DE102022132021A1

DE102022132021A1 - System und Verfahren zur Energiewandlung und Energiespeicherung

Info

Publication number: DE102022132021A1
Application number: DE102022132021.9A
Authority: DE
Inventors: Johannes Hartz; Gerhard Schlegl
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2022-12-02
Filing date: 2022-12-02
Publication date: 2024-06-13

Abstract

System (10) zur Energiewandlung und Energiespeicherung, mit zu einem Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf (11) verschalteten Baugruppen, nämlich zumindest mit einem Vorwärmer (12) zur Vorwärmung eines Kältemittels, mit einem Verdampfer (13) zur Verdampfung des vorgewärmten Kältemittels, mit einem Expander (14) zur Entspannung des verdampften Kältemittels unter Antreiben eines Generators (15) zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einem Kondensator (16) zur Abkühlung und Kondensation des entspannten Kältemittels, und mit einer Pumpe (17) zur Förderung des Kältemittels vom Kondensator (16) in Richtung auf den Vorwärmer (12), mit mindestens einem als Wasserspeicher (19) ausgebildeten thermischen Energiespeicher, wobei der mindestes eine Wasserspeicher (19) ausgebildet ist, um erhitztes Wasser zumindest dem Vorwärmer (12) des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (11) bereitzustellen, und wobei der mindestes eine Wasserspeicher (19) und der Verdampfer (13) des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (11) ausgebildet sind, um erhitztes Wasser von einem Kraftwerk (22) zu empfangen.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Energiewandlung und Energiespeicherung.
Durch eine zunehmende Energieverknappung und zunehmend steigende Energiekosten steigt der Bedarf an effizienten Energie-Speicherlösungen, die es erlauben, Energie im Megawatt-Maßstab zu speichern und flexibel zumindest als elektrische Energie zu nutzen. Bislang bekannte Systeme zur Energiewandlung und Energiespeicherung erlauben dies nur in eingeschränktem Umfang. Es besteht daher Bedarf an einem System und einem Verfahren zur Energiewandlung und Energiespeicherung, welche im Megawatt-Maßstab genutzt werden können, und die es ermöglichen, die gespeicherte Energie flexibel zumindest als elektrische Energie zu nutzen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes System zur Energiewandlung und Energiespeicherung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein System nach Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße System weist zu einem Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf verschaltete erste Baugruppen auf, nämlich zumindest einen Vorwärmer zur Vorwärmung eines ersten Kältemittels, einen Verdampfer zur Verdampfung des vorgewärmten ersten Kältemittels, einen Expander zur Entspannung des dampfförmigen ersten Kältemittels unter Antreiben eines Generators zur Erzeugung elektrischer Energie, einen Kondensator zur Abkühlung und Kondensation des entspannten ersten Kältemittels, und eine Pumpe zur Förderung des ersten Kältemittels vom Kondensator in Richtung auf den Vorwärmer.
Das erfindungsgemäße System weist ferner mindestens einen als Wasserspeicher ausgebildeten thermischen Energiespeicher auf, wobei der mindestes eine Wasserspeicher ausgebildet ist, um erhitztes Wasser zumindest dem Vorwärmer des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs bereitzustellen, und wobei der mindestes eine Wasserspeicher und der Verdampfer des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs ausgebildet sind, um erhitztes Wasser von einem Kraftwerk zu empfangen.
Bei dem erfindungsgemäßen System ist ein Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf mit mindestens einem Wasserspeicher und einem Kraftwerk gekoppelt.
Über den Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf kann thermische Energie in elektrische Energie gewandelt werden, wobei hierzu thermische Energie des Kraftwerks sowie im Wasserspeicher gespeicherte thermische Energie des im Wasserspeicher gespeicherten Wassers genutzt wird. Es ist möglich, Energie im Megawatt-Maßstab effizient zu speichern und diese gespeicherte Energie flexibel als elektrische Energie zu nutzen.
Die im Wasserspeicher gespeicherte thermische Energie kann optional auch thermischen Verbrauchern bereitgestellt werden. Dann ist es möglich, die gespeicherte Energie als thermische Energie und/oder als elektrische Energie zu nutzen.
