichtung vorteilhafterweise zur Durchführung eines automatischen Beladevorgangs ausgebildet, nach dessen Ablauf das Speichermedium in einer reduzierten Form vorliegt.A metal or a metal oxide, which can be present in an oxidized and in a reduced form, such as Fe/FeO, Fe 2 O 3 /Fe 3 O 4 , FeTiO 3 /Fe 2 TiO 5 , is particularly suitable as the storage medium. In addition to the unloading process, the device is advantageously designed to carry out an automatic loading process, after which the storage medium is present in a reduced form.

Vorteilhafterweise ist die thermische Isolation ausgebildet, um das Speichermedium über längere Zeit auf einer hohen Temperatur, beispielsweise 500 °C, oder ggf. auch in einem Bereich oberhalb einer solchen Temperatur zu halten. Aufgrund der sehr hohen Wärmekapazität von Metalloxiden und der thermischen Isolation treten auch in Leerlaufphasen, in denen weder eine Entladung och eine Beladung der Speichereinrichtung stattfinden, keine signifikanten Energieverluste in der Speichereinrichtung auf.Advantageously, the thermal insulation is designed to keep the storage medium at a high temperature, for example 500° C., or optionally also in a range above such a temperature, over a longer period of time. Due to the very high heat capacity of metal oxides and the thermal insulation, there are no significant energy losses in the storage device even in idle phases in which neither a discharge nor a charging of the storage device takes place.

Die thermische Isolation kann dabei beispielsweise eine Hochtemperatur-Isolationsschicht in Form einer Ausmauerung mit Isolationsstein aufweisen, sodass die dissipativen Wärmeverluste aus dem Speicher sehr gering sind. Vorteilhafterweise ermöglicht die thermische Isolation ein Aufrechterhalten der Temperatur in der Speichereinrichtung bzw. in den Speicherbehältern über längere Zeit (mehrere Stunden bis Tage). Bei sehr langen Stillstandszeiten (mehrere Tage bis Wochen) zwischen einem Be- und einem Entladevorgang kann es dennoch dazu kommen, dass die Temperatur im Behälter unter die notwendige Mindesttemperatur der Reduktion (ca. 700 °C) oder der Oxidation (ca. 500 °C) fällt. Sollten derartige Be- und Entladevorgänge gewünscht sein, ist darauf zu achten, dass zu jeder Zeit ein geringer Teil des Festbettes reduziert bliebt, sodass das Bett mit Hilfe der Rückoxidation dieses Materials „auf Temperatur gebracht“ werden kann. Für die erstmalige Initiierung dieser Reaktion kann eine Luftvorwärmung auf ca. 500 °C oder eine direkte Beheizung im Bett (analog einer Zündung) vorgesehen werden.The thermal insulation can have, for example, a high-temperature insulation layer in the form of lining with insulation stone, so that the dissipative heat losses from the storage tank are very low. Advantageously, the thermal insulation enables the temperature in the storage device or in the storage containers to be maintained over a longer period of time (several hours to days). In the case of very long downtimes (several days to weeks) between loading and unloading, it can still happen that the temperature in the container falls below the required minimum temperature for reduction (approx. 700 °C) or oxidation (approx. 500 °C ) falls. If such loading and unloading processes are desired, it must be ensured that a small part of the fixed bed remains reduced at all times so that the bed can be "brought up to temperature" with the help of the re-oxidation of this material. For the initial initiation of this reaction, air preheating to approx. 500 °C or direct heating in the bed (similar to ignition) can be provided.

Die Verwendung von Umgebungsluft bietet gegenüber der Verwendung von weniger reaktiven Oxidationsmedien (z.B. H2O, CO2), wie sie im Stand der Technik auftreten, die folgenden Vorteile, die insbesondere darauf zurückzuführen sind, dass die Rückoxidation mit Luft ein spontan ablaufender, stark exothermer Prozess ist:

  • - Das Metalloxid bzw. das Speichermedium kann vollständig aufoxidiert werden (was mit Wasserdampf bzw. Co2 in der Regel nicht möglich ist), was die Speicherkapazität des Speichers bei einer gegebenen Menge an Metalloxid erhöht.
  • - Die Oxidation läuft schon bei relativ geringen Temperaturen (z.B. für das Metalloxid Ilmenit ab 500 °C) spontan ab. Diese Temperatur ist dabei relativ gering im Vergleich zu Temperaturen, die typischerweise bei inerteren Oxidationsmedien wie Wasserdampf oder Kohlendioxid erreicht werden müssen, d.h. die kinetische Barriere für die Reaktion ist für Umgebungsluft relativ gering, und es bedarf keiner zusätzlichen Zündung, sofern eine ausreichend hohe Temperatur vorliegt.
  • - Die Oxidation mit Umgebungsluft ist ein stark exothermer Prozess, d.h. es entsteht Wärme, und die Reaktion hält sich von selbst am Laufen. In Abgrenzung dazu ist die Rückoxidation mit Dampf bzw. CO2, wie sie im Stand der Technik zu finden ist, je nach Natur des Metalloxids ein lediglich leicht exo- oder endothermer Prozess. Dies bedeutet, dass der Speicher beim Entladen oft zusätzlich extern beheizt werden muss, was einen Energiebedarf im Entladezustand darstellt und somit das Speicherkonzept weniger attraktiv macht.
  • - Bei der Oxidation mit Umgebungsluft ist für die Energiebereitstellung die erzeugte Wärme der Treiber, die anschließend über etablierte Technologien wie z.B. eine Turbine oder einen Abhitzedampferzeuger in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Als Nebenprodukt fällt Abwärme an, die auch genutzt werden kann („Power-to-Heat“). Im Gegensatz dazu wird bei der Oxidation mit Dampf oder CO2 Wasserstoff H2 bzw. Kohlenmonoxid CO erzeugt, welches anschließend in Strom umgewandelt wird (für H2 z.B. mittels einer Brennstoffzelle). Bei dieser Verstromung sind auf Grund der Explosivität (für Kohlenmonoxid: Toxizität) erhöhte Sicherheitsvorkehrungen notwendig, und es muss auf weniger ausgereifte Technologien zurückgegriffen werden. Bei der Verwendung von Umgebungsluft enthalten die Abgase überwiegend Stickstoffgas N2, das chemisch inert und daher wenig korrosiv und leicht zu handhaben ist.
The use of ambient air offers the following advantages over the use of less reactive oxidation media (eg H 2 O, CO 2 ), as they occur in the prior art, which can be attributed in particular to the fact that the re-oxidation with air is a spontaneously occurring, strong exothermic process is:
  • - The metal oxide or the storage medium can be completely oxidized (which is usually not possible with water vapor or CO 2 ), which increases the storage capacity of the storage device for a given amount of metal oxide.
  • - The oxidation already occurs spontaneously at relatively low temperatures (e.g. for the metal oxide ilmenite from 500 °C). This temperature is relatively low compared to temperatures that typically have to be reached with more inert oxidation media such as steam or carbon dioxide, ie the kinetic barrier for the reaction is relatively low for ambient air and no additional ignition is required if the temperature is sufficiently high .
  • - Oxidation with ambient air is a highly exothermic process, ie heat is generated and the reaction keeps running by itself. In contrast to this, the re-oxidation with steam or CO 2 , as can be found in the prior art, is only a slightly exothermic or endothermic process, depending on the nature of the metal oxide. This means that the storage often has to be heated externally when discharging, which represents an energy requirement in the discharge state and thus makes the storage concept less attractive.
  • - When oxidizing with ambient air, the generated heat is the driver for the provision of energy, which can then be converted into electrical energy using established technologies such as a turbine or a heat recovery steam generator. Waste heat is produced as a by-product and can also be used (“power-to-heat”). In contrast, oxidation with steam or CO 2 produces hydrogen H2 or carbon monoxide CO, which is then converted into electricity (for H2, for example, using a fuel cell). Due to the explosiveness (for carbon monoxide: toxicity) this type of electricity generation requires increased safety precautions and less mature technologies have to be used. When using ambient air, the exhaust gases contain predominantly nitrogen gas N 2 which is chemically inert and therefore not very corrosive and easy to handle.

Optional umfasst die Umwandlungseinrichtung:

  • - einen Entspanner, der ausgebildet ist, um die Abgase zu entspannen und so zumindest einen Teil der Energie zu gewinnen, und/oder
  • - einen Wärmetauscher, der ausgebildet ist, um eine Wärmeenergie der Abgase zum Erzeugen von Dampf zu nutzen (kann z.B. für die Fernwärme genutzt werden), und/oder
  • - eine Dampfturbine, die ausgebildet ist, um elektrische Energie aus dem erzeugten Dampf zu gewinnen (z.B. wenn der Dampf nicht für die Fernwärme genutzt wird).
Optionally, the conversion facility includes:
  • - an expander designed to expand the exhaust gases and thus recover at least part of the energy, and/or
  • - A heat exchanger which is designed to use thermal energy from the exhaust gases to generate steam (can be used for district heating, for example), and/or
  • - A steam turbine, which is designed to generate electrical energy from the generated steam (e.g. if the steam is not used for district heating).

