EP2653670A1 - Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie mit einem Wärmespeicher und einem Kältespeicher und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents

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EP2653670A1
EP2653670A1 EP12164473.6A EP12164473A EP2653670A1 EP 2653670 A1 EP2653670 A1 EP 2653670A1 EP 12164473 A EP12164473 A EP 12164473A EP 2653670 A1 EP2653670 A1 EP 2653670A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
line
fluid energy
cold
storage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12164473.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Reznik
Henrik Stiesdal
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to US14/394,094 priority patent/US20150136351A1/en
Priority to PCT/EP2013/056549 priority patent/WO2013156284A1/de
Priority to EP13713841.8A priority patent/EP2825737A1/de
Priority to CN201380025836.0A priority patent/CN104302876A/zh
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/12—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having two or more accumulators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled

Definitions

  • the invention relates to a system for storage and release of thermal energy with a heat storage and a cold storage, wherein the heat storage can deliver the stored energy to a first line in a Endladeniklauf for a working medium at a suitable delivery point.
  • the following units are interconnected in the order indicated by this first line: a first thermal fluid energy machine (in particular a pump) connected as a working machine, a discharge point (for example a heat exchanger) for heat from the heat accumulator and a second one connected as an engine thermal fluid energy machine (for example, a steam turbine).
  • the described arrangement of the units in the discharge circuit makes it possible that the stored energy in the heat storage is delivered to the working medium and the engine connected as a second thermal fluid energy machine is used for example for driving an electric generator.
  • a charging circuit is required, which can be realized either by the first line or by another line.
  • the invention also relates to a process which is carried out with the plant described.
  • thermal fluid energy machine used as a work machine is thus operated as a compressor or as a compressor.
  • an engine performs work, wherein a thermal fluid energy machine for performing the work available in the working gas thermal Energy converts.
  • the thermal fluid energy machine is thus operated as a motor.
  • thermal fluid energy machine forms a generic term for machines that can extract a thermal energy from a working fluid, in the context of this application, a working gas such as air or water vapor, or thermal energy.
  • thermal energy is meant both thermal energy and cold energy.
  • Thermal fluid energy machines (also abbreviated to fluid energy machines in the following) can be embodied as piston machines, for example.
  • hydrodynamic thermal fluid energy machines can be used, the wheels allow a continuous flow of the working gas.
  • axially acting turbines or compressors are used.
  • the object of the invention is to provide a system for storage and release of thermal energy of the type specified (for example, conversion of mechanical energy into thermal energy with subsequent storage or conversion of the stored thermal energy into mechanical energy) and a method for their operation, with a relatively high efficiency at the same time reasonable cost of the units used is possible.
  • the cold storage can deliver the stored cold to a second line at a suitable delivery point, the second line forms a closed circuit.
  • the following units in the order specified by the second line are connected to each other: behind the said delivery point for the stored cold storage in the cold storage (ie the point at which the cold storage can deliver the stored cold to the second line) is as Work machine switched third thermal fluid energy machine (for example, a pump) provided, then a heat source is provided and then a switched as an engine thermal fluid energy machine (for example, a steam turbine) is provided.
  • Suitable heat source media are those which have a higher temperature level compared to the temperature level of the cold storage.
  • the cold storage in the charged state has a temperature level that is below the ambient conditions, as a heat source, the environment of the system can be used (for example, river water).
  • the waste heat or residual heat of another process is used, wherein the temperature level of this process is above the ambient temperature.
  • This process may be, for example, a gas turbine cycle. If the gas for this supplied in liquid form and must first be evaporated, this process can be used, for example, to charge the cold storage.
  • Other configurations are explained in more detail below. Among these is in particular the thermal energy storage to call, as this has already been explained.
  • a working medium is provided in the first line and in the second line, which undergoes a thermodynamic process for energy storage or energy recovery in the circuit.
  • This may be present in gaseous or liquid form.
  • the fluid energy machines must each be optimized for the medium. Will this be in liquid form encouraged, the choice of a pump is particularly advantageous.
  • hydrodynamic fluid energy machines (turbo-compressors) are preferably used.
  • the basic idea of the invention is that the available in the system heat storage and the available cold storage can be used independently in two Endladenik151. This makes it particularly possible to use the waste heat of operated with the heat storage Endladenikonnees operated in the cold storage Endladeniklauf. As a result, the yield of energy stored in the heat storage and in the cold storage energy is advantageously increased, whereby the overall efficiency of the system can be increased.
  • the heat source consists of a first heat exchanger, which can withdraw heat from the first line and is arranged between the third fluid energy machine and the fourth fluid energy machine.
  • This arrangement and mode of operation of the first heat exchanger makes it possible, as already indicated, that the waste heat of the discharge circuit formed in the first line can be utilized in the discharge circuit formed by the second line.
  • This temperature level is higher than that of the environment, whereby advantageously the yield of the discharge or discharge of the cold accumulator can be increased.
  • the discharge point for the heat storage is formed by a fifth heat exchanger, which can supply heat to the first line and which is connected in a circuit formed by a fourth line.
  • the following units are connected to each other in this circuit: the fifth heat exchanger, a tenth thermal fluid energy machine connected as a working machine and the heat accumulator.
  • This provides a configuration in which the heat storage is not directly integrated into the Endladeniklauf the first line, but is connected to this via a heat exchanger (fifth heat exchanger).
  • This heat exchanger is connected by the fourth line in a circuit with the heat storage 14.
  • the fluid energy machine circulates the working medium in the fourth line, so that the energy stored in the heat accumulator 14 can be supplied to the heat exchanger.
  • the fifth heat exchanger is particularly advantageously designed as a waste heat steam generator.
  • Such heat exchangers are often referred to as waste heat boiler or as HRSG (Heat Recovery Steam Generator).
  • the waste heat steam generator is advantageously operated with water, so that commercially available steam turbines for generating mechanical energy can be used in the cycle formed by the first line.
  • the heat accumulator 14 can be operated via the fourth line, for example, with air as the working medium. This has the advantage that even larger heat storage can be produced inexpensively, as any leaks in the circuit pose no threat to the environment.
  • the waste heat steam generator (ie the fifth heat exchanger) and the second thermal fluid energy machine also have a plurality of pressure stages. These pressure levels are formed by the fact that both in the heat exchanger and in the fluid energy machine corresponding pressure levels are available, which are each connected to each other with lines. As a result, the yield and thus the efficiency of the discharge process can be advantageously further increased.
  • the discharge point for the stored in the cold storage cold consists of a third heat exchanger, which can deliver heat to the second line and in through a third line formed cooling circuit is integrated.
  • the following units are connected to one another in this cooling circuit: the third heat exchanger, a fifth thermal fluid energy machine connected as a working machine, and the cold storage.
  • the fluid energy machine circulates the working medium in the third line.
  • the stored in the cold storage cold energy is discharged through the third heat exchanger to the second line, where work can be done on the fourth fluid energy machine.
  • This separation of the circuits via the second and the third line has the advantage that the cycle formed via the second line can be kept as small as possible.
  • ammonia can be used as a working medium and operated under the associated high technical safety requirements.
  • air can be used as the working medium. This is particularly advantageous if the cold storage has a large volume due to the capacity requirements.
  • Yet another embodiment of the invention provides that in the second line between the third thermal fluid energy machine and the first heat exchanger, a fourth heat exchanger is provided, which allows a heat input from the environment of the system in the second line. It must be taken into account here that the cold storage has a temperature level which is below the atmospheric ambient conditions. Therefore, heat can be supplied to the working medium in a first step from the environment before the heat is used in a second step, which is provided in the heat storage or in the residual heat of the Endladeniklaufes the heat storage. The ambient heat is thus the process additionally available, whereby the efficiency of the system can be improved.
  • the object stated at the outset is also achieved by a method for storing and emitting thermal energy achieved by a heat storage and a cold storage, in which emits the stored energy to a first line in a Endladeniklauf for a working medium during the Endladezyklusses.