Vorzugsweise ist der mindestes eine Wasserspeicher ferner ausgebildet, um abgekühltes Wasser dem Kraftwerk bereitzustellen, vorzugsweise ferner, um vom Kraftwerk bereitgestelltes erhitztes Wasser, welches über den Verdampfer des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs geführt wird, zu empfangen. Diese Verschaltung des Wasserspeichers mit dem Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf und dem Kraftwerk ist für eine effizienten Energiespeicherung besonders bevorzugt.
Vorzugsweise ist der mindestes eine Wasserspeicher ferner ausgebildet, um erhitztes Wasser einem Wärmenetz bereitzustellen und um vom Wärmenetz abgekühltes Wasser zu empfangen. Über die Ankopplung des Wasserspeichers an ein Wärmenetz, wie ein Fern-Wärmenetz oder Nah-Wärmenetz oder Industrie-Wärmenetz, kann die im Wasserspeicher gespeicherte thermische Energie flexibel thermischen Verbrauchern eines Wärmenetzes bereitgestellt werden.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße System ferner zu einem Wärmepumpen-Kreislauf verschaltete zweite Baugruppen auf, nämlich zumindest einen Verdampfer zur Verdampfung eines zweiten Kältemittels, einen unter Nutzung elektrischer Energie antreibbaren Verdichter zur Verdichtung des verdampften zweiten Kältemittels, einen Wärmetauscher zur Auskopplung thermischer Energie aus dem verdampften und verdichteten zweiten Kältemittel und zur Einspeicherung derselben in Wasser, welches in dem mindestens einen als Wasserspeicher ausgebildeten, thermischen Energiespeicher speicherbar ist, und ein Entspannungsorgan zur Entspannung des zweiten Kältemittels. Nach dieser Weiterbildung der Erfindung umfasst das System zusätzlich den Wärmepumpen-Kreislauf. Über den Wärmepumpen-Kreislauf ist es möglich, elektrische Energie in thermische Energie zu wandeln und die hierbei erzeugte thermische Energie im Wasser für den Wasserspeicher zu speichern. Hiermit kann die Flexibilität bei der Speicherung und Nutzung von Energie weiter gesteigert werden.
Vorzugsweise sind die zweiten Baugruppen des Wärmepumpen-Kreislaufs und die ersten Baugruppen des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs in ein Gesamtsystem integriert, derart, dass die beide Kreisläufe dasselbe Kältemittel nutzen, jedoch zeitlich nur getrennt, nämlich wechselweise, betreibbar sind. Eine derartige Ausführung des Wärmepumpen-Kreislaufs und des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs ist aus Bauraumgründen und Kostengründen besonders bevorzugt.
Erfindungsgemäße Verfahren sind in Anspruch 11, 13 und 14 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1: ein Blockschaltbild eines ersten erfindungsgemäßen Systems zur Energiewandlung und Energiespeicherung,
2 ein Blockschaltbild eines zweiten erfindungsgemäßen Systems zur Energiewandlung und Energiespeicherung.
3 ein Blockschaltbild eines dritten erfindungsgemäßen Systems zur Energiewandlung und Energiespeicherung.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems 10 zur Energiewandlung und Energiespeicherung.
Das erfindungsgemäße System 10 verfügt über zu einem Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 verschaltete erste Baugruppen, wobei es über den Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 möglich ist, thermische Energie in elektrische Energie zu wandeln.
Der Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 des erfindungsgemäßen Systems 10 verfügt über einen Vorwärmer 12 zur Vorwärmung eines ersten Kältemittels, nämlich des Kältemittels des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11, sowie über einen in Strömungsrichtung des ersten Kältemittels gesehen stromabwärts des Vorwärmers 12 angeordneten Verdampfer 13 zur Verdampfung des vorgewärmten ersten Kältemittels. Sowohl im Bereich des Vorwärmers 12 als auch im Bereich des Verdampfers 13 wird in das Kältemittel des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 thermische Energie eingetragen, wobei dieses Kältemittel im Bereich des Verdampfers 13 verdampft.