Die Umwandlungseinrichtung kann sehr verschieden ausgeführt werden. Insbesondere kann jedes einzelne der vorangehend aufgezählten Elemente unabhängig von den beiden anderen vorhanden bzw. nicht vorhanden sein. Die im Folgenden näher beschriebenen Ausführungsbeispiele umfassen zumeist eine Erzeugung von Wärme und Strom über eine Entspannung oder über einen klassischen Rankine-Zyklus. Allerdings können in anderen Ausführungsbeispielen auch Komponenten vorgesehen sein, die nach anderen Prinzipien arbeiten - so etwa nach einem organischen Rankine-Zyklus, oder nach einem überkritischen CO2-Zyklus. Die vorliegende Offenbarung soll hinsichtlich der Umwandlung von Energie aus den Abgasen in Wärme und Strom nicht eingeschränkt ausgelegt werden.The conversion device can be implemented in very different ways. In particular, each of the elements listed above can be present or not present independently of the other two. The exemplary embodiments described in more detail below mostly include generation of heat and electricity via relaxation or via a classic Rankine cycle. However, in other exemplary embodiments, components can also be provided which work according to other principles—for example, according to an organic Rankine cycle, or according to a supercritical CO2 cycle. The present disclosure should not be construed as limited with respect to converting energy from the exhaust gases to heat and electricity.

Optional umfasst die Vorrichtung eine Elektrolyseeinrichtung. Diese ist ausgebildet, um elektrischen Strom und Wasser zu empfangen und mit dem elektrischen Strom das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, um in einem Ladevorgang der Speichereinrichtung den Wasserstoff zuzuführen und Wasserdampf abzuleiten, so dass eine Reduktion des Speichermediums erfolgt. Weiter kann die Vorrichtung einen weiteren Wärmetauscher umfassen, der ausgebildet ist, um Wärme von dem durch die Reduktion erzeugten Wasserdampf auf den durch die Elektrolyse erzeugten Wasserstoff zu übertragen und den Wasserstoff dann der Speichereinrichtung für die Reduktion bereitzustellen.Optionally, the device includes an electrolysis device. This is designed to receive electricity and water and to use the electricity to split the water into hydrogen and oxygen. The control device is designed to supply the hydrogen to the storage device in a charging process and to discharge water vapor, so that the storage medium is reduced. Furthermore, the device can comprise a further heat exchanger which is designed to transfer heat from the water vapor generated by the reduction to the hydrogen generated by the electrolysis and then to make the hydrogen available to the storage device for the reduction.

Gemäß einigen Ausführungsformen kann der im Zuge des Beladevorgangs erzeugte Sauerstoff auch ganz oder zumindest teilweise verwendet werden, um das Metalloxid während der Entladung aufzuoxidieren. Allerdings stellt der gewonnene Sauerstoff einen Wertstoff dar, der gewinnbringend vermarktet werden kann, wohingegen Umgebungsluft in der Regel unbegrenzt ohne Zusatzkosten zur Verfügung steht. Somit kann der Verkauf des Sauerstoffs gegenüber der direkten Verwendung ökonomische Vorteile bieten. Zu beachten ist, dass eine Speicherung des gasförmigen Sauerstoffs zwischen der Be- und Entladephase mit zusätzlichen Kosten verbunden sein kann. Zusätzliche Kosten entstehen in der Regel auch bei einer Beschaffung von Sauerstoff aus anderen Quellen. Außerdem steigt bei der Oxidation bzw. Rückoxidation mit Sauerstoff (anstatt allein mit Umgebungsluft) die Gefahr von sehr starken Temperaturspitzen im Reaktor, da keine inerte Kühlung durch Stickstoff als Hauptbestandteil der Umgebungsluft vorliegt. Insgesamt ist die Verwendung von Umgebungsluft, wie sie erfindungsgemäß vorgesehen ist, einer Verwendung von Sauerstoff vorzuziehen.According to some embodiments, the oxygen generated in the course of the charging process can also be used entirely or at least partially to oxidize the metal oxide during the discharge. However, the oxygen obtained represents a resource that can be profitably marketed, whereas ambient air is usually available in unlimited quantities without additional costs. Thus, selling the oxygen can offer economic advantages over using it directly. It should be noted that storing the gaseous oxygen between the loading and unloading phase can entail additional costs. Additional costs usually arise when oxygen is procured from other sources. In addition, oxidation or re-oxidation with oxygen (instead of with ambient air alone) increases the risk of very strong temperature peaks in the reactor, since there is no inert cooling using nitrogen as the main component of the ambient air. Overall, the use of ambient air, as provided according to the invention, is preferable to the use of oxygen.

Optional umfasst die Vorrichtung einen Kondensator, der ausgebildet ist, um den durch die Reduktion erzeugten Wasserdampf in einen flüssigen Zustand zu kondensieren. Unabhängig davon kann die Vorrichtung auch einen Wasserstoff-Bypass umfassen, der ausgebildet ist, um eine Restmenge an Wasserstoff, die mit dem Wasserdampf im Entladeverfahren aus der Speichereinrichtung austritt, abzufangen und dem wieder in die Speichereinrichtung zu leitenden Wasserstoff zuzuführen. Die Vorrichtung kann auch einen Verdichter umfassen, der ausgebildet ist, um den Wasserstoff zu verdichten und so zu bewegen. Das Vorhandensein eines der aufgezählten Elemente - Kondensator, Wasserstoff-Bypass und Verdichter - ist dabei grundsätzlich unabhängig von einem Vorhandensein der jeweils anderen Elemente.Optionally, the device includes a condenser that is designed to condense the water vapor generated by the reduction into a liquid state. Irrespective of this, the device can also include a hydrogen bypass, which is designed to intercept a residual quantity of hydrogen that escapes from the storage device with the water vapor in the discharging process and to feed the hydrogen to be conducted back into the storage device. The device may also include a compressor configured to compress and thus move the hydrogen. The presence of one of the elements listed - condenser, hydrogen bypass and compressor - is fundamentally independent of the presence of the other elements.

Ausführungsbeispiele sehen verschiedene Möglichkeiten vor, den Wasserstoff der Speichereinrichtung zu- und von dieser abzuführen. So kann eine eigene, von der Zuführeinrichtung der Umgebungsluft getrennte Zuführeinrichtung für den Wasserstoff vorgesehen sein. Analog kann eine eigene, von der Abführeinrichtung der Abgase getrennte Abführeinrichtung für den Wasserdampf vorgesehen sein. Es können getrennte Einlässe und Auslässe für Wasserstoff und Umgebungsluft bzw. für Wasserdampf und Abgase in der Speichereinrichtung eingerichtet werden. Es können aber auch gleiche Einlässe und Auslässe sowohl für die Beladung als auch für de Entladung der Speichereinrichtung vorgesehen sein. In entsprechenden Zu- und Abführeinrichtungen können beispielsweise Dreiwegeventile eingesetzt werden, um Wasserstoff und Umgebungsluft aus ihren jeweiligen Quellen bzw. Wasserdampf und Abgase an ihre jeweiligen Zielkomponenten zu leiten.Exemplary embodiments provide various options for supplying the hydrogen to and removing it from the storage device. A separate supply device for the hydrogen, separate from the supply device for the ambient air, can thus be provided. Similarly, a separate removal device for the water vapor can be provided, separate from the removal device for the exhaust gases. Separate inlets and outlets for hydrogen and ambient air or for water vapor and exhaust gases can be set up in the storage facility. However, the same inlets and outlets can also be provided both for charging and for discharging the storage device. Three-way valves, for example, can be used in corresponding supply and discharge devices in order to direct hydrogen and ambient air from their respective sources or water vapor and exhaust gases to their respective target components.

Optional umfasst die Speichereinrichtung einen Wirbelschichtspeicher. In einem Wirbelschichtspeicher liegt das Speichermedium in einer Vielzahl von Partikeln vor, und die Vorrichtung ist ausgebildet, um den Wasserstoff oder die Umgebungsluft durch das Speichermedium zu leiten und dabei zumindest einen Teil der Partikel in eine Schwebelage zu versetzen. Die Speichereinrichtung kann auch einen Festbettspeicher umfassen. In einem Festbettspeicher liegt das Speichermedium in Form einer Festbettschüttung vor, und die Vorrichtung ist ausgebildet, um den Wasserstoff oder die Umgebungsluft durch die fixierte Festbettschüttung zu leiten. Die Vorrichtung kann mehrere Speicher aufweisen.Optionally, the storage device includes a fluidized bed storage. In a fluidized bed accumulator, the storage medium is present in a large number of particles, and the device is designed to conduct the hydrogen or the ambient air through the storage medium and in doing so place at least some of the particles in a suspended position. The memory device may also include fixed bed memory. In a fixed bed store, the storage medium is in the form of a fixed bed, and the device is designed to conduct the hydrogen or the ambient air through the fixed fixed bed. The device may have multiple memories.

Ein Speicher kann beispielsweise entweder mit feinem Metalloxid-Pulver oder mit einer Metalloxid-Schüttung (größere Partikel) befüllt werden. Im ersten Fall wird das System als Wirbelschicht betrieben, d.h. die Partikel werden durch den Fluidstrom in der Schwebe gehalten, während im zweiten Fall im Betrieb ein Festbett vorliegt (d.h. keine Partikelbewegung). Sowohl die Festbett- als auch die Wirbelschichtspeicher weisen Vor- und Nachteile auf, weshalb die letztendliche Ausführungsvariante durch den Anwender frei gewählt werden kann.For example, a reservoir can be filled either with fine metal oxide powder or with a metal oxide bed (larger particles). In the first case the system is operated as a fluidized bed, ie the particles are kept suspended by the fluid flow, while in the second case a fixed bed is present during operation (ie no particle movement). Both the fixed bed and the fluidized bed storage have advantages and disadvantages, which is why the final design variant can be freely selected by the user.