  • the following units are arranged in the order indicated via a first line and are flowed through in this order by the working fluid: a working machine connected as a first thermal fluid energy machine (in particular a pump), a heat transfer point from the heat accumulator and a as an engine connected second thermal fluid energy machine (in particular a steam turbine).
  • the cold storage gives the stored refrigeration to a second line
  • the second line forms a closed circuit in which the following units are traversed in the order indicated on the second line: behind said discharge point for the Refrigeration stored in the cold accumulator is a third thermal fluid energy machine (in particular a pump) connected as a working machine, a heat source and a fourth thermal fluid energy machine connected as an engine, in particular a steam turbine.
  • FIG. 1 First, a two-stage charging process is shown, which works on the principle of a heat pump. Shown is an open charging circuit, however, as indicated by dash-dotted lines, could be closed using an optional heat exchanger 17b.
  • the conditions in the working gas, which in the embodiment FIG. 1 consists of air, are each shown on the lines 30, 31 in circles. At the top left is the pressure in bar. Top right, the enthalpy is given in KJ / Kg. Bottom left is the temperature in ° C and bottom right is the mass flow in kg / s. The flow direction of the gas is indicated by arrows in the relevant line (these arrows and circles are also used in the other figures).
  • the isentropic efficiency ⁇ c can be assumed to be a compressor with 0.85.
  • the heated working gas now passes through the heat storage 14, where the majority of the available thermal energy is stored.
  • the working gas cools to 20 ° C, while the pressure is maintained at 15 bar.
  • the working gas is expanded in two series-connected stages 35a, 35b of a seventh fluid energy machine 35, so that it arrives at a pressure level of 1 bar.
  • the working gas cools to 5 ° C after the first stage and to -100 ° C after the second stage.
  • the basis for this calculation is also the formula given above.
  • a water separator 29 is additionally provided in the part of the third line 31, which connects the two stages of the seventh fluid energy machine 35a, 35b in the form of a high-pressure turbine and a low-pressure turbine. This allows after a first relaxation, a drying of the air, so that the humidity contained in this second stage 35b of the seventh fluid energy machine 35 does not lead to icing of the turbine blades.
  • the relaxed and therefore cooled working gas withdraws heat from the cold storage 16 and is thereby heated to 0 ° C.
  • cold energy is stored in the cold storage 16, which can be used in a subsequent energy production.
  • the heat exchanger 17b must be provided.
  • the working gas can be reheated to an ambient temperature of 20 ° C, whereby the environment heat is removed, which is provided to the process.
  • such a measure can be omitted if the working gas is sucked directly from the environment, since this already has ambient temperature.
  • the additional heat storage 12 when passing through the charging circuit of the third line 31, a preheating can be done by the additional heat storage 12, an additional circuit is realized by an additional line 30, with which the additional heat storage 12 can be charged.
  • the additional heat accumulator 12 must therefore be able to be connected both to the charging circuit of the third line 31 and to the additional circuit of the additional line 30.
  • a connection to the third line 31 takes place through the valves A, while a connection to the additional line 30 is ensured by opening the valves B.
  • the air When passing through the additional line 30, the air is first passed through an eighth fluid energy machine 36, which operates as a compressor. The compressed air is passed through the additional heat storage 12, wherein the flow direction according to the indicated arrows runs exactly opposite to the charging circuit formed by the third line 31.
  • the air After the air was brought from ambient pressure (1 bar) and ambient temperature (20 ° C) through the compressor to 4 bar and a temperature of 188 ° C, the air is cooled by the additional heat storage 12 back to 20 ° C. Subsequently, the air is decompressed in two stages through the stages 37a, 37b of a ninth fluid energy machine 37, which operates as a turbine. Again, in the two stages 37 a, 37 b connecting additional line 30, a water separator 29 is provided, which works the same as that in the third line 31 located. After releasing the air via the ninth fluid energy machine 37, this has a temperature of -56 ° C at ambient pressure (1 bar).
  • a heat exchanger 17c must be provided so that the air from -56 ° C can be warmed up by heat absorption from the environment to 20 ° C.
  • the circuits of the third line 31 and the additional line 30 are set independently. Therefore, the sixth and seventh fluid energy machines are mechanically coupled via the shaft 21 to a motor M1 and the eighth and ninth fluid energy machines via the other shaft 21 to a motor M2. With overcapacities of the wind turbine 22, the electrical energy can first drive the motor M2 to charge the additional heat storage 12. Subsequently, by operation of the motor M1 and simultaneous discharge of the additional heat accumulator 12, the heat accumulator 14 and the cold accumulator 16 can be charged. Subsequently, by the operation of the motor M2 and the additional heat storage 12 can be recharged. When all accumulators are fully charged, an effective discharge cycle can be initiated to generate electrical energy (cf. FIG. 2 ). Should the excess capacity of the wind power plant 22 end, however, without the additional heat storage 12 could be charged, the energy provided in this can also be replaced by another heat source 41, or it is only the heat storage 14 is used (see. FIG. 2 ).
  • the system is now operated with a discharge circuit, which is realized by a first line 40.
  • the line 40 is a closed circuit.
  • Water is through the additional heat storage 12, the heat storage 14 and optionally by a further heat source 41, z. B. district heating, via a heat exchanger 42 and overheated and passes through the line 40 (valves C and D are closed) to a third thermal fluid energy machine 43.
  • This is constructed in two stages, consisting of a high-pressure turbine 43a and a low-pressure turbine 43b, to be run one after the other.
  • the high-pressure turbine is supplied with steam of a pressure p h .
  • the low-pressure turbine 43b satisfies steam at a lower pressure of p 1 .
  • the third fluid energy machine 43 drives a generator G via a further shaft 21. This generates power if necessary, while the thermal storage 12, 14, 16 are discharged (Rankine cycle).
  • the refrigeration energy stored in the cold storage 16 is provided to the cycle formed by the first conduit 40 not directly but via a first heat exchanger 51.
  • the first heat exchanger 51 is part of a circuit formed by a second conduit 52. This circuit itself serves to generate energy, which can be obtained via a fourth fluid energy machine 53 in the circuit of the second line 52.
  • the fourth fluid energy machine 53 is connected to a generator G via a shaft 54.
  • the fourth fluid energy machine 53 drives a fifth fluid energy machine 55, which is used as a compressor (more on this in the following).
  • the refrigeration energy from the cold storage 16 is therefore used primarily for energy production in the cycle formed by the second conduit 52 (for example, by a Rankine cycle with ammonia).
  • the cycle formed by the first line 40 benefits only indirectly from this cooling energy.
  • the cycle formed by the second conduit 52 benefits from the heat energy which is introduced into the process via the first heat exchanger. This explains the improvement in the overall efficiency of the system.
  • the cooling energy can be supplied from the cold storage 16 via a circuit formed by a third line 56 again indirectly via a third heat exchanger 57 of the second line 52.
  • the third heat exchanger 57 in provided the second line.
  • a third fluid energy machine in the form of a pump 58 then follows in the second conduit as seen in the direction of flow.
  • ambient heat can for example be fed from a flow via a fourth heat exchanger 59 into the working fluid of the second conduit 52 before it passes through the first heat exchanger 51.
  • the cooling energy is supplied from the cold storage 16 via the third line to the third heat exchanger 57.
  • the fifth fluid energy machine is provided, which causes a circulation of the working fluid in the third conduit.
  • the drive takes place directly via the shaft 54 through the fourth fluid energy machine 53.
  • this circuit formed by the third line 56 could also be omitted and, instead of the third heat exchanger 57, the cold storage 16 be provided directly in the second line 52. This is indicated by dash-dotted lines.
  • the second line 52 would be connected directly to a channel system in the cold storage 16, which causes an increase in surface area in the cold storage 16 (more on this in the following).