Das im Bereich des Verdampfers 13 verdampfte Kältemittel wird stromabwärts des Verdampfers über einen Expander 14 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 geführt, um bei der Entspannung des Kältemittels elektrische Energie zu gewinnen. Hierbei ist der Expander 14 mit einem Generator 15 oder einer generatorisch betriebenen elektrischen Maschine gekoppelt, der oder die vom Expander 14 aus angetrieben wird und hierbei elektrische Energie erzeugt.
Das im Bereich des Expanders 14 entspannte Kältemittel des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 strömt über einen Kondensator 16, wobei im Bereich des Kondensators 16 das Kältemittel des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 abgekühlt wird und kondensiert. Hierbei wird Restwärme des Kältemittels abgegeben, zum Beispiel in die Umgebung.
Das im Bereich des Kondensators 16 abgekühlte und kondensierte Kältemittel des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 kann von einer Pumpe 17 wieder in Richtung auf den Vorwärmer 12 gefördert werden. Die für den Antrieb der Pumpe 17 benötigte, elektrische Energie kann vom Generator 15 oder der generatorisch betriebenen elektrischen Maschine bereitgestellt werden. Die Pumpe 17 treibt den Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 an und pumpt das flüssige Kältemittel desselben vom Kondensationsdruck auf Hochdruck in Richtung auf den Vorwärmer 12 und den Verdampfer 13. Die Pumpe 17 kann mechanisch oder elektrisch mit dem Expander 14 gekoppelt sein.
In 1 verfügt der Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 als optionale Baugruppe über einen weiteren Wärmetauscher 18. Über den weiteren Wärmetauscher 18 wird das Kältemittel des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 einerseits zwischen dem Expander 14 und dem Kondensator 16 und andererseits zwischen der Pumpe 17 und dem Vorwärmer 12 geführt. Dieser weitere Wärmetauscher 18 arbeitet als Rekuperator, welcher Restwärme des im Expander 14 entspannten Kältemittels stromabwärts des Expanders 14 aufnimmt und stromaufwärts des Vorwärmers 12 in das Kältemittel einkoppelt.
Das System 10 zur Energiewandlung und Energiespeicherung verfügt weiterhin über einen als Wasserspeicher 19 ausgebildeten thermischen Energiespeicher. Der Wasserspeicher 19 ist ausgebildet, um erhitztes Wasser ausgehend vom Wasserspeicher 19 dem Vorwärmer 12 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 bereitzustellen. Dies erfolgt über eine in 1 gezeigte Pumpe 20, welche erhitztes Wasser ausgehend von dem Warmwasserspeicher 19 in Richtung auf den Vorwärmer 12 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 fördern kann, und zwar abhängig von der Schaltstellung eines Ventils 21, welches in eine sich vom Wasserspeicher 19 in Richtung auf den Vorwärmer 12 erstreckende Wasserleitung für erhitztes Wasser integriert ist.
Der Wasserspeicher 19 ist ferner eingerichtet, um erhitztes Wasser von einem Kraftwerk 22 zu empfangen. Ferner ist der Verdampfer 13 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 ausgebildet, um das erhitzte Wasser vom Kraftwerk 22 zu empfangen. Die Verteilung des im Kraftwerk 22 erhitzten und vom Kraftwerk 22 bereitgestellten Wassers in Richtung auf den Verdampfer 13 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 und den Wasserspeicher 19 kann mithilfe eines Ventils 23 eingestellt werden. Dieses Ventil 23 ist in Wasserleitungen für erhitztes Wasser integriert, die sich zwischen dem Kraftwerk 22 und dem Wasserspeicher 19 sowie dem Verdampfer 13 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 erstrecken.
Der Wasserspeicher 19 ist ferner ausgebildet, um abgekühltes Wasser dem Kraftwerk 22 bereitzustellen. Dies erfolgt über eine Pumpe 24, die in eine sich vom Wasserspeicher 19 in Richtung auf das Kraftwerk 22 erstreckende Wasserleitung für abgekühltes Wasser integriert ist. Das dem Kraftwerk 22 bereitgestellte, abgekühlte Wasser wird im Bereich des Kraftwerks 22 erhitzt und als erhitztes Wasser abhängig von der Schaltstellung des Ventils 23 in Richtung auf den Verdampfer 13 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 und/oder in Richtung auf den Wasserspeicher 19 gefördert.