Optional liegt das Speichermedium in Form von Partikeln vor, und die Vorrichtung weist weiter eine Auffangeinrichtung auf, die ausgebildet ist, um durch den Wasserstoff oder die Luft aus dem Behälter austretende Partikel aufzufangen und wieder in den Speicher zurückzuführen.Optionally, the storage medium is in the form of particles, and the device also has a collecting device, which is designed to collect particles escaping from the container through the hydrogen or the air and to return them to the store.

Eine solche Auffangeinrichtung kann beispielsweise einen Zyklonabscheider umfassen. Ein solcher ist insbesondere für einen Betrieb eines Wirbelschichtspeichers vorteilhaft.Such a collecting device can, for example, comprise a cyclone separator. Such is particularly advantageous for operation of a fluidized bed storage.

Optional weist die Vorrichtung weiter einen Verdichter bzw. einen Kompressor auf, der ausgebildet ist, um die Luft aus der Umgebung der Vorrichtung zu verdichten und so zu bewegen. Unabhängig davon kann die Vorrichtung auch einen Umgebungsluft-Bypass aufweisen, der ausgebildet ist, um eine Menge von Umgebungsluft zu den Abgasen zu leiten, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um die Menge von Umgebungsluft einzustellen und so eine Temperatur der Abgase zu regulieren. Insbesondere kann die Menge über ein entsprechendes Bypass-Ventil geregelt werden.Optionally, the device also has a compressor or a compressor that is designed to compress and thus move the air from the area surrounding the device. Irrespective of this, the device can also have an ambient air bypass which is designed to direct an amount of ambient air to the exhaust gases, the control device being designed to adjust the amount of ambient air and thus regulate a temperature of the exhaust gases. In particular, the amount can be regulated via a corresponding bypass valve.

Für das Betreiben der Speicher, namentlich der Festbettspeicher und der Wirbelschichtspeicher, kann vorteilhafterweise ein Verdichter bzw. Kompressor eingesetzt werden, um die Umgebungsluft vor dem Eintritt in den Speicher zu verdichten und so den Druckverlust über die Festbettschüttung zu egalisieren. Da die Elektrolyseeinrichtung bzw. der Elektrolyseur in der Regel bei höheren Drücken (z.B. ca. 30 bar) betrieben wird, ist für den Beladevorgang nicht zwangsläufig ein Kompressor notwendig; ein solcher kann aber auch dort vorgesehen sein.A compressor can advantageously be used to operate the storage, namely the fixed-bed storage and the fluidized-bed storage, in order to compress the ambient air before it enters the storage and thus equalize the pressure loss over the fixed bed. Since the electrolysis device or the electrolyser is usually operated at higher pressures (e.g. approx. 30 bar), a compressor is not absolutely necessary for the loading process; but such can also be provided there.

Die Temperaturregelung der Abgase über das Bypass-Ventil stellt einen weiteren Vorteil der Verwendung von Umgebungsluft dar, der einen Betrieb der Vorrichtung deutlich vereinfacht. Der Speicher kann ohne Zusatzkosten mit Überschussluft betrieben werden, um eine gewünschte Temperatur beispielsweise an einem Kesseleintritt eines Abhitzedampfkessels zur Übertragung der Energie auf Wasser für eine Dampfturbine zu erzielen. Der Umgebungsluft-Bypass bzw. das entsprechende Bypass-Ventil erweisen sich in Ausführungsbeispielen als sehr vorteilhaft. Insbesondere ermöglichen es diese Merkmale, die Temperatur vor der Umwandlungseinrichtung konstant zu halten; sie stellen somit eine integrale vorteilhafte Eigenschaft des Entladevorgangs bereit. Auch zur Regulierung der Menge an Umgebungsluft, die durch die Speichereinrichtung geleitet wird, erweist sich der Umgebungsluft-Bypass bzw. das entsprechende Bypass-Ventil als vorteilhaft. Wird auf den Bypass verzichtet, kann die Kühlung der Abgase vor der Umwandlungseinrichtung auch durch eine eigenständige Luftzufuhr oder durch einen thermischen Kontakt mit anderen geeigneten Kühlmedien erfolgen.The temperature control of the exhaust gases via the bypass valve represents a further advantage of using ambient air, which significantly simplifies operation of the device. The store can be operated with excess air without additional costs in order to achieve a desired temperature, for example at a boiler inlet of a heat recovery steam boiler for transferring the energy to water for a steam turbine. The ambient air bypass or the corresponding bypass valve have proven to be very advantageous in exemplary embodiments. In particular, these characteristics make it possible to keep the temperature in front of the conversion device constant; they thus provide an integral beneficial feature of the discharge process. The ambient air bypass or the corresponding bypass valve also proves to be advantageous for regulating the amount of ambient air that is routed through the storage device. If the bypass is omitted, the exhaust gases can also be cooled before the conversion device by an independent air supply or by thermal contact with other suitable cooling media.

Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Verfahren zur Zwischenspeicherung von Energie in einem metallhaltigen Speichermedium, welches durch Reduktion Energie speichert und durch Oxidation Energie abgibt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

  • Vorhalten, durch eine thermische Isolation, des Speichermediums über einer bestimmten Mindesttemperatur;
  • Leiten von Umgebungsluft in einer vorbestimmten Menge zu dem Speichermedium, um so eine Oxidation des Speichermediums auszulösen;
  • Gewinnen, aus Abgasen der Oxidation, von Energie für eine Erzeugung von elektrischem Strom oder Fernwärme.
  • Ausführungsformen des vorgestellten Verfahrens beziehen sich auch auf ein Computerprogrammprodukt mit darauf gespeichertem Softwarecode, welches bei Ausführung des Softwarecodes durch eine datenverarbeitende Maschine dazu vorgesehen ist, dass ein Verfahren der vorangehend dargestellten Art durchgeführt wird.
Exemplary embodiments also relate to a method for temporarily storing energy in a metal-containing storage medium, which stores energy by reduction and releases energy by oxidation. The procedure includes the following steps:
  • Keeping the storage medium above a certain minimum temperature by means of thermal insulation;
  • directing ambient air in a predetermined amount to the storage medium so as to induce oxidation of the storage medium;
  • Obtaining, from oxidation exhaust gases, energy for generating electricity or district heating.
  • Embodiments of the method presented also relate to a computer program product with software code stored thereon, which is provided when the software code is executed by a data processing machine so that a method of the type presented above is carried out.

Zusammenfassend kombinieren die vorgeschlagene Vorrichtung und das Verfahren die ausgereifte Technologie der Elektrolyse mit dem Konzept des Chemical Looping. Bei letzterem wird ein Speichermedium, das in einem reduzierten und einem oxidierten Zustand vorliegen kann (wie insbesondere ein Metall oder Metalloxid, so etwa Fe/FeO, Fe2O3/Fe3O4 oder FeTiO3/Fe2TiO5), periodisch mit Hilfe eines Reduktionsmittels (hier: Wasserstoff H2) reduziert, um später wieder oxidiert zu werden. Somit stellt ein Redox-Zyklus einen Be- und Entladevorgang dar, bei dem elektrische Energie chemisch im Speichermedium zwischengespeichert wird.In summary, the proposed device and the method combine the mature technology of electrolysis with the concept of chemical looping. In the latter case, a storage medium that can exist in a reduced and an oxidized state (such as in particular a metal or metal oxide, such as Fe/FeO, Fe 2 O 3 /Fe 3 O 4 or FeTiO 3/ Fe 2 TiO 5 ) becomes periodic reduced with the help of a reducing agent (here: hydrogen H2) in order to be oxidized again later. A redox cycle thus represents a charging and discharging process in which electrical energy is temporarily stored chemically in the storage medium.

Hierfür wird zunächst, etwa im Falle eines Stromüberangebots (Angebotsspitzen), Strom über Elektrolyse in H2 umgewandelt. Dieser Wasserstoff wird dann verwendet um das Speichermedium, etwa ein Metalloxid der chemischen Form MexOy, zu reduzieren: M e x O y + H 2 → H 2 → M e x O y − 1 + H 2 O .

Figure DE102021103883A1_0001
For this purpose, electricity is first converted into H2 via electrolysis, for example in the event of an electricity oversupply (supply peaks). This hydrogen is then used to reduce the storage medium, such as a metal oxide with the chemical form Me x O y : M e x O y + H 2 → H 2 → M e x O y − 1 + H 2 O .
Figure DE102021103883A1_0001

Der bei der Elektrolyse als Nebenprodukt anfallende Sauerstoff kann als hochwertiges Nebenprodukt vermarktet werden.The oxygen produced as a by-product during electrolysis can be marketed as a valuable by-product.

Das reduzierte Metalloxid MexOy-1 kann, etwa im Falle von Strombedarf (Leistungsspitzen), zu einem späteren Zeitpunkt mit Hilfe von Umgebungsluft in einer stark exothermen Reaktion mit Sauerstoff wieder aufoxidiert werden: M e x O y − 1 + 0.5 O 2 → M e x O y .

