EP3374603B1 - Power heat power storage device and method for controlling the load of the same - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung_zur Speicherung und Wiedergewinnung elektrischer Energie. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Lastregelung einer Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung.The invention relates to a power-heat-electricity storage device for storing and recovering electrical energy. The invention further relates to a method for load control of a power-heat-current storage device.

Stand der TechnikState of the art

Erneuerbare Energien wie Windenergie oder Solarenergie weisen die Nachteile auf, dass die verfügbare Leistung in Funktion der Zeit erheblichen Schwankungen unterliegt, und dass der Zeitpunkt der Energieerzeugung sowie die insgesamt erzeuge Energiemenge nicht oder nur ungenau vorherbestimmbar ist, weshalb eine Energieversorgung, welche ausschliesslich auf erneuerbaren Energien basiert, ein instabiles Verhalten aufweist, sodass Versorgungslücken und Überschüsse auftreten. Um eine stabile Versorgung mit elektrischer Energie zu gewährleisten ist es daher erforderlich die gewonnene elektrische Energie zu speichern und zeitversetzt, üblicherweise innerhalb von Stunden bis Tagen, wieder abzugeben. Zudem ist es zum stabilen Betrieb eines elektrischen Netzes erforderlich kurzfristige Energieschwankungen, wie diese zum Beispiel bei Solarzellen auftreten, wenn die Sonne während einer kurzen Zeitspanne von einer Wolke bedeckt wird, oder wenn ein grosser elektrischer Verbraucher ans Netz geschaltet wird, auszugleichen.Renewable energies such as wind energy or solar energy have the disadvantages that the available power as a function of time is subject to considerable fluctuations, and that the time of energy production and the total amount of energy generated is not or only inaccurately predictable, which is why a power supply, which exclusively on renewable energy is unstable, causing gaps in care and surpluses. In order to ensure a stable supply of electrical energy, it is therefore necessary to store the electrical energy obtained and time-delayed, usually within hours to days to give again. In addition, stable operation of an electrical network requires short-term energy fluctuations, such as occur with solar cells when the sun is covered by a cloud for a short period of time, or when a large electrical load is connected to the grid.

Es ist bekannt, elektrische Energie in sogenannten Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtungen, auch als SWS-Speichervorrichtung bezeichnet, zu speichern. Solche Vorrichtungen werden in Englisch auch als "Pumped Heat Electricity Storage Systems" oder abgekürzt als "PHES-Systems" bezeichnet. Bei einer SWS-Speichervorrichtung wird der elektrische Strom unter Verwendung eines Arbeitsgases und mit Hilfe einer Wärmepumpe in Wärme umgewandelt und die Wärme in einem Speicherbehälter gespeichert. Solche Speicherbehälter werden auch als Thermopotentialspeicher oder in Englisch als "Pumped Thermal Electricity Storage" bezeichnet. Bei Bedarf wird dem Speicherbehälter Wärme entnommen und mit einer Wärmekraftmaschine wieder in Strom umgewandelt. Die SWS-Speichervorrichtung erlaubt es somit, elektrischen Strom zu speichern und zeitversetzt wieder abzugeben. Das Dokument WO2013/164562 offenbart eine SWS-Speichervorrichtung, wobei diese SWS-Speichervorrichtung eine beschränkte Regelungsmöglichkeit aufweist. Zudem verursachen die tiefen Systemtemperaturen Probleme.It is known to store electrical energy in so-called current-heat-current storage devices, also referred to as SWS storage device. Such devices are also referred to in English as "Pumped Heat Electricity Storage Systems" or abbreviated "PHES Systems". In an SWS storage device, the electric power is converted into heat using a working gas and heat pump, and the heat is stored in a storage tank. Such storage containers are also referred to as thermal potential storage or in English as "pumped thermal electricity storage". If necessary, the storage tank heat is removed and converted back into electricity with a heat engine. The SWS memory device thus allows electrical current to be stored and released again with a time delay. The document WO2013 / 164562 discloses a SWS memory device, this SWS memory device having a limited control capability. In addition, the low system temperatures cause problems.

Das Dokument EP2147193B1 offenbart ebenfalls eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Speicherung und Wiedergewinnung elektrischer Energie. Nachteilig an dieser Vorrichtung beziehungsweise an diesem Verfahren ist die Tatsache, dass die aufgenommene und abgegebene elektrische Leistung schwierig zu regeln ist.The document EP2147193B1 also discloses an apparatus and method for storing and recovering electrical energy. A disadvantage of this device or this method is the fact that the recorded and delivered electrical power is difficult to control.

Das Dokument EP2574739A1 offenbart ebenfalls eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Speicherung und Wiedergewinnung elektrischer Energie. Diese Vorrichtung beziehungsweise dieses Verfahren weist den Nachteil auf, dass drei Speicher erforderlich sind, ein Wärmespeicher, ein Kältespeicher sowie ein Niedertemperatur-Wärmespeicher, was sehr aufwändig ist. Zudem kann die aufgenommene und abgegebene elektrische Leistung nicht geregelt werden, wobei insbesondere kein Teillastbetrieb möglich ist.The document EP2574739A1 also discloses an apparatus and method for storing and recovering electrical energy. This device or this method has the disadvantage that three memories are required, a heat storage, a cold storage and a low-temperature heat storage, which is very expensive. In addition, the recorded and delivered electrical power can not be controlled, in particular, no partial load operation is possible.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es eine Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung zur Speicherung und Wiedergewinnung elektrischer Energie zu bilden, welche eine vorteilhaftere Aufnahme und Abgabe von elektrischer Energie erlaubt, und welche insbesondere einen vorteilhaften Teillastbetrieb erlaubt.The object of the invention is to form a current-heat-current storage device for storing and recovering electrical energy, which allows a more advantageous absorption and release of electrical energy, and which in particular allows an advantageous partial load operation.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung aufweisend die Merkmale von Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 6 betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen.This object is achieved with a device having the features of claim 1. The dependent claims 2 to 6 relate to further advantageous embodiments.

Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem Verfahren aufweisend die Merkmale von Anspruch 7. Die abhängigen Ansprüche 8 bis 15 betreffen weitere vorteilhafte Verfahrensschritte.The object is further achieved by a method comprising the features of claim 7. The dependent claims 8 to 15 relate to further advantageous method steps.

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst mit einer Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung umfassend einen Ladekreislauf sowie einen Endladekreislauf zum Fördern eines Arbeitsgases, wobei der Ladekreislauf sowie der Endladekreislauf einen gemeinsamen Regenerator umfassen, welcher umschaltbar entweder mit dem Ladekreislauf oder dem Endladekreislauf Fluid leitend verbunden ist, um einen geschlossenen Kreislauf auszubilden und um das Arbeitsgas dem Regenerator zuzuführen, wobei der Ladekreislauf einen ersten Turboverdichter sowie einen ersten Turboexpander umfasst, wobei der erste Turboverdichter vom ersten Turboexpander sowie einem Elektromotor angetrieben ist, wobei der Entladekreislauf einen zweiten Turboexpander und einen zweiten Turboverdichter umfasst, wobei der zweite Turboexpander den zweiten Turboverdichter sowie einen Generator antreibt, sowie umfassend eine Regelvorrichtung sowie eine Dichteänderungsvorrichtung, welche den Druck des Arbeitsgases im Ladekreislauf und/oder im Entladekreislauf ansteuerbar zu ändern erlauben, um die vom ersten Turboverdichter aufnehmbare Leistung beziehungsweise die vom zweiten Turboexpander abgebbare Leistung zu regeln.The object is in particular achieved with a power-heat-current storage device comprising a charging circuit and a discharge circuit for conveying a working gas, wherein the charging circuit and the discharge circuit comprise a common regenerator, which is switched to either the charging circuit or the discharge circuit fluid conductively connected, to form a closed circuit and to supply the working gas to the regenerator, wherein the charging circuit, a first turbocompressor and a wherein the first turbocompressor is driven by the first turboexpander and an electric motor, the unloading circuit comprising a second turboexpander and a second turbocompressor, wherein the second turboexpander drives the second turbocompressor and a generator, and comprising a control device and a density changing device allow to change the pressure of the working gas in the charging circuit and / or in the discharge circuit controllable to regulate the recordable by the first turbocompressor power or the deliverable by the second turboexpander power.

Die Aufgabe wird weiter insbesondere gelöst mit einem Verfahren zur Lastregelung einer Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung umfassend einen Ladekreislauf mit einem ersten Turboverdichter, wobei dem ersten Turboverdichter zum Erhitzen eines Arbeitsgases mechanische Leistung zugeführt wird, umfassend einen Entladekreislauf mit einem zweiten Turboexpander, wobei dem zweiten Turboexpander zum Abkühlen des Arbeitsgases mechanische Leistung entnommen wird, wobei der Ladekreislauf beziehungsweise der Entladekreislauf einen gemeinsamen Regenerator umfasst, welcher wahlweise mit dem Ladekreislauf oder dem Entladekreislauf zu einem geschlossenen Kreislauf verbunden wird, sodass entweder das im Ladekreislauf erhitzte Arbeitsgas dem Regenerator zugeführt wird oder dem Regenerator heisses Arbeitsgas entnommen und dem Entladekreislauf zugeführt wird, wobei die vom ersten Turboverdichter aufgenommene mechanische Leistung und/oder die vom zweiten Turboexpander abgegebene mechanische Leistung durch ein Ändern des Drucks des Arbeitsgases geregelt wird.The object is further achieved in particular with a method for load regulation of a power-heat-current storage device comprising a charging circuit with a first turbocompressor, wherein the first turbocompressor for heating a working gas mechanical power is supplied, comprising a Entladekreislauf with a second turboexpander, said mechanical power is removed for cooling the working gas, wherein the charging circuit or the discharge circuit comprises a common regenerator, which is optionally connected to the charging circuit or the discharge circuit to a closed circuit, so either the working gas heated in the charging circuit is supplied to the regenerator or the Regenerator hot working gas removed and supplied to the discharge circuit, wherein the recorded from the first turbocompressor mechanical power and / or the output from the second turboexpander mechanical power you a change in the pressure of the working gas is regulated.