  • valve D By operating the valves C and D, the efficiency of the system can be improved in certain operating conditions.
  • the valve D is located in a first bypass line 46, with the opening of the valve D, the high pressure turbine 43 a can be bypassed. This operating state makes sense if the temperature in the heat accumulator 14 is no longer sufficient to overheat the steam under high pressure conditions. The latter may be due to a partial discharge or not yet complete charging of the heat accumulator 14.
  • the heat accumulator 14 is completely emptied while the additional heat accumulator 12 has already been charged.
  • This condition can arise, for example, when additional energy through the wind power plant 22 has only recently Time was made available, but now an excess demand for electrical energy to be covered.
  • the valve C of a second bypass line 47 can be switched.
  • the heat accumulator 14 is bypassed by the bypass line 47, so that the additional heat accumulator 12 can be emptied via the low-pressure turbine 43 b. Therefore, thermal energy is already available in the system, which can be converted by the generator G into electrical energy with satisfactory efficiency.
  • the cold storage 16 is not yet charged, as this is charged together with the heat storage 14.
  • a capacitor 45 is thus switched via the valve F.
  • FIG. 3 is another embodiment of the system in its overall view shown as a block diagram. Unlike in the FIGS. 1 and 2 Here, a uniform representation has been selected. The circuits formed by the second line 52 and the third line 56 are substantially analogous to FIG. 2 executed.
  • FIG. 3 a simpler system for charging the cold accumulator 16 and the heat accumulator 14 as in FIG. 1 shown.
  • the heat accumulator 14 is charged by an open circuit, which is realized by the line 60.
  • a compressor 61 ambient air is supplied via a line 60, passes through a heat exchanger 32, where the air is heated to 480 ° C and releases this heat during the passage of the heat accumulator 14 to this.
  • the heat exchanger 32 is also passed through a conduit 63 which forms the circuit with which the cold storage 16 is cooled.
  • the working fluid in the conduit 63 After the working fluid in the conduit 63 has passed through the cold storage tank 16, it is compressed by a compressor 64 from ambient conditions to 25 bar and heated to 514 ° C, passes through the heat exchanger 32 and is then expanded via a turbine 65 back to 1.1 bar , The temperature drops -121 ° C. Subsequently, the working medium in the cold storage 16 again absorbs heat and thereby cools it.
  • the compressor 64 and the turbine 65 are seated on a shaft 66 and may additionally be driven by a motor M connected to this shaft 66.
  • the heat accumulator 14 is not integrated directly into the cycle formed by the first conduit 40. Rather, another circuit is formed by a fourth conduit 67, in which the following units are passed through at a constant pressure of about 1 bar.
  • the heated to 476 ° C working fluid for example, air
  • the heat exchanger 68 releases the heat to the first line 40 and cools to 91 ° C (more on this in the following).
  • the fourth line 67 passes through the first heat exchanger 51, so that the residual heat, which was not discharged via the fifth heat exchanger 68 to the first line, can be delivered to the second line 52.
  • the working medium can be further cooled in the course of a condenser 69, wherein the capacitor 69 is also a heat exchanger, which is provided in the first conduit 40 (for more on this later).
  • the capacitor 69 is also a heat exchanger, which is provided in the first conduit 40 (for more on this later).
  • the working fluid then returns to the heat storage 14, where this is heated again.
  • the fourth conduit 67 may also be formed as an open circuit in which the dash-dotted part of the line between the capacitor 69 and the tenth fluid energy machine 70 is omitted.
  • the first line 40 forms a circuit with which current can be obtained via a shaft 71 at a generator G.
  • a circuit is operated with water, wherein the fifth heat exchanger 68 is operated as a multi-stage waste heat steam generator with a high pressure stage 68a and a low pressure stage 68b (Rankine cycle).
  • the water is fed to ambient temperature by a feed pump 44a with 5.5 bar initially in the low pressure stage 68b of the fifth heat exchanger 68.
  • One part leaves this low pressure stage 68b at 4.1 bar and 145 ° C to be fed to the low pressure stage 43b of the second thermal fluid energy machine (as steam).
  • Another part is fed by a second feed pump 44b in the liquid state, the high-pressure stage 68a of the fifth heat exchanger 68 and leaves it as steam at 80 bar and 459 ° C to the high-pressure stage 43a of the second thermal fluid energy machine 43 to be supplied.
  • Both the fourth and second thermal fluid energy machines drive a shaft 71, which is connected to a generator G. After relaxation of the vapor to 0.03 bar at 24 ° C this is fed back via the capacitor 69 of the feed pump 44a.
  • the structure of the heat accumulator 14 and the cold accumulator 16 and the additional heat storage in the system in the figures is the same and is by an enlarged detail on the basis of the cold storage 16 in FIG. 1 shown in more detail.
  • a container whose wall 24 is provided with an insulating material 25 having large pores 26.
  • Inside the container concrete 27 is provided, which acts as a heat storage or cold storage.
  • pipes 28 are laid parallel running through which the working gas flows and thereby emits heat or absorbs heat (depending on the mode and storage).
  • FIGS. 1 to 3 can also be combined with each other, so that this results in further embodiments.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie sowie ein Verfahren zu deren Betrieb. Diese Anlage weist einen Wärmespeicher (14) und einen Kältespeicher (16) auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wärmespeicher (14) und der Kältespeicher (16) in zwei getrennten Endladekreisläufen (40, 52) entladen werden, wobei die thermische Energie beispielsweise über einen Generator (G) in elektrische Energie umgesetzt wird. Hierbei kann vorteilhaft die Restwärme aus dem Prozess im Kreislauf (40) über einen ersten Wärmetauscher (51) dem Prozess im Kreislauf (52) zugeführt werden, wodurch der Gesamtwirkungsgrad vorteilhaft verbessert wird. Vorteilhaft kann weiterhin die Wärme aus dem Wärmespeicher (14) über einen Abhitze-Dampferzeuger (68) in den ersten Kreislauf (40) übertragen werden. Der Wärmespeicher (14) und der Kältespeicher (16) können beispielsweise mit überschüssiger Energie aus dem elektrischen Netz über einen Motor (M) aufgeladen werden. Hierdurch können beispielsweise überschüssige Energiereserven alternativer Energieressourcen gespeichert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie mit einem Wärmespeicher und einem Kältespeicher, wobei der Wärmespeicher die gespeicherte Energie an eine erste Leitung in einem Endladekreislauf für ein Arbeitsmedium abgeben kann an einer geeigneten Abgabestelle. In dem Endladekreislauf sind folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch diese erste Leitung miteinander verbunden: eine als Arbeitsmaschine geschaltete erste thermische Fluidenergie-Maschine (insbesondere eine Pumpe), eine Abgabestelle (beispielsweise ein Wärmetauscher) für Wärme aus dem Wärmespeicher und eine als Kraftmaschine geschaltete zweite thermische Fluidenergie-Maschine (beispielsweise eine Dampfturbine). Die beschriebene Anordnung der Einheiten im Endladekreislauf ermöglicht es, dass die in dem Wärmespeicher gespeicherte Energie an das Arbeitsmedium abgegeben wird und die als Kraftmaschine geschaltete zweite thermische Fluidenergie-Maschine beispielsweise zum Antrieb eines elektrischen Generators genutzt wird. Zur Speicherung der thermischen Energie im Wärmespeicher und im Kältespeicher ist umgekehrt ein Ladekreislauf erforderlich, der wahlweise durch die erste Leitung oder durch eine andere Leitung verwirklicht sein kann. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren, das mit der beschriebenen Anlage durchgeführt wird.