Figure DE102021103883A1_0002
The reduced metal oxide Me x O y-1 can be oxidized again at a later point in time with the help of ambient air in a strongly exothermic reaction with oxygen, for example in the event of power demand (power peaks): M e x O y − 1 + 0.5 O 2 → M e x O y .
Figure DE102021103883A1_0002

Zwar wird in dieser Gleichung Sauerstoff 02 als Reaktant dargestellt, jedoch hat sich gezeigt, dass gerade eine Verwendung von Umgebungsluft gegenüber beispielsweise reinem Sauerstoff 02 oder auch anstelle eines trägeren Oxidanten wie etwa Wasser oder Kohlendioxid von Vorteil ist. Insbesondere kann die Oxidation (bzw. Rückoxidation) im Vergleich zu den trägeren Oxidanten bei niedrigerer Temperatur stattfinden, so dass das Speichermedium durch eine gute Isolation des Speichers auf einer Temperatur gehalten werden kann, bei der die Reaktion spontan abläuft. Weiter entstehen bei einer Verwendung von Umgebungsluft bei der Oxidation Abgase, die insbesondere einen hohen Anteil an Stickstoff aufweisen, der chemisch inert und daher wenig korrosiv und leicht zu handhaben ist. Zudem ist Umgebungsluft in der Regel zu deutlich günstigeren Konditionen verfügbar als beispielsweise Sauerstoffgas.Although oxygen 02 is shown as a reactant in this equation, it has been shown that the use of ambient air is advantageous compared to, for example, pure oxygen 02 or instead of a more sluggish oxidant such as water or carbon dioxide. In particular, the oxidation (or re-oxidation) can take place at a lower temperature compared to the more sluggish oxidants, so that the storage medium can be kept at a temperature by good insulation of the storage at which the reaction proceeds spontaneously. Furthermore, if ambient air is used during the oxidation, exhaust gases are produced which, in particular, have a high proportion of nitrogen, which is chemically inert and therefore not very corrosive and easy to handle. In addition, ambient air is generally available at significantly more favorable conditions than, for example, oxygen gas.

Die starke Exothermie der Reaktion führt zu Temperaturen von bis zu 1050 °C im Wärmespeicher, sodass die Abgase den Speicher als ein heißer Gasstrom verlassen, der insbesondere unter Verwendung bekannter Verfahren zur Stromerzeugung genutzt werden kann.The strong exothermicity of the reaction leads to temperatures of up to 1050 °C in the heat accumulator, so that the exhaust gases leave the accumulator as a hot gas stream that can be used to generate electricity, in particular using known methods.

Somit ermöglicht die vorgestellte Speichertechnologie eine effiziente und kostengünstige Methode, Strom über längere Zeiten mit vergleichbar geringen Wirkungsgradverlusten zwischenzuspeichern.The storage technology presented thus enables an efficient and cost-effective method of temporarily storing electricity over longer periods with comparably low efficiency losses.

Weitere Vorteile der vorgestellten Vorrichtung sowie des Verfahrens lassen sich wie folgt zusammenfassen. Die Vorrichtung basiert insbesondere auf dem Gedanken, das Prinzip des Chemical Loopings, das bisher in der Praxis insbesondere zur direkten Energiebereitstellung (Chemical Looping Combustion) bzw. zur Umwandlung von Brennstoffen (Chemical Looping Reforming/Gasification) angewandt wurde, auf die Problematik der Strom- und Energiespeicherung zu übertragen. Hierfür genügt ein weitaus einfacherer Reaktoraufbau (ein Festbettreaktor/Wirbelschichtreaktor anstatt von zwei gekoppelten Wirbelschichten), wobei wichtige Erkenntnisse (z.B. Reaktionskinetiken, Materialeigenschaften) aus den bereits erforschten Schwestertechnologien abgeleitet werden können. Durch die Kombination der neuartigen Chemical-Looping-Speicherung mit dem etablierten Konzept der Elektrolyse werden Synergien geschaffen, welche eine effiziente Stromspeicherung ermöglichen.Further advantages of the device presented and of the method can be summarized as follows. The device is based in particular on the idea of applying the principle of chemical looping, which has hitherto been used in practice in particular for the direct provision of energy (chemical looping combustion) or for the conversion of fuels (chemical looping reforming/gasification), to the problem of electricity and transfer energy storage. A much simpler reactor design is sufficient for this (a fixed-bed reactor/fluidized-bed reactor instead of two coupled fluidized beds), whereby important findings (e.g. reaction kinetics, material properties) can be derived from the sister technologies already researched. The combination of the novel chemical looping storage with the established concept of electrolysis creates synergies that enable efficient electricity storage.

Effiziente Speichertechnologien werden in Zukunft ein essentieller Bestandteil von Stromnetzen weltweit sein, in welchen der Anteil an volatilen erneuerbaren Energieträgern stetig steigt. Heutzutage sind zumeist Pumpspeicherkraftwerke der Stand der Technik und stellen mit einer hohen Round-Trip-Efficiency von 80-90 % die beste Energiespeichertechnologie dar. Leider sind die dafür benötigten geografischen Bedingungen in Deutschland und in vielen Ländern mit Windkraftanlagen begrenzt. Zudem bedeutet der Bau von Pumpspeicherkraftwerken einen erheblichen Eingriff in die Ökologie und das Landschaftsbild. Daher wird bereits seit geraumer Zeit an alternativen, kosteneffizienten und skalierbaren Lösungen geforscht. Auch wenn die Batterietechnologie sowie thermische Speicher als Hoffnungsträger gelten, konnte bisher keine der genannten Technologien alle Marktanforderungen erfüllen.Efficient storage technologies will be an essential part of power grids worldwide in the future, in which the proportion of volatile renewable energy sources is constantly increasing. Today, pumped storage power plants are mostly state-of-the-art and represent the best energy storage technology with a high round-trip efficiency of 80-90%. Unfortunately, the geographical conditions required for this are limited in Germany and in many countries with wind turbines. In addition, the construction of pumped storage power plants means a significant intervention in the ecology and the landscape. Therefore, research into alternative, cost-efficient and scalable solutions has been going on for some time. Even if battery technology and thermal storage are considered to be beacons of hope, none of the technologies mentioned have been able to meet all market requirements.

Die hier vorgestellte Vorrichtung (bzw. das hier vorgestellte Verfahren) erfüllt durch ihre inhärenten Eigenschaften alle Anforderungen, die an einen Energiespeicher in modernen Strommärkten gestellt werden. Somit kann es möglich werden, durch Ausführungsbeispiele der hier vorgestellten Art eine große Hürde auf dem Weg zur klimaneutralen Gesellschaft zu überwinden. Ausführungsbeispiele können beispielsweise zum als Netzdienstleister (d.h. zum Ausgleich von Last- und Angebotsspitzen) oder zur dezentralen Energiespeicherung eingesetzt werden.Due to its inherent properties, the device presented here (or the method presented here) meets all the requirements placed on an energy storage device in modern electricity markets. It can thus become possible to overcome a major hurdle on the way to a climate-neutral society through exemplary embodiments of the type presented here. Exemplary embodiments can be used, for example, as network service providers (i.e. to balance load and supply peaks) or for decentralized energy storage.

Figurenlistecharacter list

Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.

  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Entladung eines Energiespeichers,
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Entladung eines Festbettspeichers,
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Entladung eines Festbettspeichers mit einem Entspanner,
  • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Entladung eines Wirbelschichtspeichers,
  • 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Entladung eines Wirbelschichtspeichers mit einem Entspanner,
  • 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Beladung eines Festbettspeichers,
  • 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Beladung eines Wirbelfeldspeichers,
  • 8 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß eines Ausführungsbeispiels.
The embodiments of the present invention will be better understood from the following detailed description and the accompanying drawings of the various embodiments, which, however, should not be taken to limit the disclosure to the specific embodiments used for explanation and understanding only.
  • 1 shows an embodiment of the present invention for discharging an energy store,
  • 2 shows an embodiment for discharging a fixed-bed memory,
  • 3 shows an embodiment for discharging a fixed bed storage with an expander,
  • 4 shows an embodiment for discharging a fluidized bed storage tank,
  • 5 shows an embodiment for discharging a fluidized bed storage tank with an expander,
  • 6 shows an embodiment for loading a fixed-bed memory,
  • 7 shows an embodiment for loading a vortex field storage device,
  • 8th shows steps of a method according to an embodiment.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

1 zeigt ein Schema für ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dargestellt ist eine Vorrichtung zur Zwischenspeicherung von Energie. Die Vorrichtung weist eine Speichereinrichtung 110 auf, die in einer thermischen Isolation 113 ein metallhaltiges Speichermedium 119 umfasst, welches durch Reduktion Energie speichert und durch Oxidation Energie abgibt. Die Speichereinrichtung 110 weist einen Einlass 115 und einen Auslass 117 durch die thermische Isolation 113 auf. Weiter umfasst die Vorrichtung eine Umwandlungseinrichtung 200, die ausgebildet ist, um aus unter Druck stehenden Abgasen 20 einer Oxidation, die aus dem Auslass 117 der Speichereinrichtung 110 bzw. des Speichers 110 austreten, Energie für eine Erzeugung von elektrischem Strom 60 oder Fernwärme 70 zu gewinnen. Die Vorrichtung umfasst auch eine Steuereinrichtung 300, die ausgebildet ist, um in einem Entladevorgang Umgebungsluft 10 in einer vorbestimmten Menge über den Einlass 115 in die Speichereinrichtung 110 zu leiten, um dort eine Oxidation des Speichermediums 119 auszulösen. Dabei ist die thermische Isolation 113 des Speichermediums 119 ausgebildet, um eine Temperatur in der Speichereinrichtung 110 über eine vorbestimmte Zeit über einer Mindesttemperatur (bspw. von 500 °C) zu halten, um so ein automatisches Auslösen der Oxidation auf ein Einlassen von Umgebungsluft 10 zu bewirken. 1 shows a schematic for an embodiment of the present invention. A device for temporarily storing energy is shown. The device has a storage device 110, which includes a metal-containing storage medium 119 in a thermal insulation 113, which stores energy through reduction and releases energy through oxidation. The storage device 110 has an inlet 115 and an outlet 117 through the thermal insulation 113 . The device also includes a conversion device 200 which is designed to generate energy for generating electricity 60 or district heating 70 from pressurized exhaust gases 20 from an oxidation process which exit from the outlet 117 of the storage device 110 or the storage device 110 . The device also includes a control device 300, which is designed to conduct a predetermined amount of ambient air 10 in a discharge process via the inlet 115 into the storage device 110 in order to trigger oxidation of the storage medium 119 there. The thermal insulation 113 of the storage medium 119 is designed to keep a temperature in the storage device 110 above a minimum temperature (e.g. 500° C.) for a predetermined time in order to automatically trigger oxidation when ambient air 10 is admitted effect.