Erhitztes Wasser, welches ausgehend vom Kraftwerk 22 unmittelbar in Richtung auf den Verdampfer 13 geführt wird und im Bereich des Verdampfers 13 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 der Verdampfung des Kältemittels desselben dient, kann ausgehend vom Verdampfer 13 in Richtung auf den Wasserspeicher 19 geführt werden. Der Wasserspeicher 19 ist demnach ausgebildet, um vom Kraftwerk 22 bereitgestelltes erhitztes Wasser, welches über den Verdampfer 13 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs geführt wird, zu empfangen.
In 1 ist vorgesehen, dass der Wasserspeicher 19 weiterhin mit einem Wärmenetz 25 gekoppelt ist. Bei dem Wärmenetz 25 kann es sich um ein Fern-Wärmenetz oder Nah-Wärmenetz oder Industrie-Wärmenetz handeln, welches thermische Verbraucher umfasst.
Der Wasserspeicher 19 ist dann ferner ausgebildet, um erhitztes Wasser dem Wärmenetz 25 bereitzustellen, ferner um von dem Wärmenetz 25 abgekühltes Wasser zu empfangen.
Sowohl für das erhitzte Wasser, welches insbesondere vom Kraftwerk 22 in Richtung auf den Wasserspeicher 19 geführt wird, als auch für das abgekühlte Wasser, welches insbesondere vom Wärmenetz 25 in Richtung auf den Wasserspeicher 19 geführt wird, sind Bypassleitungen 26, 27 mit entsprechenden Ventilen 28, 29 vorhanden. Abhängig von der Schaltstellung des Ventils 28 kann demnach erhitztes Wasser am Wasserspeicher 19 vorbei direkt in Richtung auf das Wärmenetz 25 oder auch in Richtung auf den Vorwärmer 12 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 geführt werden. Abhängig von der Schaltstellung des Ventils 29 kann abgekühltes Wasser am Wasserspeicher 19 vorbei über den Bypass 27 dem Kraftwerk 22 zugeführt werden.
Beim Kraftwerk 22 handelt es sich vorzugsweise um ein thermisches Kraftwerk oder auch um ein Motorenkraftwerk. 1 zeigt exemplarisch mehrere Wärmetauscher 30a, 30b, 30c und 30d des Kraftwerks 22, die der schrittweisen Erhitzung des Wassers im Bereich des Kraftwerks 22 dienen.
Im Bereich des Wärmetauschers 30a erfolgt eine erste Erwärmung des Wassers auf ein relativ niedriges Temperaturniveau, zum Beispiel unter Nutzung der Abwärme, die bei einem Motorenkraftwerk in einem Schmierölkühler anfällt. In einem nachgeschalteten Wärmetauscher 30b kann die Erhitzung des Wassers auf ein nächsthöheres Temperaturniveau erfolgen, und zwar unter Nutzung der thermischen Energie, die in einem Ladeluftkühler anfällt. In einem Wärmetauscher 30c kann eine weitere Temperaturerhöhung erfolgen, und zwar unter Nutzung thermischer Energie, die in einem Zylinderkopf von Brennkraftmaschinen eines Motorenkraftwerks anfällt. Letztlich kann im Wärmetauscher 30d das Wasser noch stärker erhitzt werden, und zwar unter Nutzung thermischer Energie, die im Abgas der Brennkraftmaschine enthalten ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Wärmetauscher 30a bis 30d rein exemplarischer Natur sind.
1 zeigt weiterhin einen Kühler 31 des Kraftwerks 22, über welchen nicht nutzbare thermische Energie des Kraftwerks 22, zum Beispiel an die Umgebung abgeführt werden kann.
Der Wasserspeicher 19 dient als Bindeglied zwischen dem Kraftwerk 22, dem Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 und dem optionalen Wärmenetz 25.