  • Die Begriffe Kraftmaschine und Arbeitsmaschine werden im Rahmen dieser Anmeldung so verwendet, dass eine Arbeitsmaschine mechanische Arbeit aufnimmt, um ihren Zweck zu erfüllen. Eine thermische Fluidenergie-Maschine, die als Arbeitsmaschine verwendet wird, wird somit als Verdichter oder als Kompressor betrieben. Demgegenüber verrichtet eine Kraftmaschine Arbeit, wobei eine thermische Fluidenergie-Maschine zur Verrichtung der Arbeit die im Arbeitsgas zur Verfügung stehende thermische Energie umwandelt. In diesem Fall wird die thermische Fluidenergie-Maschine also als Motor betrieben.
  • Der Begriff "thermische Fluidenergie-Maschine" bildet einen Oberbegriff für Maschinen, die einem Arbeitsfluid, im Zusammenhang mit dieser Anmeldung ein Arbeitsgas wie Luft oder Wasserdampf, thermische Energie entziehen oder diesem thermische Energie zuführen können. Unter thermischer Energie ist sowohl Wärmeenergie als auch Kälteenergie zu verstehen. Thermische Fluidenergie-Maschinen (im folgenden auch kürzer als Fluidernergie-Maschinen bezeichnet) können beispielsweise als Kolbenmaschinen ausgeführt sein. Bevorzugt können auch hydrodynamische thermische Fluidenergie-Maschinen verwendet werden, deren Laufräder einen kontinuierlichen Fluss des Arbeitsgases erlauben. Vorzugsweise kommen axial wirkende Turbinen bzw. Verdichter zum Einsatz.
  • Das eingangs angegebene Prinzip ist beispielsweise gemäß der WO 2009/044139 A2 beschrieben. Hier kommen Kolbenmaschinen zum Einsatz, um das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Gemäß der US 5,436,508 ist es überdies bekannt, dass mittels der eingangs angegebenen Anlagen zur Speicherung thermischer Energie auch Überkapazitäten bei der Nutzung von Windenergie zur Herstellung elektrischen Stroms zwischengespeichert werden können, um diese im Bedarfsfall wieder abzurufen.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie der eingangs angegebenen Art (beispielsweise Wandlung von mechanischer in thermische Energie mit anschließender Speicherung oder Wandlung der gespeicherten thermischen Energie in mechanische Energie) und ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben, mit der ein vergleichsweise hoher Wirkungsgrad bei gleichzeitig vertretbarem Aufwand der verwendeten Baueinheiten möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Anlage erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kältespeicher die gespeicherte Kälte an eine zweite Leitung an einer geeigneten Abgabestelle abgeben kann, wobei die zweite Leitung einen geschlossenen Kreislauf bildet. In diesem Kreislauf sind folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch die zweite Leitung miteinander verbunden: hinter der genannten Abgabestelle für die in dem Kältespeicher gespeicherte Kälte (also der Stelle, an der der Kältespeicher die gespeicherte Kälte an die zweite Leitung abgeben kann) ist eine als Arbeitsmaschine geschaltete dritte thermische Fluidenergie-Maschine (beispielsweise eine Pumpe) vorgesehen, dann ist eine Wärmequelle vorgesehen und dann ist eine als Kraftmaschine geschaltete thermische Fluidenergie-Maschine (beispielsweise eine Dampfturbine) vorgesehen. Als Wärmequelle eignen sich Medien, welche im Vergleich zum Temperaturniveau des Kältespeichers ein höheres Temperaturniveau aufweisen. Wenn der Kältespeicher im aufgeladenen Zustand ein Temperaturniveau aufweist, welches unter den Umgebungsbedingungen liegt, kann als Wärmequelle die Umgebung der Anlage genutzt werden (beispielsweise Flusswasser). Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Abwärme oder Restwärme eines anderen Prozesses genutzt wird, wobei das Temperaturniveau dieses Prozesses über der Umgebungstemperatur liegt. Dieser Prozess kann beispielsweise ein Gasturbinenkreislauf sein. Wird das Gas für diesen in flüssiger Form angeliefert und muss erst verdampft werden, kann dieser Prozess beispielsweise zur Aufladung des Kältespeichers verwendet werden. Andere Konfigurationen werden im Folgenden noch näher erläutert. Hierunter ist insbesondere die thermische Energiespeicherung zu nennen, wie diese eingangs bereits erläutert wurde.
  • In der ersten Leitung und in der zweiten Leitung ist jeweils ein Arbeitsmedium vorgesehen, welches im Kreislauf einen thermodynamischen Prozess zur Energiespeicherung oder Energiegewinnung durchläuft. Hierbei kann dieses gasförmig oder flüssig vorliegen. Die Fluidenergie-Maschinen müssen jeweils auf das Medium optimiert sein. Wird dieses in flüssiger Form gefördert, so ist die Wahl einer Pumpe besonders vorteilhaft. Im Falle der Förderung im gasförmigen Zustand kommen bevorzugt hydrodynamische Fluidenergie-Maschinen (TurboVerdichter) zum Einsatz.
  • Grundlegender Gedanke der Erfindung ist es, dass der in der Anlage zur Verfügung stehende Wärmespeicher und der zur Verfügung stehende Kältespeicher unabhängig voneinander in zwei Endladekreisläufen genutzt werden können. Hierdurch wird es insbesondere möglich, die Abwärme des mit dem Wärmespeicher betriebenen Endladekreislaufes in den mit dem Kältespeicher betriebenen Endladekreislauf nutzen zu können. Hierdurch wird die Ausbeute der im Wärmespeicher und im Kältespeicher gespeicherten Energie vorteilhaft erhöht, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Anlage gesteigert werden kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmequelle aus einem ersten Wärmetauscher besteht, der der ersten Leitung Wärme entziehen kann und zwischen der dritten Fluidenergie-Maschine und der vierten Fluidenergie-Maschine angeordnet ist. Diese Anordnung und Funktionsweise des ersten Wärmetauschers ermöglicht es wie bereits angedeutet, dass die Abwärme des im durch die erste Leitung gebildeten Endladekreislaufes in dem durch die zweite Leitung gebildeten Endladekreislauf genutzt werden kann. Dieses Temperaturniveau liegt höher als das der Umgebung, wodurch vorteilhaft die Ausbeute der Abgabe bzw. Entladung des Kältespeichers vergrößert werden kann.
  • Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Abgabestelle für den Wärmespeicher durch einen fünften Wärmetauscher gebildet ist, der der ersten Leitung Wärme zuführen kann und der in einen durch eine vierte Leitung gebildeten Kreislauf geschaltet ist. In diesen Kreislauf sind folgende Einheiten miteinander verbunden: der fünfte Wärmetauscher, eine als Arbeitsmaschine geschaltete zehnte thermische Fluidenergie-Maschine und der Wärmespeicher. Hiermit wird eine Konfiguration zur Verfügung gestellt, bei der der Wärmespeicher nicht direkt in den Endladekreislauf der ersten Leitung eingebunden ist, sondern mit diesem über einen Wärmetauscher verbunden ist (fünfter Wärmetauscher). Dieser Wärmetauscher wird durch die vierte Leitung in einem Kreislauf mit dem Wärmespeicher 14 verbunden. Die Fluidenergie-Maschine wälzt hierbei das Arbeitsmedium in der vierten Leitung um, so dass die im Wärmespeicher 14 gespeicherte Energie an den Wärmetauscher herangeführt werden kann. Der Vorteil dieser Bauform ist, dass in der ersten und in der vierten Leitung unterschiedliche Arbeitsmedien zum Einsatz kommen können. Besonders vorteilhaft ist beispielsweise der fünfte Wärmetauscher als Abhitze-Dampferzeuger ausgebildet. Derartige Wärmetauscher werden häufig auch als Abhitzekessel oder als HRSG (Heat Recovery Steam Generator) bezeichnet. Der Abhitze-Dampferzeuger wird vorteilhaft mit Wasser betrieben, so dass marktübliche Dampfturbinen zur Erzeugung mechanischer Energie im durch die erste Leitung gebildeten Kreislauf zum Einsatz kommen können. Der Wärmespeicher 14 kann jedoch über die vierte Leitung beispielsweise mit Luft als Arbeitsmedium betrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass auch Wärmespeicher größeren Volumens kostengünstig hergestellt werden können, da eventuelle Undichtigkeiten in dem Kreislauf keine Gefahr für die Umwelt darstellen.