Die erfindungsgemässe Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung umfasst zwei Kreisprozesse, einen Ladekreislauf sowie einen Endladekreislauf, und umfasst einen gemeinsamen Regenerator, wobei der Regenerator umschaltbar entweder mit dem Ladekreislauf oder dem Entladekreislauf verbunden ist, unter Ausbildung eines geschlossenen Kreislaufs. Im gesamten Ladekreislauf beziehungsweise im gesamten Entladekreislauf ist vorzugsweise ein einziger, gemeinsamer Regenerator angeordnet, das heisst, der Ladekreislauf bzw. der Entladekreislauf weist keine in Serie geschalteten Regeneratoren auf. Der einzige, gemeinsame Regenerator ist vorzugsweise als poröser Feststoffregenerator ausgestaltet. Der einzige, gemeinsame Regenerator kann vorteilhafterweise auch aus einer Mehrzahl parallel geschalteter Teilregeneratoren ausgebildet sein. In einer möglichst Ausgestaltung umfasst der gemeinsame Regenerator eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Regeneratoren, sodass die Regeneratoren entlang des Ladekreislaufs bzw. des Entladekreislaufs angeordnet sind. Die erfindungsgemässe Vorrichtung umfasst zudem Turboverdichter und Turboexpander, das heisst rotierende Maschinen, zum Verdichten und Entspannen eines Arbeitsgases im Ladekreislauf beziehungsweise im Endladekreislauf. Ein Turboverdichter des Ladekreislaufs ist vorzugsweise von einem Elektromotor angetrieben. Ein Turboexpander des Entladekreislaufs treibt einen Elektrogenerator an. Die von der erfindungsgemässen Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung aufgenommene beziehungsweise abgegebene elektrische Leistung wird unter anderem dadurch geregelt, dass die Dichte beziehungsweise die totale Masse des sich im Ladekreislauf beziehungsweise im Entladekreislauf befindlichen Arbeitsgases verändert wird, was die vom Kreislaufprozess aufgenommene beziehungsweise abgegebenen Leistung verändert. Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann somit einerseits mit Volllastbetrieb und andererseits mit Hilfe der Dichteregelung auch mit Teillast betrieben werden. In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung weist zumindest ein Turboverdichter oder ein Turboexpander des Ladekreislaufs und/oder des Endladekreislaufs verstellbare Vorleiträder auf, um durch eine Stellungsveränderung der Vorleiträder über eine zusätzliche Regelmöglichkeit zu verfügen die aufgenommene beziehungsweise abgegebene Leistung des Kreisprozesses zu regeln. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Regelung der aufgenommenen beziehungsweise abgegebenen elektrischen Leistung durch eine Kombination von Dichteregelung des Arbeitsgases und Stellungsveränderung der Vorleiträder. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Regelung der aufgenommenen beziehungsweise abgegebenen elektrischen Leistung durch eine Kombination von Dichteregelung des Arbeitsgases und Drehzahlregelung des Turboverdichters bzw. des Turboexpanders.The inventive electricity-heat-power storage device comprises two cycles, a charging circuit and a discharge circuit, and comprises a common regenerator, wherein the regenerator is reversibly connected to either the charging circuit or the discharge circuit, forming a closed circuit. In the entire charging circuit or in the entire discharge circuit, a single, common regenerator is preferably arranged, that is to say the charging circuit or the discharge circuit has no series-connected regenerators. The single, common regenerator is preferably designed as a porous solid regenerator. The single, common regenerator can advantageously also be formed from a plurality of parallel-connected partial regenerators. In a possible embodiment, the common regenerator comprises a plurality of regenerators connected in series, so that the regenerators are arranged along the charging circuit or the discharge circuit. The inventive device also includes Turbo compressor and turboexpander, that is rotating machines, for compressing and relaxing a working gas in the charging circuit or in the discharge circuit. A turbocompressor of the charging circuit is preferably driven by an electric motor. A turboexpander of the discharge circuit drives an electric generator. Among other things, the electric power absorbed or emitted by the power-heat-current storage device according to the invention is regulated by changing the density or the total mass of the working gas in the charge cycle or in the discharge cycle, which changes the power absorbed or delivered by the cycle process , The inventive device can thus be operated on the one hand with full load operation and on the other hand with the help of the density control also with partial load. In a further advantageous embodiment, at least one turbo-compressor or a turbo-expander of the charging circuit and / or the discharge circuit has adjustable Vorleiträder to have a position change of the Vorleiträder an additional control option to regulate the recorded or delivered power of the cycle. In a further advantageous embodiment, the regulation of the recorded or emitted electrical power is effected by a combination of density control of the working gas and change in position of the Vorleiträder. In a further advantageous embodiment, the regulation of the recorded or emitted electric power is effected by a combination of density control of the working gas and speed control of the turbo-compressor or the turboexpander.