Das Speichermedium 119 kann insbesondere ein Metall oder Metalloxid sein, das in einem reduzierten und in einem oxidierten Zustand vorliegen kann, so etwa Fe bzw. FeO, Fe2O3 bzw. Fe3O4 oder FeTiO3 bzw. Fe2TiO5.The storage medium 119 can in particular be a metal or metal oxide, which can be present in a reduced and in an oxidized state, such as Fe or FeO, Fe 2 O 3 or Fe 3 O 4 or FeTiO 3 or Fe 2 TiO 5 .

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in der Umwandlungseinheit 200 schematisch ein Entspanner 210 dargestellt, der ausgebildet ist, um die Abgase 20 zu entspannen und so zumindest einen Teil der Energie zu gewinnen und in elektrischen Strom 60 umzuwandeln. Zudem ist eine Wärmetausch-Einrichtung 220 dargestellt, die Wärme aus den Abgasen 20 in elektrischen Strom 60 und in Fernwärme 70 umwandelt. Die Wärmetausch-Einrichtung 220 kann die Umwandlung dabei auf unterschiedliche Weise bewirken; so kann die Umwandlung beispielsweise auf einem klassischen Rankine-Zyklus, auf einem organischen Rankine-Zyklus oder auch auf einem überkritischen CO2-Zyklus beruhen.In the present exemplary embodiment, an expander 210 is shown schematically in the conversion unit 200 , which is designed to expand the exhaust gases 20 and thus obtain at least part of the energy and convert it into electrical power 60 . In addition, a heat exchange device 220 is shown, which converts heat from the exhaust gases 20 into electricity 60 and district heating 70 . The heat exchange device 220 can bring about the conversion in different ways; for example, the conversion can be based on a classical Rankine cycle, on an organic Rankine cycle or on a supercritical CO2 cycle.

Dargestellt ist zudem eine Zuleitung für die Umgebungsluft 10, die durch einen Verdichter 130 dem Speichermedium 119 zugeführt wird. Die Umgebungsluft 10 ist dabei reaktiv genug, um die Oxidation oberhalb der Mindesttemperatur spontan ablaufen zu lassen. Gleichzeitig weisen die Abgase 20 einen hohen Anteil an Stickstoffgas auf und sind daher entsprechend reaktionsträge und nichtkorrosiv.Also shown is a feed line for the ambient air 10 which is fed to the storage medium 119 by a compressor 130 . The ambient air 10 is reactive enough to allow the oxidation to take place spontaneously above the minimum temperature. At the same time, the exhaust gases 20 have a high proportion of nitrogen gas and are therefore correspondingly inert and non-corrosive.

Die Oxidation ist stark exotherm, so dass die Abgase 20 die Speichereinrichtung 110 bei einer Temperatur von über 1000 °C, beispielsweise bei 1050 °C, wahlweise unter einem Druck von beispielsweise 1 bar oder auch unter einem höheren Druck von z.B. 8 bar verlassen. Temperatur und Druck der Abgase 20 sind einstellbar durch Beimischung von Umgebungsluft 10, die durch einen Umgebungsluft-Bypass 140 geleitet und mit den Abgasen 20 an einem Mischungspunkt 150 vermischt werden. Durch die Einstellbarkeit von Temperatur und Druck kann ein optimaler Betriebspunkt für die Komponenten 210, 220 der Umwandlungseinrichtung 200 eingestellt werden, beispielsweise eine hohe Temperatur von z.B. 1000 °C bei hohem Druck (z.B. 8 bar) zum Betrieb des Entspanners 210, oder auch eine niedrigere Temperatur, z.B. im Bereich von 600 - 700 °C, bei niedrigerem Druck (z.B. 1 bar), wenn lediglich eine Wärmetausch-Einrichtung 220 betrieben werden soll.The oxidation is highly exothermic, so that the exhaust gases 20 leave the storage device 110 at a temperature of over 1000° C., for example at 1050° C., optionally under a pressure of 1 bar, for example, or under a higher pressure of 8 bar, for example. The temperature and pressure of the exhaust gases 20 are adjustable by admixing ambient air 10 which is passed through an ambient air bypass 140 and mixed with the exhaust gases 20 at a mixing point 150 . Due to the adjustability of temperature and pressure, an optimal operating point for the components 210, 220 of the conversion device 200 can be set, for example a high temperature of e.g. 1000° C. at high pressure (e.g. 8 bar) for operating the expander 210, or a lower one Temperature, e.g. in the range of 600 - 700°C, at lower pressure (e.g. 1 bar) if only one heat exchange device 220 is to be operated.

Die Vorrichtung umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch eine hier nicht dargestellte Einrichtung zur Elektrolyse von Strom zur Gewinnung von Wasserstoff und ist ausgebildet, um mit dem Wasserstoff die Reduktion des Speichermediums 119 zu bewirken.In the present exemplary embodiment, the device also includes a device (not shown here) for the electrolysis of electricity to obtain hydrogen and is designed to bring about the reduction of the storage medium 119 with the hydrogen.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung im Entladevorgang. Die Speichereinrichtung 110 ist als Chemical-Looping-Speicher in einer Festbett-Variante ausgeführt. Dieser Festbettspeicher 110 umfasst eine Festbettschüttung des Speichermediums 119, etwa von Metalloxidpartikeln. Wiederum sind für den Entladevorgang wichtige Komponenten dargestellt. Insbesondere umfasst die Umwandlungseinheit 200 in diesem Ausführungsbeispiel als Wärmetauscher 223 einen Abhitzedampferzeuger zur Strom- und Wärmeerzeugung. 2 shows an embodiment of the device in the discharge process. The memory device 110 is designed as a chemical looping memory in a fixed-bed variant. This fixed-bed memory 110 includes a fixed bed of the storage medium 119, such as metal oxide particles. Again, important components for the discharge process are shown. In particular, the conversion unit 200 in this exemplary embodiment comprises a heat recovery steam generator as a heat exchanger 223 for generating electricity and heat.

Für den Entladevorgang wird Umgebungsluft 10 bei atmosphärischem Druck P= Patm und Umgebungstemperatur T=Tatm (z.B. 20 °C) durch den Verdichter 130 bewegt und in die Schüttung des Speichermediums 119 eingeleitet. Daraufhin findet die exotherme Reaktion zwischen dem Speichermedium 119 - hier wieder ein reduziertes Metalloxid - und in der Umgebungsluft 10 enthaltenem Sauerstoff statt, die zu Gastemperaturen über 1000 °C am Auslass 117 der Speichereinrichtung 110 führt. Um die Eintrittstemperatur der Abgase 20, die hier bei einem Druck von z.B. 1 bar vorliegen können, in den Abhitzedampferzeuger 223 zu regulieren (insbesondere konstant zu halten), wird ein Umgebungsluft-Bypass 140 mit Regelventil 145 eingesetzt. Über sie kann durch eine geregelte Mischung von kalter Frischluft 10 und heißen Abgasen 20 (bzw. heißem Reaktionsprodukt aus dem Speicher 110) eine gewünschte Temperatur (beispielsweise 600 - 700 °C) am Mischungspunkt 150 eingestellt werden. Im Abhitzedampferzeuger 223 wird Wärmeenergie der Abgase 20 auf eine Wärmeträgerflüssigkeit 221, hier etwa Wasser, übertragen. Die Wärmeträgerflüssigkeit 221 durchläuft einen Kreislauf, getrieben von einer Pumpe 229. Das erhitzte Wasser 221 überträgt als Dampf die Wärmeenergie an eine Dampfturbine 225. Diese betreibt einen Generator 230 und gibt die Energie teilweise als Fernwärme 70 und teilweise in Form von elektrischem Strom 60weiter. Die Wärmeträgerflüssigkeit 221 kondensiert anschließend in einem Kondensator 227 und durchläuft somit einen klassischen Rankine-Zyklus.Ambient air 10 at atmospheric pressure P= Patm and ambient temperature T=T atm (eg 20 °C) is used for the discharge process by the Ver moves denser 130 and introduced into the bulk of the storage medium 119. The exothermic reaction then takes place between the storage medium 119—here again a reduced metal oxide—and the oxygen contained in the ambient air 10 , which leads to gas temperatures above 1000° C. at the outlet 117 of the storage device 110 . An ambient air bypass 140 with control valve 145 is used to regulate (in particular to keep constant) the inlet temperature of the exhaust gases 20, which can be present here at a pressure of 1 bar, for example, in the heat recovery steam generator 223. A desired temperature (for example 600-700° C.) can be set at the mixing point 150 by means of a controlled mixture of cold fresh air 10 and hot exhaust gases 20 (or hot reaction product from the store 110). In the heat recovery steam generator 223, thermal energy from the exhaust gases 20 is transferred to a heat transfer fluid 221, here water for example. The heat transfer fluid 221 runs through a circuit, driven by a pump 229. The heated water 221 transfers the heat energy to a steam turbine 225 as steam. The heat transfer fluid 221 then condenses in a condenser 227 and thus runs through a classic Rankine cycle.