  • Vorteilhaft kann der Abhitze-Dampferzeuger (also der fünfte Wärmetauscher) und die zweite thermische Fluidenergie-Maschine auch mehrere Druckstufen aufweisen. Diese Druckstufen werden dadurch ausgebildet, dass sowohl im Wärmetauscher als auch in der Fluidenergie-Maschine korrespondierende Druckstufen zur Verfügung stehen, die jeweils mit Leitungen untereinander verbunden werden. Hierdurch lässt sich die Ausbeute und damit der Wirkungsgrad des Endladeprozesses vorteilhaft weiter erhöhen.
  • Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgabestelle für die in dem Kältespeicher gespeicherte Kälte aus einem dritten Wärmetauscher besteht, der an die zweite Leitung Wärme abgeben kann und in einen durch eine dritte Leitung gebildeten Kühlkreislauf eingebunden ist. In diesem Kühlkreislauf sind folgende Einheiten miteinander verbunden: der dritte Wärmetauscher, eine als Arbeitsmaschine geschaltete fünfte thermische Fluidenergie-Maschine und der Kältespeicher. Die Fluidenergie-Maschine wälzt das Arbeitsmedium in der dritten Leitung um. Auf diesem Wege wird die in dem Kältespeicher gespeicherte Kälteenergie über den dritten Wärmetauscher an die zweite Leitung abgegeben, wo über die vierte Fluidenergie-Maschine Arbeit verrichtet werden kann. Auch diese Trennung der Kreisläufe über die zweite und die dritte Leitung hat den Vorteil, dass der über die zweite Leitung gebildeten Kreislauf möglichst klein gehalten werden kann. In diesem System kann beispielsweise Ammoniak als Arbeitsmedium zum Einsatz kommen und unter den damit verbundenen hohen technischen Sicherheitsanforderungen betrieben werden. In der dritten Leitung kann beispielsweise Luft als Arbeitsmedium zum Einsatz kommen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn der Kältespeicher aufgrund der Kapazitätsanforderungen ein großes Volumen aufweist.
  • Eine wieder andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in der zweiten Leitung zwischen der dritten thermischen Fluidenergie-Maschine und dem ersten Wärmetauscher ein vierter Wärmetauscher vorgesehen ist, der einen Wärmeeintrag aus der Umgebung der Anlage in die zweite Leitung ermöglicht. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass der Kältespeicher ein Temperaturniveau aufweist, welches unterhalb der atmosphärischen Umgebungsbedingungen liegt. Daher kann dem Arbeitsmedium in einem ersten Schritt Wärme aus der Umgebung zugeführt werden, bevor in einem zweiten Schritt die Wärme genutzt wird, welche in dem Wärmespeicher oder in der Restwärme des Endladekreislaufes am Wärmespeicher zur Verfügung gestellt wird. Die Umgebungswärme steht damit dem Prozess zusätzlich zur Verfügung, wodurch der Wirkungsgrad der Anlage verbessert werden kann.
  • Die eingangs angegebene Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie über einen Wärmespeicher und einen Kältespeicher gelöst, bei dem während des Endladezyklusses der Wärmespeicher die gespeicherte Energie an eine erste Leitung in einen Endladekreislauf für ein Arbeitsmedium abgibt. In dem Endladekreislauf sind die folgenden Einheiten in der angegebenen Reihenfolge über eine erste Leitung angeordnet und werden in dieser Reihenfolge durch das Arbeitsmedium durchflossen: eine als Arbeitsmaschine geschaltete erste thermische Fluidenergie-Maschine (insbesondere eine Pumpe), eine Abgabestelle für Wärme aus dem Wärmespeicher und eine als Kraftmaschine geschaltete zweite thermische Fluidenergie-Maschine (insbesondere eine Dampfturbine).
  • Konkret besteht die Lösung der Aufgabe darin, dass der Kältespeicher die gespeicherte Kälte an eine zweite Leitung abgibt, wobei die zweite Leitung einen geschlossenen Kreislauf bildet, in der folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge über die zweite Leitung durchlaufen werden: hinter der genannten Abgabestelle für die in dem Kältespeicher gespeicherte Kälte eine als Arbeitsmaschine geschaltete dritte thermische Fluidenergie-Maschine (insbesondere eine Pumpe), eine Wärmequelle und eine als Kraftmaschine geschaltete vierte thermische Fluidenergie-Maschine, insbesondere eine Dampfturbine. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, mit welchem eine Anlage der vorbeschriebenen Art betrieben werden kann, werden die bereits erläuterten Vorteile einer Effizientsteigerung und damit einer Steigerung des Wirkungsgrades der ablaufenden Prozesse erreicht.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben.
  • Es zeigen
    • Figur 1 und 2
    ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage in den Betriebszuständen eines Aufladens (Figur 1) und Entladens (Figur 2) jeweils als Blockschaltbilder und
    Figur 3
    ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage in den Betriebszuständen eines Aufladens und Entladens als Blockschaltbild.
  • Anhand einer Anlage gemäß den Figuren 1 und 2 sollen der thermische Auflade- und Entladeprozess von thermischen Speichern 12, 14, 16 näher erläutert werden. In Figur 1 ist zunächst ein zweistufiger Ladeprozess dargestellt, der nach dem Prinzip einer Wärmepumpe funktioniert. Dargestellt ist ein offener Ladekreislauf, der jedoch, wie strichpunktiert angedeutet, unter Einsatz eines optional vorgesehenen Wärmetauschers 17b geschlossen werden könnte. Die Zustände im Arbeitsgas, welches bei dem Ausführungsbeispiel Figur 1 aus Luft besteht, sind jeweils an den Leitungen 30, 31 in Kreisen dargestellt. Links oben ist der Druck in bar angegeben. Rechts oben wird die Entalpie in KJ/Kg angegeben. Links unten steht die Temperatur in °C und rechts unten wird der Massefluss in Kg/s angegeben. Die Flussrichtung des Gases ist durch Pfeile in der betreffenden Leitung angedeutet (Diese Pfeile und Kreise werden auch in den weiteren Figuren verwendet).
  • In der Modellrechnung für den Ladekreislauf der dritten Leitung 31 gemäß Figur 1 gelangt das Arbeitsgas mit 1 bar und 20°C in einen (vorher aufgeladenen) Zusatz-Wärmespeicher 12 und verlässt diesen mit einer Temperatur von 80°C. Durch Komprimierung mittels der als Verdichter arbeitenden sechsten Fluidenergie-Maschine 34 kommt es zu einer Druckerhöhung auf 15 bar und infolgedessen auch zu einer Temperaturerhöhung auf 540°C. Dieser Berechnung liegt folgende Formel zugrunde T2=T1+(T2s-T1)/ηc; T2s=T1Π(K-1)/K, wobei
    T2 die Temperatur am Verdichterausgang,
    T1 die Temperatur am Verdichtereingang,
    η c der isentropische Wirkungsgrad des Kompressors,
    n das Druckverhältnis (hier 15:1) und
    K die Kompressibilität ist, die bei Luft 1,4 beträgt.
  • Der isentropische Wirkungsgrad ηc kann einem Kompressor mit 0,85 vorausgesetzt werden.
  • Das erhitzte Arbeitsgas durchläuft nun den Wärmespeicher 14, wo der Hauptteil der verfügbaren thermischen Energie gespeichert wird. Während der Speicherung kühlt sich das Arbeitsgas auf 20°C ab, während der Druck mit 15 bar erhalten bleibt. Anschließend wird das Arbeitsgas in zwei in Serie geschalteten Stufen 35a, 35b einer siebten Fluidenergie-Maschine 35 entspannt, so dass es auf einem Druckniveau von 1 bar anlangt. Dabei kühlt sich das Arbeitsgas nach der ersten Stufe auf 5°C und nach der zweiten Stufe auf -100°C ab. Grundlage für diese Berechnung ist ebenfalls die oben angegebene Formel.