Die Dichteregelung umfasst eine Dichteänderungsvorrichtung, welche den Druck des Arbeitsgases im Ladekreislauf und/oder im Entladekreislauf ansteuerbar sowohl anheben als auch absenken kann, um über die Druckänderung des Arbeitsgases die Dichte des Arbeitsgases im Ladekreislauf und/oder im Entladekreislauf zu ändern, und um dadurch die von der erfindungsgemässen Vorrichtung aufgenommene bzw. abgegebene Leistung zu regeln.The density control comprises a density-changing device, which can both raise and lower the pressure of the working gas in the charging circuit and / or in the discharge circuit in order to change the density of the working gas in the charging circuit and / or in the discharge circuit via the pressure change of the working gas, and thereby the To regulate the power taken up or delivered by the device according to the invention.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemässe Verfahren weisen die Vorteile auf, dass ein einfacher, zuverlässiger und kostengünstiger Teillastbetrieb möglich ist, sowohl betreffend Aufnahme als auch Abgabe von elektrischer Leistung, und dass der Teillastbetrieb einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass eine rasche Anpassung beziehungsweise Änderung der aufgenommenen oder abgegebenen elektrischen Leistung möglich ist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass ein rascher Wechsel von Energieabgabe zu Energieaufnahme und umgekehrt möglich ist. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist daher zum Betrieb in Kombination mit erneuerbaren Energiequellen besonders gut geeignet.The device according to the invention or the method according to the invention have the advantages that a simple, reliable and cost-effective partial load operation is possible, both with regard to recording and output of electrical power, and that the partial load operation has a high efficiency. Another advantage is the fact that a rapid adaptation or modification of the recorded or delivered electrical power is possible. Another advantage is the fact that a rapid change from energy delivery to energy intake and vice versa is possible. The Device according to the invention is therefore particularly well suited for operation in combination with renewable energy sources.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemässe Verfahren ist zudem besonders vorteilhaft zur Stabilisierung eines Elektrizitätsnetzes geeignet. Elektrizitätsnetze mit einem hohen Anteil an Wind- und Solarenergie weisen eine hohe Residuallast auf, das heisst eine Last bzw. Leistung, die von schnell regelbaren Kraftwerken aufzubringen ist. Es ist bekannt, für eine stark fluktuierende Einspeisung von Windkraft- und Solaranlagen Pumpspeicherkraftwerke zu verwenden, weil diese Energieüberschüsse speichern und wieder abgeben können. Pumpspeicherkraftwerke sind jedoch üblicherweise als drehzahlstarre Systeme ausgebildet und weisen zudem im Teillastbetrieb einen erheblich reduzierten Wirkungsgrad auf. Solche Pumpspeicherkraftwerke eignen sich daher schlecht zum Betrieb mit variabler elektrischer Leistung.The inventive device or the inventive method is also particularly advantageous for stabilizing an electricity grid suitable. Electricity networks with a high proportion of wind and solar energy have a high residual load, that is, a load or power that has to be applied by quickly controllable power plants. It is known to use pumped storage power plants for a highly fluctuating feed of wind turbines and solar plants because they can store and release energy surpluses. However, pumped storage power plants are usually designed as speed-rigid systems and also have a significantly reduced efficiency in part-load operation. Such pumped storage power plants are therefore poorly suited for operation with variable electrical power.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemässe Verfahren verwendet Turboverdichter beziehungsweise Turboexpander, das heisst rotierende Maschinen, zum Verdichten und Entspannen des Arbeitsgases, und weisen in Kombination mit einem Elektrizitätsnetz die Vorteile auf, dass einer raschen Änderung der Residuallast problemlos gefolgt werden kann, dass ein Teillastbetrieb mit hohem Wirkungsgrad möglich ist, dass in einer möglichen Ausgestaltung auch ein Betrieb mit variabler Drehzahl möglich ist, und dass die erfindungsgemässe Vorrichtung daher ausgezeichnet zur Stabilisierung des Elektrizitätsnetzes geeignet ist. Die erfindungsgemässe Vorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemässe Verfahren ist daher in der Lage die beiden für einen stabilen Betrieb eines Elektrizitätsnetzes erforderlichen Systemdienstleistungen Beschaffung von Regelleistung sowie Einsatz von Regelenergie bereitzustellen, und ist bezüglich dieser Systemdienstleistungen herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerken überlegen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist im Rahmen ihrer verfügbaren Speicherkapazität in der Lage in einem Elektrizitätsnetz die Differenz zwischen erzeugter und verbrauchter elektrischer Leistung ständig auszugleichen, und kann somit die Stabilität eines Elektrizitätsnetzes gewährleisten. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist einerseits in Kombination mit insbesondere erneuerbaren Energien betreibbar, um elektrische Energie zu speichern und zeitversetzt wieder abzugeben. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist jedoch auch zur Netzstabilisierung geeignet, in Kombination mit erneuerbaren Energien oder auch in herkömmlichen Elektrizitätsnetzen. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung ist die Tatsache, dass das Zurverfügungstellen von Regelleistung bei der Netzstabilisierung die grössten Kosten verursacht, und dass die erfindungsgemässe Vorrichtung eine solche Regelleistung erzeugen kann. Gegenüber Pumpspeicherkraftwerken weist die erfindungsgemässe Vorrichtung die Vorteile auf, dass diese kostengünstiger erstellbar ist, dass diese auch im Flachland erstellbar ist, dass ein geringerer Platzbedarf erforderlich ist, und dass diese bezüglich Landschaftsbild eine wesentlich geringere Beeinträchtigung verursachen und daher bei der Bevölkerung auf weniger Widerstand stossen.The device according to the invention or the method according to the invention uses turbo-compressors or turboexpanders, that is to say rotating machines, for compressing and relaxing the working gas, and in combination with an electricity network has the advantages that a rapid change of the residual load can be easily followed by a partial load operation high efficiency is possible that in a possible embodiment, a variable speed operation is possible, and that the inventive device is therefore excellent for stabilizing the electricity grid is suitable. The device according to the invention or the method according to the invention is therefore able to provide the two system services required for stable operation of an electricity network, provision of control power and use of control energy, and is superior to conventional pumped storage power plants with regard to these system services. Within the scope of its available storage capacity, the device according to the invention is capable of constantly balancing the difference between generated and consumed electrical power in an electricity grid, and thus can ensure the stability of an electricity grid. On the one hand, the device according to the invention can be operated in combination with, in particular, renewable energies in order to store electrical energy and release it again with a time delay. However, the device according to the invention is also suitable for network stabilization, in combination with renewable energies or in conventional electricity networks. A particular advantage of the inventive device is the fact that the provision of control power in the network stabilization causes the greatest costs, and that the inventive device can generate such a control power. Compared with pumped storage power plants, the device according to the invention has the advantages that it can be produced more cost-effectively, that it can be built in the lowlands, that a smaller space requirement is required, and that they cause a much lower impairment in terms of landscape image and therefore encounter less resistance in the population ,

Die erfindungsgemässe Vorrichtung verfügt auf Grund der rotierenden Schwungmassen von Motor, Generator und Turbomaschinen über eine Momentanreserve und ist daher in der Lage die Frequenz eines Elektrizitätsnetzes äusserst kurzfristig zu stabilisieren. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist zudem in der Lage durch eine Dichteänderung des Arbeitsgases und/oder eine Stellungsänderung der Vorleiträder von Turboverdichter und/oder Turboexpander und/oder einer Drehzahländerung von Turboverdichter und/oder Turboexpander kurzfristig Regelenergie beziehungsweise elektrische Energie aufzunehmen oder abzugeben, und kann daher eine positive oder negative Primärregelleistung, welche in Elektrizitätsnetzen üblicherweise innerhalb 30 Sekunden zur Verfügung zu stellen ist, oder auch eine Sekundärregelleistung, welche üblicherweise innerhalb von 5 Minuten zur Verfügung zu stellen ist, oder auch eine Minutenreserve, welche üblicherweise innerhalb von 15 Minuten zur Verfügung zu stellen ist, abgeben oder aufnehmen.The inventive device has due to the rotating masses of engine, generator and turbomachinery on a momentary reserve and is therefore able to stabilize the frequency of an electricity network extremely short term. The device according to the invention is also able to absorb or release control energy or electrical energy in the short term by a density change of the working gas and / or a change in position of the pilot vanes of turbo compressor and / or turboexpander and / or a speed change of turbocompressor and / or turboexpander, and can therefore provide a positive or negative primary control power, which is to be provided in electricity networks usually within 30 seconds, or also a secondary control power, which is usually to be provided within 5 minutes, or even a minute reserve, which is usually available within 15 minutes is, deliver or record.