3 zeigt den Entladevorgang einer druckgeladenen Speichereinrichtung 110 (bzw. eines druckgeladenen Chemical-Looping-Speichers). Hier wird in Abgrenzung zu dem in 2 dargestellten Verfahren nach dem Auslass 117 zusätzlich ein Entspanner 210 genutzt, um die Abgase 20 von einem Austrittsdruck (etwa ca. 8 bar) auf atmosphärischen Druck zu entspannen und so Strom zu gewinnen. In dieser Prozessvariante kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit dem Bypass-Regelventil 145 eine Temperatur von 1000 °C am Mischungspunkt 150 eingestellt werden, um eine höhere Effizienz zu erzielen. Ein Wirkungsgrad ηel einer Umwandlung in elektrischen Strom 60 kann auf diese Weise etwa 60 % betragen. Anschließend werden die Abgase 20, wie bereits in 2, in einen Abhitzedampferzeuger 223 eingeleitet, um Strom 60 und Wärme 70 zu erzeugen. Das dargestellte System führt so zu höheren thermischen Wirkungsgraden, erfordert jedoch die Druckbeständigkeit der Komponenten der Vorrichtung stromaufwärts des Entspanners 210. 3 shows the discharging process of a pressure-loaded storage device 110 (or a pressure-loaded chemical looping storage device). Here, in contrast to the in 2 In the method shown, an expander 210 is additionally used after the outlet 117 in order to expand the exhaust gases 20 from an outlet pressure (approximately 8 bar) to atmospheric pressure and thus generate electricity. In this process variant, a temperature of 1000° C. can be set at the mixing point 150 with the bypass control valve 145 in the present exemplary embodiment in order to achieve greater efficiency. An efficiency η el of a conversion into electric power 60 can be about 60% in this way. Then the exhaust gases 20, as already in 2 , introduced into a heat recovery steam generator 223 to generate electricity 60 and heat 70 . The system shown thus leads to higher thermal efficiencies, but requires the pressure resistance of the components of the device upstream of the expander 210.

4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung im Entladevorgang. Die Speichereinrichtung 110 ist hier als Chemical-Looping-Speicher in einer Wirbelschicht-Variante ausgeführt. Dieser Wirbelschichtspeicher 110 umfasst das Speichermedium 119 in Form von feinen Partikeln (hier insbesondere Metalloxidpartikeln). Die eingeleitete Umgebungsluft 10 dient hierbei nicht nur als Reaktionssondern auch als Fluidisierungsmedium, das die Schüttung der feinen Partikel in einer Schwebelage hält und so für einen gegenüber den in den 2 und 3 dargestellten Festbettspeichern verbesserten Wärme- und Stofftransport sorgt. Analog zur Situation in 2 findet hier in der durch die Schwebelage entstehende Wirbelschicht die stark exotherme Oxidation statt. 4 shows an embodiment of the device in the discharge process. The storage device 110 is designed here as a chemical looping storage device in a fluidized bed variant. This fluidized bed reservoir 110 includes the storage medium 119 in the form of fine particles (here in particular metal oxide particles). The introduced ambient air 10 is used here not only as a reaction but also as a fluidizing medium that keeps the bulk of the fine particles in a floating position and so for one compared to the 2 and 3 shown fixed bed storage improved heat and mass transport ensures. Similar to the situation in 2 the highly exothermic oxidation takes place here in the fluidized bed created by the suspended layer.

Die Speichervorrichtung 110 verfügt zudem über eine Auffangeinrichtung 160, die hier als Zyklonabscheider ausgeführt ist. Eine Strömung der Umgebungsluft 10 bewirkt, dass Partikel des Speichermediums 20 den Speicher 110 über den Auslass 117 verlassen. Durch die Auffangeinrichtung 160 werden diese Partikel wieder in die Speichereinrichtung 110 zurückgeleitet.The storage device 110 also has a collecting device 160, which is designed here as a cyclone separator. A flow of the ambient air 10 causes particles of the storage medium 20 to leave the storage 110 via the outlet 117 . These particles are returned to the storage device 110 by the collecting device 160 .

5 zeigt wie 3 den Entladevorgang einer druckgeladenen Speichereinrichtung 110 (bzw. eines Chemical-Looping-Speichers) über einen Entspanner 210, in diesem Ausführungsbeispiel ausgeführt als Wirbelschichtspeieher 110, ähnlich wie in 4. 5 shows how 3 the discharging process of a pressurized storage device 110 (or a chemical looping storage device) via an expansion device 210, in this exemplary embodiment designed as a fluidized bed storage device 110, similar to FIG 4 .

6 illustriert für ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung einen Beladevorgang der Speichereinrichtung 110 bzw. des Chemical-Looping-Speichers. Die Speichereinrichtung 110 ist hier als Festbettspeicher 110 ausgeführt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird elektrischer Strom 60 aus regenerativer Energie verwendet, um Wasser 50 in einer Elektrolyseeinrichtung 400 in Sauerstoff 40 und Wasserstoff 30 zu trennen. Der gewonnene Wasserstoff 30 wird nach der Elektrolyse 410 mittels eines Verdichters 420 in einen weiteren Wärmetauscher 430 (einen Gasvorwärmer) befördert, in welchem der Wasserstoff 30 auf beispielsweise 500-600 °C aufgeheizt wird. Die Temperatur ist dabei frei einstellbar. 6 11 illustrates a loading process of the memory device 110 or the chemical looping memory for an exemplary embodiment of the device. The memory device 110 is embodied here as a fixed-bed memory 110 . According to this exemplary embodiment, electric power 60 from regenerative energy is used to separate water 50 into oxygen 40 and hydrogen 30 in an electrolysis device 400 . After the electrolysis 410, the hydrogen 30 obtained is transported by means of a compressor 420 into a further heat exchanger 430 (a gas preheater), in which the hydrogen 30 is heated to, for example, 500-600° C. The temperature is freely adjustable.

Der vorgewärmte Wasserstoff 30 wird danach in die Speichervorrichtung 110 eingeleitet, die das Speichermedium 119 in Form von Metalloxidpartikeln in einer Festbettschüttung umfasst. Dies kann optional über einen Verdichter 420 geschehen. Durch den Kontakt zwischen Wasserstoff 30 und dem Metalloxid 119 wird letzteres reduziert. Als Endprodukt dieser (leicht) exothermen Redox-Reaktion fällt ein Gasstrom aus Wasserdampf 52 und nicht umgesetztem Wasserstoff 30 an, der nach dem Auslass 117 der Speichereinrichtung 110 weiter in den weiteren Wärmetauscher 430 geleitet wird. Hier wird die Restwärme dieses Gasstromes verwendet, um den Eintrittsstrom aufzuheizen. Danach wird dieser Gasstrom in einen Kondensator 440 geleitet, in dem er weiter abgekühlt und kondensiertes Wasser 50 abgeschieden wird. Der nicht umgesetzte Wasserstoff 30 kann über einen Wasserstoff-Bypass 450 wieder über den Verdichter 420 in den weiteren Wärmetauscher 430 eingeleitet werden. Das Anfallende Kondensat bzw. kondensierte Wasser 50 kann wieder in die Elektrolyse 410 eingespeist werden. Die Elektrolyseeinrichtung 400 kann wahlweise bei atmosphärischem Druck oder bei Überdruck betrieben werden.The preheated hydrogen 30 is then introduced into the storage device 110, which comprises the storage medium 119 in the form of metal oxide particles in a fixed bed. This can optionally be done via a compressor 420. The contact between hydrogen 30 and the metal oxide 119 reduces the latter. The end product of this (slightly) exothermic redox reaction is a gas flow of water vapor 52 and unreacted hydrogen 30 , which is passed further into the further heat exchanger 430 after the outlet 117 of the storage device 110 . Here the residual heat of this gas flow is used to heat the inlet flow. Thereafter, this gas stream is fed into a condenser 440, in which it is further cooled and condensed water 50 is separated. The unreacted hydrogen 30 can be fed back into the further heat exchanger 430 via a hydrogen bypass 450 via the compressor 420 . The seizure Linger condensate or condensed water 50 can be fed back into the electrolysis 410. The electrolysis device 400 can be operated either at atmospheric pressure or at overpressure.

In Ausführungsbeispielen können die Leitungen für Wasserstoff 30 teilweise mit den Leitungen für Umgebungsluft 10, die im Entladevorgang verwendet wird, zusammenfallen. Dann kann auch der hier dargestellte Verdichter 420 mit dem Verdichter 130 (der in den 1 bis 5 dargestellt ist und dort der Bewegung der Umgebungsluft 10 dient) identisch sein. Die Leitungen für Wasserstoff 30 können aber auch getrennt von denen für Umgebungsluft 10 bzw. von Abgasen 20 sein.In exemplary embodiments, the lines for hydrogen 30 may partially coincide with the lines for ambient air 10 used in the discharge process. Then the compressor 420 shown here can also be combined with the compressor 130 (which is shown in the 1 until 5 is shown and where the movement of the ambient air 10 is used) must be identical. However, the lines for hydrogen 30 can also be separate from those for ambient air 10 or from exhaust gases 20 .