Der Wasserspeicher 19 kann über Stunden und Tage thermische Energie effizient speichern. Der Wasserspeicher 19 kann als atmosphärischer Wasserspeicher oder auch als Druckwasserspeicher in Form eines Schichtenspeichers ausgeführt sein. Es können ein oder mehrere Wasserspeicher 19 vorhanden sein.
Der Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 dient der Wandlung thermischer Energie in elektrische Energie. Er verfügt über den Verdampfer 13 und den Vorwärmer 12. Über den Vorwärmer 12 kann thermische Energie des Wassers des Wasserspeichers 19 und über den Verdampfer 13 thermische Energie des im Kraftwerk 22 erhitzten Wassers genutzt werden. Dem Vorwärmer 12 kann auch Wasser ausgehend vom Wärmenetz 25 zugeführt werden. Im Vorwärmer 12 erfolgt noch keine Verdampfung des Kältemittels, dies erfolgt erst im Bereich des Verdampfers 13.
In 1 wird das System 10 vorzugsweise so betrieben, dass ein Wasser-Volumenstrom durch das Kraftwerk 22 und den Verdampfer 13 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 größer ist als ein Wasser-Volumenstrom durch den Vorwärmer 12 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11. Hierdurch verbleibt ein Teil der thermischen Energie im Wasserspeicher 19, um dieselbe insbesondere dem Wärmenetz 25 bereitzustellen.
In 1 ist der Kondensator 16 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 mit dem Kühler 31 des Kraftwerks 22 gekoppelt. Hierdurch ist es möglich, den Kühler 31 des Kraftwerks 22 für die Kühlung des Kältemittels des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 im Bereich des Kondensators 16 zu nutzen.
2 zeigt eine Weiterbildung des Systems 10 der 2, wobei sich das System 10 der 2 vom System 10 der 1 dadurch unterscheidet, dass das System 10 zusätzlich zu einem Wärmepumpen-Kreislauf 32 verschaltete Baugruppen aufweist, die zusammen mit den zum Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 verschalteten Baugruppen in ein Gesamtsystem integriert sind. Dabei nutzen dann Wärmepumpen-Kreislauf 32 und Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 dasselbe Kältemittel. Die Kreisläufe 11, 32 können jedoch nur zeitlich getrennt, also wechselweise, betrieben werden, wobei sich beim Wechsel zwischen dem Wärmepumpen-Kreislauf-Betrieb und dem Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf-Betrieb die Strömungsrichtung des Kältemittels ändert.
Als Baugruppen des Wärmepumpen-Kreislaufs 32 zeigt 2 einen Verdampfer 33, der als Wärmetauscher ausgebildet ist und beim Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 als Kondensator 16 dient. Im Verdampfer 33 wird im Wärmepumpen-Kreislauf 11 das Kältemittel unter Nutzung einer Wärmequelle verdampft und in Richtung auf einen Verdichter 34 des Wärmepumpen-Kreislaufs 32 geführt, welcher das im Bereich des Verdampfers 33 verdampfte Kältemittel des Wärmepumpen-Kreislaufs 32 verdichtet. Der Verdichter 34 wird von einem Motor 41 angetrieben. Der Motor 41 für den Wärmepumpen-Kreislauf 32 kann von der elektrischen Maschine bereitgestellt werden, die im Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 als Generator 15 betrieben wird.
Im Bereich von Wärmetauschern 35, 36 des Wärmepumpen-Kreislaufs 32 kann aus dem verdampften und verdichteten Kältemittel Wärme ausgekoppelt werden, und zwar in das Wasser, welches anschließend dem Wasserspeicher 19 zugeführt wird. Die Wärmetauscher 35 und 36 des Wärmepumpen-Kreislaufs 32 dienen im Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 als Verdampfer 13 und Vorwärmer 12.
Stromabwärts der Wärmetauscher 35, 36 des Wärmepumpen-Kreislaufs 32 wird das Kältemittel im Wärmepumpen-Kreislauf 32 über ein Entspannungsorgan 37 geführt, welches im gezeigten Ausführungsbeispiel von einem Expander bereitgestellt ist. Hierbei kann dann elektrische Energie gewonnen werden. Ausgehend vom Expander 37 strömt das Kältemittel des Wärmepumpen-Kreislaufs 11 wiederum in Richtung auf den Verdampfer 33.