Die erfindungsgemässe Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung, die auch als eine thermische Batterie bezeichnet werden könnte, kann insofern ähnlich einer Elektrobatterie geladen und entladen werden, als nebst einer Vollladung jederzeit auch ein Teilladen oder ein Teilentladen möglich ist. Das der erfindungsgemässen Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung zu Grunde liegende Speicherkonzept erlaubt es durch eine entsprechende Auslegung der Teilkomponenten vorzugsweise elektrische Leistungen im Bereich zwischen 1 bis 50 MW und vorzugsweise elektrische Energiemengen im Bereich zwischen 1 bis 250 MWh zu speichern und zeitverzögert wieder abzugeben. Auf Grund der relativ grossen speicherbaren elektrischen Energie bzw. Energiemenge ist die erfindungsgemässe Speichervorrichtung zur Netzstabilisierung einer Energieversorgung umfassend erneuerbare Energiequellen besonders gut geeignet.The current-heat-power storage device according to the invention, which could also be called a thermal battery, can be charged and discharged in the same way as an electric battery, in addition to a full charge at any time also a partial load or a partial discharge is possible. The memory concept underlying the current-heat-power storage device according to the invention makes it possible, by means of a corresponding design of the subcomponents, to store electrical powers in the range from 1 to 50 MW and preferably electrical energy quantities in the range from 1 to 250 MWh and release them again with a time delay. Due to the relatively large storable electrical energy or amount of energy, the storage device according to the invention for network stabilization of a power supply comprising renewable energy sources is particularly well suited.

Die erfindungsgemässe Speichervorrichtung umfasst einen Regenerator. Ein Regenerator ist ein Wärmetauscher, bei dem die Wärme während des Austauschvorgangs in einem Speichermaterial zwischengespeichert wird. Beim Laden des Regenerators wird die vom heissen Arbeitsgas zugeführte Wärmeenergie an das Speichermaterial abgegeben und im Speichermaterial gespeichert. Beim Entladen des Regenerators wird dem Speichermaterial kühles Arbeitsgas zugeführt, wobei das kühle Arbeitsgas dem Speichermaterial Wärmeenergie entzieht, sodass das Speichermaterial abgekühlt und das Arbeitsgas erwärmt wird, wobei die dem Arbeitsgas entzogene Wärmeenergie einem nachfolgenden Prozess zugeführt wird. In einer möglichen Ausgestaltung weist der Regenerator Rohre auf, durch welche das Arbeitsfluid strömt, wobei die Rohre thermisch leitend mit dem Speichermaterial gekoppelt sind, damit ein Wärmeaustausch auftritt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist der Regenerator einen mit Speichermaterial gefüllten, gasdurchlässigen Innenraum auf, wobei das Arbeitsgas direkt mit dem Speichermaterial in Kontakt kommt und dieses umströmt. Ein derartiger , gasdurchlässiger Regenerator weist den Vorteil auf, dass die Wärmeübertragungsfläche besonders gross ist, da das Speichermaterial direkt vom Arbeitsgas umströmt wird, sodass die Wärme besonders schnell an das Speichermaterial übertrag werden kann oder diesem entzogen werden kann, da das Arbeitsgas sowohl beim Laden als auch beim Entladen in direkten Kontakt mit dem Speichermaterial tritt.The storage device according to the invention comprises a regenerator. A regenerator is a heat exchanger in which the heat is temporarily stored in a storage material during the replacement process. When the regenerator is charged, the heat energy supplied by the hot working gas is released to the storage material and stored in the storage material. When discharging the regenerator, the storage material becomes cool working gas supplied, wherein the cool working gas extracts heat energy from the storage material, so that the storage material is cooled and the working gas is heated, wherein the heat energy extracted from the working gas is supplied to a subsequent process. In one possible embodiment, the regenerator has tubes, through which the working fluid flows, wherein the tubes are thermally coupled to the storage material, so that a heat exchange occurs. In a particularly preferred embodiment, the regenerator has a gas-permeable interior filled with storage material, wherein the working gas comes into direct contact with the storage material and flows around it. Such a gas-permeable regenerator has the advantage that the heat transfer surface is particularly large, since the storage material is flowed around directly by the working gas, so that the heat can be particularly fast transfer to the storage material or this can be withdrawn, since the working gas both when loading as also comes into direct contact with the storage material during unloading.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von mehreren Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben.The invention will be described below with reference to several embodiments in detail.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

Die zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele verwendeten Zeichnungen zeigen:

Fig. 1

eine Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung;

Fig. 2

einen Ladekreislauf im Detail;

Fig. 3

einen Entladekreislauf im Detail;

Fig. 4

ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung;

Fig. 5

einen Ladekreislauf mit vier Teilregeneratoren;

Fig. 6

einen Ladekreislauf mit zwei Teilregeneratoren;

Fig. 7

ein Entladekreislauf mit zwei Teilregeneratoren;

Fig. 8

ein T,s-Diagramm, welches den Einfluss der Dichteänderung dargestellt;

Fig. 9

ein Leistungs-Wirkungsgrad-Diagramm in Abhängigkeit der Anzahl Teilregeneratoren;

Fig. 10 - 12

je ein Diagramm betreffend Aufnahme und Abgabe elektrischer Leistung in Funktion der Zeit bei unterschiedlichen Betriebsverfahren;

Fig. 13

ein Detail des Regelverfahrens bei einer Änderung der abgegebenen Leistung.

The drawings used to explain the embodiments show:

Fig. 1

a power-heat-electricity storage device;

Fig. 2

a charging circuit in detail;

Fig. 3

a discharge circuit in detail;

Fig. 4

another embodiment of a power-heat-electricity storage device;

Fig. 5

a charging circuit with four partial regenerators;

Fig. 6

a charging circuit with two partial regenerators;

Fig. 7

a discharge circuit with two partial regenerators;

Fig. 8

a T, s diagram showing the influence of the density change;

Fig. 9

a power efficiency diagram as a function of the number of partial regenerators;

Fig. 10 - 12

in each case a diagram relating to recording and output of electrical power as a function of time in different operating methods;

Fig. 13

a detail of the regulatory procedure in the event of a change in the power delivered.