  • In den Teil der dritten Leitung 31, der die beiden Stufen der siebten Fluidenergie-Maschine 35a, 35b in Form einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine verbindet, ist zusätzlich ein Wasserabscheider 29 vorgesehen. Dieser ermöglicht nach einer ersten Entspannung eine Trocknung der Luft, so dass die in dieser enthaltenen Luftfeuchtigkeit in der zweiten Stufe 35b der siebten Fluidenergie-Maschine 35 nicht zu einer Vereisung der Turbinenblätter führt.
  • Im weiteren Verlauf entzieht das entspannte und daher abgekühlte Arbeitsgas dem Kältespeicher 16 Wärme und wird dadurch auf 0°C erwärmt. Auf diesem Weg wird Kälteenergie im Kältespeicher 16 gespeichert, die bei einer anschließenden Energiegewinnung genutzt werden kann. Vergleicht man die Temperatur des Arbeitsgases am Ausgang des Kältespeichers 16 und am Eingang des Zusatz-Wärmespeichers 12, so wird deutlich, warum für den Fall eines geschlossenen Ladekreislaufs der Wärmetauscher 17b zur Verfügung gestellt werden muss. Hier kann das Arbeitsgas wieder auf Umgebungstemperatur von 20°C aufgewärmt werden, wodurch der Umgebung Wärme entzogen wird, die dem Prozess zur Verfügung gestellt wird. Eine solche Maßnahme kann selbstverständlich entfallen, wenn das Arbeitsgas direkt aus der Umgebung angesaugt wird, da dies bereits Umgebungstemperatur aufweist.
  • Damit bei dem Durchlaufen des Ladekreislaufes der dritten Leitung 31 eine Vorerwärmung durch den Zusatz-Wärmespeicher 12 erfolgen kann, ist ein Zusatzkreislauf durch eine Zusatzleitung 30 verwirklicht, mit dem der Zusatz-Wärmespeicher 12 aufgeladen werden kann. Der Zusatz-Wärmespeicher 12 muss daher sowohl an den Ladekreislauf der dritten Leitung 31 als auch an den Zusatzkreislauf der Zusatzleitung 30 angeschlossen werden können. Ein Anschluss an die dritte Leitung 31 erfolgt durch die Ventile A, während ein Anschluss an die Zusatzleitung 30 durch Öffnen der Ventile B gewährleistet wird. Beim Durchlaufen der Zusatzleitung 30 wird die Luft zunächst durch eine achte Fluidenergie-Maschine 36 geleitet, die als Verdichter arbeitet. Die verdichtete Luft wird durch den Zusatz-Wärmespeicher 12 geleitet, wobei die Durchflussrichtung entsprechend der angedeuteten Pfeile genau entgegengesetzt zum durch die dritte Leitung 31 gebildeten Ladekreislauf verläuft. Nachdem die Luft von Umgebungsdruck (1 bar) und Umgebungstemperatur (20°C) durch den Verdichter auf 4 bar und einer Temperatur von 188°C gebracht wurde, wird die Luft durch den Zusatz-Wärmespeicher 12 wieder auf 20°C abgekühlt. Anschließend wird die Luft durch die Stufen 37a, 37b einer neunten Fluidenergie-Maschine 37, die als Turbine arbeitet, in zwei Stufen entspannt. Auch hier ist in der die beiden Stufen 37a, 37b verbindenden Zusatzleitung 30 ein Wasserabscheider 29 vorgesehen, der genauso funktioniert, wie der in der dritten Leitung 31 befindliche. Nach Entspannen der Luft über die neunte Fluidenergie-Maschine 37 besitzt diese eine Temperatur von -56°C bei Umgebungsdruck (1 bar). Für den Fall, dass der Zusatzkreislauf der Zusatzleitung 30, wie strichpunktiert dargestellt, geschlossen ausgeführt sein soll, muss daher ein Wärmetauscher 17c vorgesehen werden, damit die Luft von -56°C durch Wärmeaufnahme aus der Umgebung auf 20°C aufgewärmt werden kann.
  • Die Kreisläufe der dritten Leitung 31 und der Zusatzleitung 30 werden unabhängig voneinander in Gang gesetzt. Daher sind die sechste und siebte Fluidenergie-Maschine über die Welle 21 mit einem Motor M1 und die achte und neunte Fluidenergie-Maschine über die andere Welle 21 mit einem Motor M2 mechanisch gekoppelt. Bei Überkapazitäten der Windkraftanlage 22 kann die elektrische Energie zunächst den Motor M2 antreiben, um den Zusatz-Wärmespeicher 12 aufzuladen. Anschließend können durch Betrieb des Motors M1 und gleichzeitiger Entladung des Zusatzwärmespeichers 12 der Wärmespeicher 14 und der Kältespeicher 16 aufgeladen werden. Anschließend kann durch den Betrieb des Motors M2 auch der Zusatz-Wärmespeicher 12 wieder aufgeladen werden. Wenn alle Speicher voll aufgeladen sind, kann ein effektiver Entladezyklus zur Gewinnung elektrischer Energie eingeleitet werden (vgl. Figur 2). Sollte die Überkapazität des Windkraftwerks 22 jedoch enden, ohne dass der Zusatz-Wärmespeicher 12 aufgeladen werden konnte, so kann die in diesem zur Verfügung gestellte Energie auch durch eine andere Wärmequelle 41 ersetzt werden, oder es wird nur der Wärmespeicher 14 eingesetzt (vgl. Figur 2).
  • Gemäß Figur 2 wird die Anlage nun mit einem Entladekreislauf betrieben, der durch eine erste Leitung 40 realisiert ist. Die Leitung 40 stellt einen geschlossenen Kreislauf dar. Wasser wird durch den Zusatzwärmespeicher 12, den Wärmespeicher 14 und optional durch eine weitere Wärmequelle 41, z. B. Fernwärme, über einen Wärmetauscher 42 verdampft und überhitzt und gelangt so über die Leitung 40 (Ventile C und D sind geschlossen) zu einer dritten thermischen Fluidenergie-Maschine 43. Diese ist zweistufig aufgebaut, bestehend aus einer Hochdruckturbine 43a und einer Niederdruckturbine 43b, die nacheinander durchlaufen werden. Die Hochdruckturbine wird mit Dampf eines Druckes ph versorgt. Für die Versorgung der Niederdruckturbine 43b genügt Dampf mit einem geringeren Druck von p1. Dieser Druck besteht in der Verbindungsleitung 40 zwischen der Hochdruckturbine 43a und der Niederdruckturbine 43b oder bei bestimmten Betriebszuständen nach Öffnen des Ventils D auch in der Bypassleitung 46. Die dritte Fluidenergie-Maschine 43 treibt über eine weitere Welle 21 einen Generator G an. Dieser erzeugt im Bedarfsfall also Strom, während die thermischen Speicher 12, 14, 16 entladen werden (Rankine-Kreislauf).