Beim Betriebswechsel zwischen dem Wärmepumpen-Kreislauf 32 und dem Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 erfolgt eine Umkehr der Strömungsrichtung des Kältemittels. Für den Wärmepumpen-Kreislauf 32 werden der Expander 14 und die Pumpe 17 nicht benötigt. Vielmehr werden im Wärmepumpen-Kreislauf 32 der Verdichter 34 und der Expander 37 durchströmt. Im Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 werden hingegen der Verdichter 34 und der Expander 37 nicht durchströmt, sondern vielmehr der Expander 14 und die Pumpe 17.
In 2 sind die Strömungsmaschinen 14, 17, 34 und 37 exemplarisch auf einer Welle gezeichnet. Es ist jede Form einer mechanischen und elektrischen Zusammenlegung oder Einzelausführung der Strömungsmaschinen möglich.
Im Wärmepumpen-Kreislauf 32 dienen der Vorwärmer 12 und der Verdampfer 13 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 als Wärmeübertrager 35, 36. Diese Wärmetauscher 35, 36 sind im Wärmepumpen-Kreislauf 32 in Reihe durchströmt. Hierzu dient ein Ventil 38, welches im Wärmepumpen-Kreislauf 32 auf der Wasserseite die Wärmetauscher 35, 36 in Reihe schaltet und welches im Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 Vorwärmer 12 und Verdampfer 13 voneinander trennt.
Im Wärmepumpen-Kreislauf 32 kann den Wärmetauschern 35, 36 Wasser, auf welches die im Wärmepumpen-Kreislauf 32 Wärme zu übertragen ist, mithilfe einer Pumpe 39 ausgehend vom Wasserspeicher 19 bereitgestellt werden. Die im Wärmepumpen-Kreislauf 32 erzeugte thermische Energie kann entweder in den Wasserspeicher 19 eingespeichert werden oder auch direkt dem Wärmenetz 25 bereitgestellt werden.
Zum Verdampfer 33 des Wärmepumpen-Kreislaufs 32 kann ein weiterer Verdampfer 40 parallelgeschaltet sein, um zum Beispiel Wärme einer weiteren Wärmequelle zu nutzen. Ferner kann für den Wärmepumpen-Kreislauf 32 Wärme des Kraftwerks 22 als Wärmequelle genutzt werden. Hierbei kann es sich um Umgebungswärme handeln, die über den Kühler 31 des Kraftwerks zur Verdampfung des Kältemittels dient.
3 zeigt eine Abwandlung des Systems 10 der 2, wobei bei dem System der 3 die Baugruppen des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 und die Baugruppen des Wärmepumpen-Kreislaufs 32 wieder in ein Gesamtsystem integriert sind, sodass wiederum beide Kreisläufe dasselbe Kältemittel nutzen und nur zeitlich getrennt voneinander, und damit wechselweise, betreibbar sind.
In 3 ist jedoch im Unterschied zur 2 vorgesehen, dass der Verdichter 34 des Wärmepumpen-Kreislaufs 32 und der Expander 14 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 von einer gemeinsamen Baugruppe ausgebildet sind, insbesondere von einem Hubkolben-Verdichter-Expander. Ferner ist in 3 vorgesehen, dass der Expander 37 des Wärmepumpen-Kreislaufs 32 und die Pumpe 17 des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs 11 von einer gemeinsamen Baugruppe ausgebildet sind, insbesondere von einer Pump-Turbine, wie sie aus Pumpspeicherkraftwerken grundsätzlich bekannt ist.
Im Wärmepumpen-Kreislauf 32 dient der zusätzliche Wärmetauscher 18 dazu, Restwärme nach der Wärmeauskopplung im Bereich des Wärmetauschers 36 auf das Kältemittel stromaufwärts des Verdichters 34 zu übertragen. Hierdurch kann ein Verdichteraustritt 34 eine höhere Temperatur erreicht bzw. eine nasse Verdichtung vermieden werden.