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der zumindest eine Einlass 115 und/oder der zumindest eine Auslass 117 derart ausgebildet sein, dass mehre steuerbare Anschlüsse bereitgestellt werden (auch an verschiedenen Positionen der Speichereinrichtung 110), um über einen steuerbaren Anschluss eine (komprimierte) Luftzufuhr zu erreichen (wie in den 1 bis 5 dargestellt) und über anderen steuerbaren Anschluss der (komprimierte) Wasserstoff in die Speichereinrichtung 110 eingelassen wird. Gleiches trifft zu für die Auslässe 117. Auch hier können mehrere Anschlüsse ausgebildet sein, um z.B. über einen steuerbaren Anschluss die Abgase abzuführen (wie in den 1 bis 5 dargestellt) und über anderen steuerbaren Anschluss Wasserdampf 52 (mit oder ohne Wasserstoff 30) aus der Speichereinrichtung 110 abzuleiten. Es versteht sich, dass die steuerbaren Anschlüsse Ventile aufweisen können, die über die Steuereinrichtung 300 geschaltet werden. Wenn nur jeweils ein Anschluss für den Einlass 115 und den Auslass 17 ausgebildet ist, kann ein beispielhaft ausgebildetes 3-Wegeventil die Ausführungsformen aus den 1 bis 5 und der Ausführungsform aus der 6 und der folgenden 7 miteinander verbinden.According to further exemplary embodiments, the at least one inlet 115 and/or the at least one outlet 117 can be designed in such a way that a plurality of controllable connections are provided (also at different positions of the storage device 110) in order to achieve a (compressed) air supply via a controllable connection ( as in the 1 until 5 shown) and the (compressed) hydrogen is admitted into the storage device 110 via another controllable connection. The same applies to the outlets 117. Here, too, several connections can be formed in order, for example, to discharge the exhaust gases via a controllable connection (as in FIGS 1 until 5 shown) and to derive water vapor 52 (with or without hydrogen 30) from the storage device 110 via another controllable connection. It goes without saying that the controllable connections can have valves that are switched via the control device 300 . If only one connection for the inlet 115 and the outlet 17 is formed, an exemplary trained 3-way valve, the embodiments from the 1 until 5 and the embodiment from FIG 6 and the following 7 connect with each other.

7 illustriert den Beladevorgang der Speichereinrichtung 110 bzw. des Chemical-Looping-Speichers in der Wirbelschicht-Variante, d.h. mit einem Wirbelschichtspeicher 110. Analog zur Feststoffvariante (siehe 6) wird Wasserstoff 30 in der Elektrolyse 410 erzeugt und anschließend verdichtet sowie erwärmt. In der Speichereinrichtung 110 selbst dient der Wasserstoff 30 nicht nur als Reaktions- sondern auch als Fluidisierungsmedium, das die Schüttung aus feinen Partikeln des Speichermediums 119 bzw. die Metalloxidpartikeln in der Schwebe hält und so für ausgezeichneten Wärme- und Stofftransport innerhalb der Wirbelschicht sorgt. In der Wirbelschicht findet, analog zur Festbett-Variante, die exotherme Reaktion zwischen Wasserstoff 30 und den Partikeln des Speichermediums 119 statt. Um am Auslass 117 der Speichereinrichtung 110 den Gasstrom, bestehend aus H2 und H20, von Feststoffpartikeln, die teilweise mit dem Gasstrom mitgerissen werden, zu befreien, wird eine Auffangeinrichtung 160 bzw. hier ein Zyklonabscheider eingesetzt, der dafür sorgt, dass die Partikel zurück in die Speichereinrichtung 110 transportiert werden können. Auch das Wirbelschichtsystem kann wahlweise bei atmosphärischem Druck oder bei Überdruck betrieben werden, und auch hier können Leitungen und Komponenten mit denen von Luft 10 und/oder Abgasen zusammenfallen. 7 illustrates the loading process of the storage device 110 or the chemical looping storage in the fluidized bed variant, ie with a fluidized bed storage 110. Analogously to the solid variant (see 6 ) Hydrogen 30 is generated in the electrolysis 410 and then compressed and heated. In the storage device 110 itself, the hydrogen 30 serves not only as a reaction medium but also as a fluidization medium, which keeps the bed of fine particles of the storage medium 119 or the metal oxide particles in suspension and thus ensures excellent heat and mass transport within the fluidized bed. In the fluidized bed, analogously to the fixed bed variant, the exothermic reaction between hydrogen 30 and the particles of the storage medium 119 takes place. In order to free the gas flow, consisting of H2 and H20, from solid particles at the outlet 117 of the storage device 110, some of which are entrained with the gas flow, a collecting device 160 or here a cyclone separator is used, which ensures that the particles are returned to the storage device 110 can be transported. The fluidized bed system can also be operated either at atmospheric pressure or at positive pressure, and here too lines and components can coincide with those of air 10 and/or exhaust gases.

Es versteht sich, dass auch die Ausführungsformen aus den 2 bis 7 eine Steuereinrichtung 300 aufweisen können, auch wenn sie nicht gezeigt ist. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist die Steuereinrichtung 300 insbesondere ausgebildet, um bedarfsgesteuert zwischen dem Entladevorgang (siehe 1-5) und dem Beladevorgang (siehe 6, 7) zu schalten. Hierzu kann die Steuereinrichtung 300 ein externes Steuersignal empfangen, welche anzeigt, ob ein Bedarf an Stromspeicherung oder ein Strommangel besteht. Basierend auf diesem externen Signal betreibt die Steuereinrichtung 300 die Vorrichtung entweder im Entladevorgang oder im Beladevorgang bzw. schaltet die Vorrichtung ab (z.B. durch Schließen aller Ventile), um bei Bedarf wieder in Betrieb zu nehmen.It is understood that the embodiments from the 2 until 7 may have a control device 300, even if it is not shown. According to further exemplary embodiments, control device 300 is designed, in particular, to switch between the discharging process (see 1-5 ) and the loading process (see 6 , 7 ) to switch. For this purpose, the control device 300 can receive an external control signal which indicates whether there is a need for power storage or a power shortage. Based on this external signal, the control device 300 operates the device either in the unloading process or in the loading process or switches the device off (for example by closing all valves) in order to start it up again if necessary.

8 zeigt Schritte eines Verfahrens zur Zwischenspeicherung von Energie in einem metallhaltigen Speichermedium 119, welches durch Reduktion Energie speichert und durch Oxidation Energie abgibt. Das Verfahren umfasst als einen Schritt ein Vorhalten S110 des Speichermediums 119 über einer bestimmten Mindesttemperatur, bewirkt durch eine thermische Isolation 113. Ein weiterer Schritt umfasst ein Leiten S120 von Umgebungsluft 10 in einer vorbestimmten Menge zu dem Speichermedium 119, um so eine Oxidation des Speichermediums 119 auszulösen. Ein weiterer Schritt umfasst ein Gewinnen S130 von Energie aus Abgasen 20 der Oxidation für eine Erzeugung von elektrischem Strom 60 oder Fernwärme 70. 8th shows steps of a method for temporarily storing energy in a metal-containing storage medium 119, which stores energy by reduction and releases energy by oxidation. As a step, the method includes maintaining S110 the storage medium 119 above a specific minimum temperature, caused by thermal insulation 113. A further step includes directing S120 of ambient air 10 in a predetermined quantity to the storage medium 119 in order to prevent oxidation of the storage medium 119 trigger. A further step includes obtaining S130 energy from exhaust gases 20 from the oxidation for generating electricity 60 or district heating 70.

Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.The features of the invention disclosed in the description, the claims and the figures can be essential for the implementation of the invention both individually and in any combination.

BezugszeichenlisteReference List

1010
Umgebungsluftambient air
2020
Abgaseexhaust gases
3030
Wasserstoff H2 hydrogen H 2
4040
Sauerstoff O2 oxygen O 2
5050
Wasserwater
5252
WasserdampfSteam
6060
elektrischer Stromelectrical current
7070
Fernwärmedistrict heating
110110
Speichereinrichtungstorage device
113113
thermische Isolationthermal insulation
115115
Einlassinlet
117117
Auslassoutlet
119119
Speichermediumstorage medium
130130
Verdichtercompressor
140140
Umgebungsluft-BypassAmbient air bypass
145145
Regelventilcontrol valve
150150
Mischungspunktmixing point
160160
Auffangeinrichtungcollection device
200200
Umwandlungseinrichtungconversion device
210210
Entspannerrelaxer
220220
Wärmetausch-Einrichtungheat exchange device
221221
Wärmeträgerflüssigkeit (Wasser)heat transfer fluid (water)
223223
Wärmetauscher (z.B. Abhitzedampferzeuger)Heat exchanger (e.g. heat recovery steam generator)
225225
Dampfturbinesteam turbine
227227
Kondensatorcapacitor
229229
Pumpepump
230230
Generatorgenerator
300300
Steuereinrichtungcontrol device
400400
Elektrolyseeinrichtungelectrolysis device
410410
Elektrolyseelectrolysis
420420
Verdichtercompressor
430430
weiterer Wärmetauscher (Gasvorwärmer)additional heat exchanger (gas preheater)
440440
Kondensatorcapacitor
450450
Wasserstoff-Bypasshydrogen bypass
455455
Regelventilcontrol valve
S110, S120, S130S110, S120, S130
Verfahrensschritteprocess steps