Grundsätzlich sind in den Zeichnungen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.Basically, the same parts are given the same reference numerals in the drawings.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele offenbart, welche sich unter anderem die Dichteregelung zu Nutze machen.Hereinafter, embodiments are disclosed which make use of, among other things, the density control.

Die Leistung einer Turbomaschine ist abhängig vom thermodynamischen Zustand der Maschine, charakterisiert durch die Enthalpiedifferenz Δh(T,p) und vom Massendurchsatz m der Maschine. So beträgt beispielsweise die Leistung P eines Turboexpanders bzw. einer Turbine $$\mathrm{P}=\mathrm{m}\mathrm{\Delta }\mathrm{h}\left(\mathrm{T},\mathrm{p}\right)$$

wobei:

m:

Massenstrom [kg/s]

Δh:

Enthalpiedifferenz [J/kg]

T:

Temperatur [K]

p:

Druck [Pa]

The performance of a turbomachine depends on the thermodynamic state of the engine, characterized by the enthalpy difference Δh (T, p) and the mass flow rate m of the engine. For example, the power P of a turboexpander or a turbine $$\mathrm{P}=\mathrm{m}\mathrm{\Delta }\mathrm{H}\left(\mathrm{T},\mathrm{p}\right)$$

in which:

m:

Mass flow [kg / s]

.delta.h:

Enthalpy difference [J / kg]

T:

Temperature [K]

p:

Pressure [Pa]

Der Massenstrom lässt sich berechnen zu $$\mathrm{m}=\mathrm{\rho V}$$

wobei:

ρ:

Dichte [kg/m³]

V:

Volumenstrom [m³/s]

The mass flow can be calculated $$\mathrm{m}=\mathrm{pv}$$

in which:

ρ:

Density [kg / m ³ ]

V:

Flow rate [m ³ / s]

Für die Dichte gilt: $$\mathrm{\rho }=\mathrm{p}/\left(\mathrm{RT}\right)$$

wobei:

R:

Gaskonstante [J/kgK]

For the density applies: $$\mathrm{\rho }=\mathrm{p}/\left(\mathrm{RT}\right)$$

in which:

R:

Gas constant [J / kgK]

Fasst man die drei genannten Gleichungen (1) bis (3) zusammen, so ergeben sich die nachfolgenden Gleichungen (4a, 4b): $$\mathrm{P}=\mathrm{\rho }\mathrm{V}\mathrm{\Delta }\mathrm{h}\left(\mathrm{T},\mathrm{p}\right)$$

$$\mathrm{P}=\mathrm{p}/\left(\mathrm{RT}\right)\mathrm{V}\mathrm{\Delta }\mathrm{h}\left(\mathrm{T},\mathrm{p}\right)$$

Summarizing the three mentioned equations (1) to (3), the following equations (4a, 4b) result: $$\mathrm{P}=\mathrm{\rho }\mathrm{V}\mathrm{\Delta }\mathrm{H}\left(\mathrm{T},\mathrm{p}\right)$$

$$\mathrm{P}=\mathrm{p}/\left(\mathrm{RT}\right)\mathrm{V}\mathrm{\Delta }\mathrm{H}\left(\mathrm{T},\mathrm{p}\right)$$

Gemäss Gleichung (4a) gilt, dass die Leistung P des Turboexpanders proportional zur Dichte des geförderten Arbeitsgases ist. Gemäss Gleichung (4b) gilt, dass die Leistung P des Turboexpanders proportional zum Druck p des geförderten Arbeitsgases ist. Wird die Dichte des Arbeitsgases beziehungsweise der Druck p des Arbeitsgases beispielsweise verdoppelt, so verdoppelt sich die resultierende Leistung P. Wird die Dichte des Arbeitsgases beziehungsweise der Druck p des Arbeitsgases beispielsweise halbiert, so halbiert sich die resultierende Leistung P.According to equation (4a), the power P of the turboexpander is proportional to the density of the delivered working gas. According to equation (4b), the power P of the turboexpander is proportional to the pressure p of the delivered working gas. Will the density of the For example, if the working gas or the pressure p of the working gas doubles, the resulting power P is doubled. If the density of the working gas or the pressure p of the working gas is halved, for example, the resulting power P is halved.

Die Leistungsaufnahme eines Turboverdichters beziehungsweise die Leistungsabgabe eines Turboexpanders kann somit durch eine Änderung der Dichte beziehungsweise des Drucks des Arbeitsgases geregelt werden. Voraussetzung ist, dass bei einer Dichte- bzw. Druckänderung sowohl der Eintrittsdruck als auch der Austrittsdruck der Turbomaschine angehoben beziehungsweise abgesenkt wird. Dies ist bei einem geschlossenen Kreislauf der Fall. Die erfindungsgemässe Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung weist zwei geschlossene Kreisläufe auf, den Ladekreislauf sowie den Entladekreislauf, und nutzt die Dichteänderung bzw. die Druckänderung des Arbeitsgases zur Regelung der aufgenommenen beziehungsweise der abgegebenen Leistung.The power consumption of a turbocompressor or the power output of a turboexpander can thus be regulated by a change in the density or the pressure of the working gas. The prerequisite is that in a density or pressure change, both the inlet pressure and the outlet pressure of the turbomachine is raised or lowered. This is the case with a closed circuit. The inventive power-heat-power storage device has two closed circuits, the charging circuit and the discharge circuit, and uses the density change or the pressure change of the working gas to control the recorded or the output power.

Wie aus den Gleichungen 4a und 4b ersichtlich könnte die Leistungsaufnahme des Turboverdichters beziehungsweise die Leistungsabgabe des Turboexpanders auch durch eine Volumenstromänderung erzielt werden. Eine Regelung basierend auf einer Veränderung des Volumenstroms weist jedoch den Nachteil auf, dass der Wirkungsgrad der Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung in der Teillast beziehungsweise im Teillastbetrieb stark abfällt, sodass eine Regelung der Dichte des Arbeitsgases wesentlich vorteilhafter ist.As can be seen from the equations 4a and 4b, the power consumption of the turbocompressor or the power output of the turboexpander could also be achieved by a volume flow change. However, a control based on a change in the volume flow has the disadvantage that the efficiency of the power-heat-electricity storage device drops sharply in the partial load or in partial load operation, so that a control of the density of the working gas is much more advantageous.