Das erfindungsgemäße System 10 kann dazu genutzt werden, um thermische Energie im Wasserspeicher 19 einzuspeichern, diese im Wasserspeicher 19 gespeicherte thermische Energie sowie thermische Energie des Kraftwerks 22 dem Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 zur elektrischen Verstromung bereitzustellen, sowie das Wärmenetz 25 mit thermischer Energie zu versorgen. Weiterhin ist in 2 und 3 möglich, über den Wärmepumpen-Kreislauf 32 elektrische Energie in thermische Energie zu wandeln, um dieselbe im Wasserspeicher 19 einzuspeichern und/oder direkt dem Wärmenetz 25 bereitzustellen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt demnach ein Speichern von thermischer Energie des Kraftwerks 22 in mindestens einem als Wasserspeicher 19 ausgebildeten thermischen Energiespeicher. Thermische Energie kann in elektrische Energie über den Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 gewandelt werden. Dem Vorwärmer 12 wird dabei thermische Energie aus dem Wasserspeicher 19 und/oder aus dem Wärmenetz 25 bereitgestellt, dem Verdampfer 13 desselben wird thermische Energie unmittelbar vom Kraftwerk 22 bereitgestellt. Sind zusätzlich die Baugruppen des Wärmepumpen-Kreislaufs 32 vorhanden, so kann zusätzlich ein Wandeln von elektrischer Energie in thermische Energie erfolgen.
Das erfindungsgemäße System 10 kann in einem wärmegeführten Betrieb als auch in einem stromgeführten Betrieb betrieben werden. Im wärmegeführten Betrieb wird in erster Linie thermische Energie des Kraftwerks im Wasserspeicher 19 gespeichert und/oder direkt dem Wärmenetz 25 bereitgestellt. Ist ein Wärmepumpen-Kreislauf 32 vorhanden, so wird im wärmegeführten Betrieb ferner elektrische Energie in thermische Energie gewandelt. Im stromgeführten Betrieb des Systems 10 wird in erster Linie elektrische Energie erzeugt, und zwar dadurch, dass thermische Energie in elektrische Energie über den Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf 11 gewandelt wird. Diese thermische Energie wird ausgehend vom Kraftwerk 22, ausgehend vom Wasserspeicher 19 und ggf. ausgehend vom Wärmenetz 25 bereitgestellt.
Die Erfindung erlaubt eine hocheffiziente Energiespeicherung und Energiewandlung sowie flexible Nutzung der gespeicherten Energie als thermische Energie und/oder elektrische Energie im Megawatt-Maßstab.
Bezugszeichenliste

10: System
11: Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf
12: Vorwärmer
13: Verdampfer
14: Expander
15: elektrische Maschine
16: Wärmetauscher
17: Entspannungsorgan
18: Wärmetauscher
19: Wasserspeicher
20: Pumpe
21: Ventil
22: Kraftwerk
23: Ventil
24: Pumpe
25: Wärmenetz
26: Bypass
27: Bypass
28: Ventil
29: Ventil
30a: Wärmetauscher
30b: Wärmetauscher
30c: Wärmetauscher
30d: Wärmetauscher
31: Kühler
32: Wärmepumpen-Kreislauf
33: Verdampfer
34: Verdichter
35: Wärmetauscher
36: Wärmetauscher
37: Expander
38: Ventil
39: Pumpe
40: Wärmetauscher
41: Motor

Claims

System (10) zur Energiewandlung und Energiespeicherung, mit zu einem Organic-Rankine-Cycle-Kreislauf (11) verschalteten Baugruppen, nämlich zumindest mit einem Vorwärmer (12) zur Vorwärmung eines Kältemittels, mit einem Verdampfer (13) zur Verdampfung des vorgewärmten Kältemittels, mit einem Expander (14) zur Entspannung des verdampften Kältemittels unter Antreiben eines Generators (15) zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einem Kondensator (16) zur Abkühlung und Kondensation des entspannten Kältemittels, und mit einer Pumpe (17) zur Förderung des Kältemittels vom Kondensator (16) in Richtung auf den Vorwärmer (12), mit mindestens einem als Wasserspeicher (19) ausgebildeten thermischen Energiespeicher, wobei der mindestens eine Wasserspeicher (19) ausgebildet ist, um erhitztes Wasser zumindest dem Vorwärmer (12) des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (11) bereitzustellen, wobei der mindestes eine Wasserspeicher (19) und der Verdampfer (13) des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (11) ausgebildet sind, um erhitztes Wasser von einem Kraftwerk (22) zu empfangen.