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • CA 2211391 A1 [0004]CA 2211391 A1 [0004]

Claims (8)

Eine Vorrichtung zur Zwischenspeicherung von Energie mit: einer Speichereinrichtung (110), die eine thermische Isolation (113) und ein metallhaltiges Speichermedium (119) aufweist, welches durch Reduktion Energie speichert und durch Oxidation Energie abgibt, und die zumindest einen Einlass (115) und einen Auslass (117) umfasst; einer Umwandlungseinrichtung (200), die ausgebildet ist, um aus unter Druck stehenden Abgasen (20) einer Oxidation, die aus dem Auslass (117) der Speichereinrichtung (110) austreten, Energie für eine Erzeugung von elektrischem Strom (60) oder Fernwärme (70) zu gewinnen; und einer Steuereinrichtung (300), die ausgebildet ist, um in einem Entladevorgang Umgebungsluft (10) in einer vorbestimmten Menge über den Einlass (115) in die Speichereinrichtung (110) zu leiten, um dort eine Oxidation des Speichermediums (119) auszulösen, wobei die thermische Isolation (113) ausgebildet ist, um eine Temperatur in der Speichereinrichtung (110) über eine vorbestimmte Zeit über einer Mindesttemperatur zu halten, um ein automatisches Auslösen der Oxidation auf ein Einlassen von Umgebungsluft (10) zu bewirken.An energy storage device comprising: a storage device (110), which has thermal insulation (113) and a metal-containing storage medium (119), which stores energy by reduction and releases energy by oxidation, and which comprises at least one inlet (115) and one outlet (117); a conversion device (200), which is designed to convert pressurized exhaust gases (20) from oxidation, which exit from the outlet (117) of the storage device (110), energy for generating electricity (60) or district heating (70 ) to win; and a control device (300), which is designed to direct ambient air (10) in a predetermined quantity via the inlet (115) into the storage device (110) in a discharge process in order to trigger oxidation of the storage medium (119) there, wherein the thermal insulation (113) is designed to keep a temperature in the storage device (110) above a minimum temperature for a predetermined time in order to cause automatic triggering of the oxidation upon admitting ambient air (10). Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Umwandlungseinrichtung (200) zumindest eine der folgenden Komponenten umfasst: einen Entspanner (210), der ausgebildet ist, um die Abgase (20) zu entspannen und so zumindest einen Teil der Energie zu gewinnen; einen Wärmetauscher (223), der ausgebildet ist, um eine Wärmeenergie der Abgase (20) zum Erzeugen von Dampf zu nutzen; eine Dampfturbine (225), die ausgebildet ist, um elektrische Energie aus dem erzeugten Dampf zu gewinnen.The device after claim 1 , wherein the conversion device (200) comprises at least one of the following components: an expander (210) which is designed to expand the exhaust gases (20) and thus gain at least part of the energy; a heat exchanger (223) which is designed to use thermal energy of the exhaust gases (20) to generate steam; a steam turbine (225) designed to generate electrical energy from the generated steam. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, die weiter mindestens eine der folgenden Komponenten aufweist: einen Verdichter (130), der ausgebildet ist, um die Umgebungsluft (10) zu verdichten und so zu bewegen; ein Umgebungsluft-Bypass (140), der ausgebildet ist, um eine Menge von Umgebungsluft (10) zu den Abgasen (20) zu leiten, wobei die Steuereinrichtung (300) ausgebildet ist, um die Menge von Umgebungsluft (10) einzustellen und so eine Temperatur der Abgase (20) zu regulieren.The device after claim 1 or claim 2 , which further comprises at least one of the following components: a compressor (130) which is adapted to compress and thus move the ambient air (10); an ambient air bypass (140) configured to direct an amount of ambient air (10) to the exhaust gases (20), wherein the control device (300) is configured to adjust the amount of ambient air (10) and such a To regulate the temperature of the exhaust gases (20). Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter Folgendes umfasst: eine Elektrolyseeinrichtung (410), ausgebildet, um elektrischen Strom (60) und Wasser (50) zu empfangen und mit dem elektrischen Strom (60) das Wasser (50) in Wasserstoff (30) und Sauerstoff (40) zu spalten; und einen weiteren Wärmetauscher (430), wobei die Steuereinrichtung (300) ausgebildet ist, um in einem Ladevorgang der Speichereinrichtung (110) den Wasserstoff (30) zuzuführen und Wasserdampf (52) abzuleiten, wobei eine Reduktion des Speichermediums (119) erfolgt, und wobei der weitere Wärmetauscher (430) ausgebildet ist, um Wärme von dem durch die Reduktion erzeugten Wasserdampf (52) auf den durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoff (30) zu übertragen und den Wasserstoff (30) dann der Speichereinrichtung (110) für die Reduktion bereitzustellen.The device of any preceding claim, further comprising: an electrolysis device (410) designed to receive electricity (60) and water (50) and to split the water (50) into hydrogen (30) and oxygen (40) with the electricity (60); and a further heat exchanger (430), wherein the control device (300) is designed to supply the hydrogen (30) to the storage device (110) and to discharge water vapor (52) in a charging process, with the storage medium (119) being reduced, and wherein the further heat exchanger (430) is designed to transfer heat from the water vapor (52) generated by the reduction to the hydrogen (30) generated by electrolysis and then to provide the hydrogen (30) to the storage device (110) for the reduction . Die Vorrichtung nach Anspruch 4, die weiter zumindest eine der folgenden Komponenten umfasst: einen Kondensator (440), der ausgebildet ist, um den durch die Reduktion erzeugten Wasserdampf (52) zu Wasser (50) zu kondensieren und das so erzeugte Wasser wieder der Elektrolyseeinrichtung (410) bereitzustellen, einen Wasserstoff-Bypass (450), der ausgebildet ist, um eine zusammen mit dem durch die Reduktion erzeugten Wasserdampf (52) aus der Speichereinrichtung (110) abgeleitete Restmenge an Wasserstoff (30) abzufangen und dem durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoff (30) zuzuführen, einen Verdichter (420), der ausgebildet ist, um den Wasserstoff (30) zu verdichten und so zu bewegen.The device after claim 4 , which further comprises at least one of the following components: a condenser (440), which is designed to condense the water vapor (52) generated by the reduction to water (50) and to provide the water generated in this way again to the electrolysis device (410), a hydrogen bypass (450), which is designed to intercept a residual amount of hydrogen (30) discharged from the storage device (110) together with the water vapor (52) generated by the reduction and to feed it to the hydrogen (30) generated by electrolysis, a compressor (420) which is designed to compress and thus move the hydrogen (30). Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Speichereinrichtung (110) mindestens einen Speicher der folgenden Art umfasst: einen Wirbelschichtspeicher, in dem das Speichermedium (119) in einer Vielzahl von Partikeln vorliegt, und der ausgebildet ist, um Wasserstoff (30) oder die Umgebungsluft (10) durch das Speichermedium (119) zu leiten und dabei zumindest einen Teil der Partikel in eine Schwebelage zu versetzen; und/oder einen Festbettspeicher, in dem das Speichermedium (119) in Form einer Festbettschüttung vorliegt, und der ausgebildet ist, um Wasserstoff (30) oder die Umgebungsluft (10) durch die Festbettschüttung zu leiten.The device according to any one of the preceding claims, wherein the memory means (110) comprises at least one memory of the following type: a fluidized bed reservoir in which the storage medium (119) is present in a large number of particles and which is designed to conduct hydrogen (30) or the ambient air (10) through the storage medium (119) and thereby convert at least some of the particles into one to put floating position; and or a fixed bed store in which the storage medium (119) is present in the form of a fixed bed, and which is designed to conduct hydrogen (30) or the ambient air (10) through the fixed bed. Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Speichermedium (119) in Form von Partikeln vorliegt, und Vorrichtung weiter eine Auffangeinrichtung (160) aufweist, die ausgebildet ist, um aus der Speichereinrichtung (110) austretende Partikel aufzufangen und wieder in die Speichereinrichtung (110) zurückzuführen.The device according to any one of the preceding claims, wherein the storage medium (119) is in the form of particles, and the device further has a collecting device (160) which is designed to collect particles emerging from the storage device (110) and return them to the storage device ( 110). Ein Verfahren zur Zwischenspeicherung von Energie in einem metallhaltigen Speichermedium (119), welches durch Reduktion Energie speichert und durch Oxidation Energie abgibt, das Verfahren umfasst: Vorhalten (S110), durch eine thermische Isolation (113), des Speichermediums (119) über einer bestimmten Mindesttemperatur; Leiten (S120) von Umgebungsluft (10) in einer vorbestimmten Menge zu dem Speichermedium (119), um so eine Oxidation des Speichermediums (119) auszulösen; Gewinnen (130), aus Abgasen (50) der Oxidation, von Energie für eine Erzeugung von elektrischem Strom (60) oder Fernwärme (70).A method for temporarily storing energy in a metal-containing storage medium (119), which stores energy through reduction and emits energy through oxidation, the method comprising: maintaining (S110), by means of thermal insulation (113), the storage medium (119) above a specific minimum temperature; directing (S120) ambient air (10) in a predetermined amount to the storage medium (119) so as to induce oxidation of the storage medium (119); Obtaining (130), from exhaust gases (50) of the oxidation, of energy for generating electricity (60) or district heating (70).
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