Das Betriebsverhalten des Turboverdichters beziehungsweise des Turboexpanders in der erfindungsgemässen Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung wird an Hand eines T,s-Diagrammes näher erläutert. Figur 8 zeigt das T,s-Diagramm des in Figur 3 dargestellten geschlossenen Entladekreislaufs 200.The operating behavior of the turbocompressor or the turboexpander in the inventive power-heat-current storage device will be explained in more detail with reference to a T, s diagram. FIG. 8 shows the T, s diagram of the in FIG. 3 illustrated closed Entladekreislaufs 200.

Figur 3 zeigt den in Figur 1 dargestellten geschlossenen Entladekreislauf 200, welcher als Gasturbinenprozess ausgestaltet ist, im Detail. Der geschlossene Entladekreislauf 200 für das Arbeitsgas A umfasst einen zweiten Turboverdichter 210, einen zweiten Turboexpander 250, einen zweiten Rekuperator 230 mit einem ersten und einem zweiten Wärmetauschkanal 230a, 230b, einen Hochtemperaturregenerator 120 sowie einen ersten Kühler 270, wobei der zweite Turboverdichter 210 über die Welle 214 mit dem zweiten Turboexpander 250 und einem Generator 290 gekoppelt ist. Im Endladekreislauf 200 ist eine Dichteänderungsvorrichtung 300 angeordnet, welche es erlaubt die Dichte beziehungsweise den Systemdruck des Arbeitsgases A beziehungsweise das obere und das untere Druckniveau des Arbeitsgases A zu verändern. Der Entladekreislauf 200 weist einen einzigen Regenerator auf, den Hochtemperaturregenerator 120. Figur 8 zeigt mit Y₁ den Kreisprozess beziehungsweise das T,s-Diagramm, bzw. das Temperatur-Entropie-Diagramm des geschlossenen Endladekreislaufs 200 bei einem Arbeitsgas A mit einer ersten Dichte, einer tiefen Dichte beziehungsweise einem tiefen Druck. Ausgehend vom Arbeitspunkt Y_1A, aufweisend das untere Druckniveau, wird das Arbeitsgas A durch den zweiten Turboverdichter 210 bis zum Arbeitspunkt Y_1B, aufweisend das obere Druckniveau, verdichtet, im vorliegenden Beispiel von 2 bar auf 8 bar. Bei Stillstand der Speichervorrichtung 1 erfolgt ein Druckausgleich zwischen dem unteren Druckniveau und dem oberen Druckniveau, sodass sich ein Stillstanddruck, auch als "Settle out Druck" bezeichnet, einstellt, der zwischen dem unteren und dem oberen Druckniveau liegt. Beim Betrieb der Speichervorrichtung 1 stellt sich auf Grund der Verdichter und Expander das untere und obere Druckniveau ein. Das Arbeitsgas A wird nach dem Arbeitspunkt Y_1B bis zum Arbeitspunkt Y_1C erwärmt, insbesondere durch den Hochtemperaturregenerator 120, daraufhin im zweiten Turboexpander 250 bis zum Arbeitspunkt Y_1D entspannt, und danach bis zum Arbeitspunkt Y_1A abgekühlt. Die Dichte beziehungsweise der Systemdruck des Arbeitsgases A wird nun angehoben, auf eine zweite Dichte, einer höheren Dichte, beziehungsweise einen zweiten Systemdruck, was zur Folge hat, dass der Kreisprozess nach links verschoben wird. Figur 8 zeigt mit Y₂ diesen nach links verschobenen Kreisprozess, beziehungsweise das T,s-Diagramm des geschlossenen Entladekreislaufs 200 bei einem Arbeitsgas A aufweisend die zweite Dichte. Ausgehend vom Arbeitspunkt Y_2A wird das Arbeitsgas A vom zweiten Turboverdichter 210 bis zum Arbeitspunkt Y_2B verdichtet, im vorliegenden Beispiel von 5 bar auf 20 bar. Das Arbeitsgas A wird danach bis zum Arbeitspunkt Y_2C erwärmt, daraufhin im zweiten Turboexpander 250 bis zum Arbeitspunkt Y_2D entspannt, und danach bis zum Arbeitspunkt Y_2A abgekühlt. Die in Figur 8 durchgezogenen Linien stellen Isobaren dar. Der Abkühlungsvorgang des Arbeitsgases A erfolgt somit in beiden Kreisprozessen Y₁, Y₂ nahezu entlang einer Isobaren. FIG. 3 shows the in FIG. 1 shown closed discharge circuit 200, which is configured as a gas turbine process, in detail. The closed unloading circuit 200 for the working gas A comprises a second turbocompressor 210, a second turboexpander 250, a second recuperator 230 having a first and a second heat exchange channel 230a, 230b, a high temperature regenerator 120 and a first cooler 270, the second turbocompressor 210 via the Wave 214 is coupled to the second turboexpander 250 and a generator 290. In the discharge circuit 200, a density-changing device 300 is arranged, which allows the density or the system pressure of the working gas A or to change the upper and lower pressure levels of the working gas A. The discharge circuit 200 has a single regenerator, the high temperature regenerator 120. FIG. 8 shows with Y _1, the cycle or the T, s-diagram, or the temperature-entropy diagram of the closed discharge circuit 200 at a working gas A with a first density, a low density or a low pressure. Starting from the operating point Y _1A , having the lower pressure level, the working gas A is compressed by the second turbocompressor 210 to the operating point Y _1B , comprising the upper pressure level, in the present example from 2 bar to 8 bar. At standstill of the storage device 1, a pressure equalization takes place between the lower pressure level and the upper pressure level, so that a standstill pressure, also referred to as "settle out pressure", adjusted, which is between the lower and the upper pressure level. During operation of the storage device 1, the lower and upper pressure levels are established due to the compressors and expanders. The working gas A is heated to the operating point Y _1B to the operating point Y _1C , in particular by the Hochtemperaturregenerator 120, then relaxed in the second turboexpander 250 to the operating point Y _1D , and then cooled to the operating point Y _1A . The density or the system pressure of the working gas A is now raised to a second density, a higher density, or a second system pressure, with the result that the cycle is shifted to the left. FIG. 8 shows with Y ₂ this left-shifted cycle, or the T, s diagram of the closed Entladekreislaufs 200 at a working gas A having the second density. Starting from the operating point Y _2A , the working gas A is compressed by the second turbocompressor 210 up to the operating point Y _2B , in the present example from 5 bar to 20 bar. The working gas A is then heated to the operating point Y _2C , then relaxed in the second turboexpander 250 to the operating point Y _2D , and then cooled to the operating point Y _2A . In the FIG. 8 solid lines represent isobars. The cooling process of the working gas A thus takes place in both circular processes Y ₁ , Y ₂ almost along an isobar.