  • Die im Kältespeicher 16 gespeicherte Kälteenergie wird dem durch die ersten Leitung 40 gebildeten Kreislauf nicht direkt sondern über einen ersten Wärmetauscher 51 zur Verfügung gestellt. Der erste Wärmetauscher 51 ist Teil eines Kreislaufes, der durch eine zweite Leitung 52 gebildet wird. Dieser Kreislauf dient selbst zur Energiegewinnung, die über eine vierte Fluidenergie-Maschine 53 im Kreislauf der zweiten Leitung 52 gewonnen werden kann. Die vierte Fluidenergie-Maschine 53 ist über eine Welle 54 mit einem Generator G verbunden. Außerdem treibt die vierte Fluidenergie-Maschine 53 noch eine fünfte Fluidenergie-Maschine 55 an, die als Verdichter zum Einsatz kommt (hierzu im Folgenden noch mehr). Die Kälteenergie aus dem Kältespeicher 16 wird daher in erster Linie zur Energiegewinnung in dem durch die zweite Leitung 52 gebildeten Kreislauf verwendet (beispielsweise durch einen Rankine-Kreislauf mit Ammoniak). Dabei profitiert der durch die erste Leitung 40 gebildete Kreislauf nur indirekt von dieser Kälteenergie. Gleichzeitig profitiert aber der durch die zweite Leitung 52 gebildete Kreislauf von der Wärmeenergie, die über den ersten Wärmetauscher in diesen Prozess eingeleitet wird. Hierdurch ist die Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Anlage zu erklären.
  • Hinter der vierten Fluidenergie-Maschine kann die Kälteenergie aus dem Kältespeicher 16 über einen durch eine dritte Leitung 56 gebildeten Kreislauf wieder indirekt über einen dritten Wärmetauscher 57 der zweiten Leitung 52 zugeführt werden. Zu diesem Zweck ist der dritte Wärmetauscher 57 in der zweiten Leitung vorgesehen. In der zweiten Leitung folgt in Flussrichtung gesehen danach eine dritte Fluidenergie-Maschine in Form einer Pumpe 58. Außerdem kann Umgebungswärme beispielsweise aus einem Fluss über einen vierten Wärmetauscher 59 in das Arbeitsfluid der zweiten Leitung 52 eingespeist werden, bevor dieses den ersten Wärmetauscher 51 durchläuft.
  • Wie schon angedeutet, wird die Kälteenergie aus dem Kältespeicher 16 über die dritte Leitung dem dritten Wärmetauscher 57 zugeführt. In diesem durch die dritte Leitung 56 gebildeten Kreislauf ist auch die fünfte Fluidenergie-Maschine vorgesehen, die ein Umwälzen des Arbeitsfluides in der dritten Leitung bewirkt. Der Antrieb erfolgt direkt über die Welle 54 durch die vierte Fluidenergie-Maschine 53. Alternativ könnte dieser durch die dritte Leitung 56 gebildete Kreislauf auch weggelassen werden und statt des dritten Wärmetauschers 57 der Kältespeicher 16 direkt in der zweiten Leitung 52 vorgesehen werden. Dies ist Strichpunktiert angedeutet. In diesem würde die zweite Leitung 52 im Kältespeicher 16 direkt an ein Kanalsystem angeschlossen werden, welches eine Oberflächenvergrößerung im Kältespeicher 16 bewirkt (hierzu im Folgenden mehr).
  • Durch Betätigen der Ventile C und D kann in bestimmten Betriebszuständen der Wirkungsgrad der Anlage verbessert werden. Das Ventil D liegt in einer ersten Bypassleitung 46, mit der bei Öffnen des Ventils D die Hochdruckturbine 43a umgangen werden kann. Dieser Betriebszustand ist sinnvoll, wenn die Temperatur im Wärmespeicher 14 nicht mehr ausreicht, um den Wasserdampf unter Hochdruckbedingungen zu überhitzen. Letzteres kann durch eine Teilentladung bzw. eine noch nicht vollständige Aufladung des Wärmespeichers 14 begründet sein.
  • Im äußersten Fall ist der Wärmespeicher 14 vollständig entleert, während der Zusatzwärmespeicher 12 bereits aufgeladen wurde. Dieser Zustand kann beispielsweise entstehen, wenn zusätzliche Energie durch das Windkraftwerk 22 erst seit kurzer Zeit zur Verfügung gestellt werden konnte, nun aber ein Überbedarf an elektrischer Energie gedeckt werden soll. In diesem Fall kann zusätzlich zum Ventil D auch das Ventil C einer zweiten Bypassleitung 47 geschaltet werden. In diesem Fall wird der Wärmespeicher 14 durch die Bypassleitung 47 umgangen, so dass der Zusatzwärmespeicher 12 über die Niederdruckturbine 43b entleert werden kann. Daher steht bereits thermische Energie in der Anlage zur Verfügung, die bei befriedigendem Wirkungsgrad durch den Generator G in elektrische Energie gewandelt werden kann. In diesem Fall ist auch der Kältespeicher 16 noch nicht aufgeladen, da dieser gemeinsam mit dem Wärmespeicher 14 aufgeladen wird. Für diesen Betriebszustand wird über das Ventil F somit ein Kondensator 45 geschaltet.
  • In Figur 3 ist eine andere Ausführungsform der Anlage in ihrer Gesamtansicht als Blockschaltbild dargestellt. Anders als in den Figuren 1 und 2 ist hierbei eine einheitliche Darstellung gewählt worden. Die durch die zweite Leitung 52 und durch die dritte Leitung 56 gebildete Kreisläufe sind im Wesentlichen analog zur Figur 2 ausgeführt.
  • Allerdings ist in Figur 3 ein einfacheres System zur Aufladung des Kältespeichers 16 und des Wärmespeichers 14 als in Figur 1 dargestellt. Der Wärmespeicher 14 wird durch einen offenen Kreislauf aufgeladen, der durch die Leitung 60 realisiert ist. In dieser Leitung wird über eine Leitung 60 einem Verdichter 61 Umgebungsluft zugeführt, durchläuft einen Wärmetauscher 32, wo die Luft auf 480°C erwärmt wird und gibt diese Wärme während des Durchlaufens des Wärmespeichers 14 an diesen ab. Der Wärmetauscher 32 wird außerdem durch eine Leitung 63 durchlaufen, die den Kreislauf bildet, mit der der Kältespeicher 16 abgekühlt wird. Nachdem das Arbeitsmedium in der Leitung 63 den Kältespeicher 16 durchlaufen hat, wird diese über einen Verdichter 64 von Umgebungsbedingungen auf 25 bar komprimiert und auf 514°C erhitzt, durchläuft den Wärmetauscher 32 und wird anschließend über eine Turbine 65 wieder auf 1,1 bar entspannt. Dabei sinkt die Temperatur auf -121°C. Anschließend nimmt das Arbeitsmedium im Kältespeicher 16 wieder Wärme auf und kühlt diesen dadurch ab. Der Verdichter 64 und die Turbine 65 sitzen auf einer Welle 66 und können zusätzlich durch einen an dieser Welle 66 angeschlossenen Motor M angetrieben werden.
  • Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist der Wärmespeicher 14 nicht direkt in den durch die erste Leitung 40 gebildeten Kreislauf eingebunden. Vielmehr wird ein weiterer Kreislauf durch eine vierte Leitung 67 gebildet, in dem folgende Einheiten bei einem konstanten Druck von ungefähr 1 bar durchlaufen werden. Nach Durchlaufen des Wärmespeichers 14 wird das auf 476°C erhitzte Arbeitsmedium (beispielsweise Luft) einem fünften Wärmetauscher 68 zugeführt. Der Wärmetauscher 68 gibt die Wärme an die erste Leitung 40 ab und kühlt sich auf 91°C ab (hierzu im Folgenden mehr). Anschließend durchläuft die vierte Leitung 67 den ersten Wärmetauscher 51, so dass die Restwärme, die nicht über den fünften Wärmetauscher 68 an die erste Leitung abgegeben wurde, an die zweite Leitung 52 abgegeben werden kann. Das Arbeitsmedium kann im weiteren Verlauf über einen Kondensator 69 weiter abgekühlt werden, wobei der Kondensator 69 ebenfalls ein Wärmetauscher ist, der in der ersten Leitung 40 vorgesehen ist (hierzu im Folgenden mehr). Über eine zehnte Fluidenergie-Maschine 70 in Form einer Art Umwälzpumpe gelangt das Arbeitsmedium dann wieder in den Wärmespeicher 14, wo dieses erneut aufgeheizt wird. Anstelle des in Figur 3 dargestellten geschlossenen Kreislaufes kann die vierte Leitung 67 auch als offener Kreislauf ausgebildet sein, in dem der strichpunktiert eingeteilte Teil der Leitung zwischen dem Kondensator 69 und der zehnten Fluidenergie-Maschine 70 weggelassen wird.