System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestes eine Wasserspeicher (19) ferner ausgebildet ist, um abgekühltes Wasser dem Kraftwerk (22) bereitzustellen.
System (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestes eine Wasserspeicher (19) ferner ausgebildet ist, um vom Kraftwerk (22) bereitgestelltes erhitztes Wasser, welches über den Verdampfer (13) des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (11) geführt wird, zu empfangen.
System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (16) des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (11) mit einem Kühler (31) des Kraftwerks (22) koppelbar ist, um das Kältemittel des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (11) zu kühlen.
System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk ein thermisches Kraftwerk oder ein Motorenkraftwerk ist.
System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestes eine Wasserspeicher (19) ferner ausgebildet ist, um erhitztes Wasser einem Wärmenetz (25) bereitzustellen und um vom Wärmenetz (25) abgekühltes Wasser zu empfangen.
System (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmenetz (25) ein Fern- oder Nah- oder Industrie-Wärmenetz ist.
System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch zu einem Wärmepumpen-Kreislauf (32) verschalteten Baugruppen, nämlich zumindest mit einem Verdampfer (33) zur Verdampfung eines zweiten Kältemittels, mit einem unter Nutzung elektrischer Energie antreibbaren Verdichter (34) zur Verdichtung des verdampften zweiten Kältemittels, mit einem Wärmetauscher (35, 36) zur Auskopplung thermischer Energie aus dem zweiten verdampften und verdichteten Kältemittel und zur Einspeicherung derselben in Wasser, welches in dem mindestens einen Wasserspeicher (19) speicherbar ist, und mit einem Entspannungsorgan (37) zur Entspannung des zweiten Kältem ittels.
System (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Baugruppen des Wärmepumpen-Kreislaufs (32) und die ersten Baugruppen des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (11) in ein Gesamtsystem integriert sind, derart, dass die beide Kreisläufe dasselbe Kältemittel nutzen, jedoch zeitlich nur getrennt, nämlich wechselweise, betreibbar sind.
System (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (33) des Wärmepumpen-Kreislauf (32) mit einem Kühler (31) des Kraftwerks (22) koppelbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Systems (10) zur Energiewandlung und Energiespeicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit folgenden Schritten: Speichern von thermischer Energie des Kraftwerks (22) in mindestens einem als Wasserspeicher (19) ausgebildeten thermischen Energiespeicher, Wandeln von thermischer Energie in elektrische Energie über die Baugruppen des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (11), wobei dem Vorwärmer (12) des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (11) erhitztes Wasser ausgehend von dem mindestens einen Wasserspeicher (19) zugeführt wird, und wobei dem Verdampfer (13) des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (11) erhitztes Wasser ausgehend von dem Kraftwerk (22) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Wandeln von elektrischer Energie in thermische Energie über die Baugruppen des Wärmepumpen-Kreislaufs (32), wobei im Wärmepumpen-Kreislauf (32) erhitztes Wasser dem mindestens einen Wasserspeicher (19) zum Speichern thermischer Energie zugeführt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Systems (10) zur Energiewandlung und Energiespeicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, insbesondere nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem wärmegeführten Betrieb des Systems (10) thermische Energie des Kraftwerks (22) und im Wärmepumpen-Kreislauf (32) erzeugte thermische Energie in dem mindestens einen Wasserspeicher (19) gespeichert und vorzugsweise dem Wärmenetz (25) bereitgestellt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Systems (10) zur Energiewandlung und Energiespeicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, insbesondere nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem stromgeführten Betrieb des Systems (10) thermische Energie in elektrische Energie über die Baugruppen des Organic-Rankine-Cycle-Kreislaufs (11) gewandelt wird.