  • Die erste Leitung 40 bildet einen Kreislauf, mit dem über eine Welle 71 an einem Generator G Strom gewonnen werden kann. Hierzu wird ein Kreislauf mit Wasser betrieben, wobei der fünfte Wärmetauscher 68 als mehrstufiger Abhitze-Dampferzeuger mit einer Hochdruckstufe 68a und einer Niederdruckstufe 68b betrieben wird (Rankine-Kreislauf). Das Wasser wird mit Umgebungstemperatur durch eine Speisepumpe 44a mit 5,5 bar zunächst in die Niederdruckstufe 68b des fünften Wärmetauschers 68 eingespeist. Ein Teil verlässt diese Niederdruckstufe 68b mit 4,1 bar und 145°C, um der Niederdruckstufe 43b der zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine zugeführt werden (als Dampf). Ein anderer Teil wird durch eine zweite Speisepumpe 44b im flüssigen Zustand die Hochdruckstufe 68a des fünften Wärmetauschers 68 eingespeist und verlässt diesen als Dampf mit 80 bar und 459°C, um der Hochdruckstufe 43a der zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine 43 zugeführt zu werden. Sowohl die vierte als auch die zweite thermische Fluidenergie-Maschine treiben eine Welle 71 an, die mit einem Generator G verbunden ist. Nach Entspannung des Dampfes auf 0,03 bar bei 24°C wird dieser über den Kondensator 69 der Speisepumpe 44a wieder zugeführt.
  • Der Aufbau, des Wärmespeichers 14 und des Kältespeichers 16 und des Zusatz-Wärmespeichers bei der Anlage in den Figuren ist jeweils gleich und wird durch eine Ausschnittsvergrößerung anhand des Kältespeichers 16 in Figur 1 näher dargestellt. Vorgesehen ist ein Behälter, dessen Wand 24 mit einem Isolationsmaterial 25 versehen ist, welches große Poren 26 aufweist. Im Inneren des Behälters ist Beton 27 vorgesehen, der als Wärmespeicher oder Kältespeicher fungiert. Innerhalb des Betons 27 sind Rohre 28 parallel verlaufend verlegt, durch die das Arbeitsgas strömt und dabei Wärme abgibt oder Wärme aufnimmt (je nach Betriebsart und Speicherart).
  • Die Lade- und Entladekreisläufe der Figuren 1 bis 3 können untereinander auch kombiniert werden, so dass sich hieraus weitere Ausführungsbeispiele ergeben.

Claims (10)

  1. Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie mit einem Wärmespeicher (14) und einem Kältespeicher (16), wobei der Wärmespeicher (14) die gespeicherte Wärme an eine eine erste Leitung (40) in einen Entladekreislauf für ein Arbeitsmedium abgeben kann und in dem Entladekreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch die erste Leitung (40) miteinander verbunden sind:
    • eine als Arbeitsmaschine geschaltete erste thermische Fluidenergie-Maschine, insbesondere eine Pumpe (44)
    • die genannte Abgabestelle für Wärme aus dem Wärmespeicher (14) und
    • eine als Kraftmaschine geschaltete zweite thermische Fluidenergie-Maschine (43), insbesondere eine Dampfturbine
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kältespeicher (16) die gespeicherte Kälte an eine zweite Leitung (52) abgeben kann, wobei die zweite Leitung (52) einen geschlossenen Kreislauf bildet, in der folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch die zweite Leitung (52) miteinander verbunden sind:
    • hinter der genannten Abgabestelle für die in dem Kältespeicher (16) gespeicherte Kälte eine als Arbeitsmaschine geschaltete dritte thermische Fluidenergie-Maschine, insbesondere eine Pumpe (58)
    • eine Wärmequelle und
    • eine als Kraftmaschine geschaltete vierte thermische Fluidenergie-Maschine (53), insbesondere eine Dampfturbine.
  2. Anlage nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wärmequelle aus einem ersten Wärmetauscher (51) besteht, der der ersten Leitung (40) Wärme entziehen kann und zwischen der dritten Fluidenergie-Maschine (58) und der vierten Fluidenergie-Maschine (53) angeordnet ist.
  3. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Abgabestelle für den Wärmespeicher (14) durch einen fünften Wärmetauscher (68) gebildet ist, der der ersten Leitung (40) Wärme zuführen kann und der in einen durch eine vierte Leitung (67) gebildeten Kreislauf geschaltet ist, wobei in diesem Kreislauf folgende Einheiten miteinander verbunden sind:
    • der fünfte Wärmetauscher (68),
    • eine als Arbeitsmaschine geschaltete zehnte thermische Fluidenergie-Maschine (70) und
    • der Wärmespeicher (14).
  4. Anlage nach Anspruch 3
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wärmequelle aus einem zweiten Wärmetauscher (51) besteht, der der vierten Leitung (67) Wärme entziehen kann und bezogen auf die Flussrichtung in der vierten Leitung (67) hinter dem fünften Wärmtauscher (68) liegt.
  5. Anlage nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der fünfte Wärmetauscher durch einen Abhitze-Dampferzeuger gebildet ist.
  6. Anlage nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der fünfte Wärmetauscher und die zweite thermische Fluidenergie-Maschine (43) mehrere Druckstufen aufweisen.
  7. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Abgabestelle für die in dem Kältespeicher (16) gespeicherte Kälte aus einem dritten Wärmetauscher (57) besteht, der an die zweite Leitung (52) Wärme abgeben kann und in einen durch eine dritte Leitung (56) gebildeten Kühlkreislauf eingebunden ist, wobei im Kühlkreislauf folgende Einheiten miteinander verbunden sind:
    • der dritte Wärmetauscher (57)
    • eine als Arbeitsmaschine geschaltete fünfte thermische Fluidenergie-Maschine (55) und
    • der Kältespeicher (16).
  8. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass die zweite Leitung (52) mit Ammoniak befüllt ist.
  9. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass in der zweiten Leitung (52) zwischen der dritten thermischen Fluidenergie-Maschine und dem ersten Wärmetauscher (51) ein vierter Wärmetauscher (59) vorgesehen ist, der einen Wärmeeintrag aus der Umgebung der Anlage in die zweite Leitung (52) ermöglicht.
  10. Verfahren zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie über einen Wärmespeicher (14) und einen Kältespeicher (16), wobei während des Entladezyklusses der Wärmespeicher (14) die gespeicherte Wärme an eine eine erste Leitung (40) in einen Entladekreislauf für ein Arbeitsmedium abgibt und in dem Entladekreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge über eine erste Leitung (40) durchlaufen werden:
    • eine als Arbeitsmaschine geschaltete erste thermische Fluidenergie-Maschine, insbesondere eine Pumpe (44)
    • die Abgabestelle für Wärme aus dem Wärmespeicher (14) und
    • eine als Kraftmaschine geschaltete zweite thermische Fluidenergie-Maschine (43), insbesondere eine Dampfturbine,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kältespeicher (16) die gespeicherte Kälte an eine zweite Leitung (52) abgibt, wobei die zweite Leitung (52) einen geschlossenen Kreislauf bildet, in der folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge über die zweite Leitung (52) durchlaufen werden:
    • hinter der genannten Abgabestelle für die in dem Kältespeicher (16) gespeicherte Kälte eine als Arbeitsmaschine geschaltete dritte thermische Fluidenergie-Maschine, insbesondere eine Pumpe (58)
    • eine Wärmequelle und
    • eine als Kraftmaschine geschaltete vierte thermische Fluidenergie-Maschine (53), insbesondere eine Dampfturbine.
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