Das Betriebsverhalten des Turboexpanders bzw. des Turboverdichters ist abhängig vom Eintrittsvolumenstrom, von dessen Drehzahl und der Stellung des Vorleitrades oder Vorleiträder. Wird der Turboexpander im Entladekreislauf 200 mit konstanter Drehzahl betrieben, dann verändert sich der Volumenstrom nicht. Die Dichteänderung hat jedoch gemäss Gleichung (1) zur Folge, dass die vom Turboexpander abgegebene Leistung erhöht beziehungsweise reduziert wird. Eine derartige Dichteregelung weist zudem den Vorteil auf, dass der Wirkungsgrad der Maschine vorzugsweise unverändert ist, und dass die Ecktemperaturen der Kreisprozesse Y₁, Y₂ und damit der Prozesswirkungsgrad unverändert oder im Wesentlichen unverändert bleibt, wie dies in Figur 8 aus dem dargestellten T,s-Diagramm ersichtlich ist. Die erfindungsgemässe Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung weist somit den Vorteil auf, dass die vom Entladekreislauf 200 abgegebene Leistung, beziehungsweise auf analoge Weise die vom Ladekreislauf 100 aufgenommene Leistung über eine Dichteregelung gesteuert werden kann, und dass der Wirkungsgrad des Entladekreislaufs beziehungsweise des Ladekreislaufs bei Volllastbetrieb wie auch bei Teillastbetrieb konstant beziehungsweise nahezu konstant bleibt. Somit kann die abgegebene und aufgenommene mechanische Leistung der erfindungsgemässen Speichervorrichtung 1, und falls ein Generator und ein Motor mit der Speichervorrichtung 1 gekoppelt ist, die abgegebene und aufgenommene elektrische Leistung von Motor und Generator durch die Druckregelung bzw. die Dichteregelung des Arbeitsgases A gesteuert werden. Insbesondere der Einfluss der Reynolds-Zahl wirkt sich in eingeschränktem Masse auf den Wirkungsgrad der Turbomaschinen aus. Auch hat die Reynolds-Zahl einen Einfluss auf den Wärmeübergang der kalorischen Apparate im Kreisprozess. Mit steigender Dichte bzw. steigendem Druck wird der Wärmeübergang verbessert, mit sinkender Dichte und Druck wird der Wärmeübergang reduziert. Die vorhin beschriebene Dichteregelung hat zur Folge, dass der geschlossene Ladekreislauf der erfindungsgemässen Speichervorrichtung, insbesondere der Wärmepumpenprozess des geschlossenen Ladekreislaufs, sowohl bei Volllast als auch bei Teillast einen nahezu konstanten Wirkungsgrad aufweist. Ebenso weist der geschlossene Endladekreislauf der erfindungsgemässen Speichervorrichtung, insbesondere der Gasturbinenprozess des geschlossenen Endladekreislaufs, einen nahezu konstanten Wirkungsgrad auf. Der Wirkungsgrad der Speichervorrichtung bleibt somit auch bei einem Teillastbetrieb konstant beziehungsweise nahezu konstant.The operating behavior of the turboexpander or of the turbocompressor depends on the inlet volume flow, its speed and the position of the guide wheel or guide vanes. If the turboexpander in the discharge circuit 200 is operated at constant speed, then the volume flow does not change. However, according to equation (1), the density change has the consequence that the power output by the turboexpander is increased or reduced. Such a density control also has the advantage that the efficiency of the machine is preferably unchanged, and that the corner temperatures of the cycle Y ₁ , Y ₂ and thus the process efficiency remains unchanged or substantially unchanged, such as this in FIG. 8 can be seen from the illustrated T, s diagram. The current-heat-power storage device according to the invention thus has the advantage that the output from the discharge circuit 200 power, or in an analogous manner, the power absorbed by the charging circuit 100 power can be controlled by a density control, and that the efficiency of the discharge circuit or the charging circuit at Full load operation as well as at partial load operation remains constant or almost constant. Thus, the output and absorbed mechanical power of the memory device 1 according to the invention, and if a generator and a motor is coupled to the memory device 1, the output and recorded electric power of the motor and generator can be controlled by the pressure control or the density control of the working gas A. In particular, the influence of the Reynolds number has a limited effect on the efficiency of turbomachinery. Also, the Reynolds number has an influence on the heat transfer of the caloric apparatus in the cycle. With increasing density or increasing pressure, the heat transfer is improved, with decreasing density and pressure, the heat transfer is reduced. The density control described above has the consequence that the closed charging circuit of the inventive storage device, in particular the heat pump process of the closed charging circuit, both at full load and at partial load has a nearly constant efficiency. Likewise, the closed Endladekreislauf the inventive storage device, in particular the gas turbine process of the closed discharge circuit, a nearly constant efficiency. The efficiency of the storage device thus remains constant or almost constant even at a partial load operation.

Fig. 1 zeigt eine Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung 1 zur Speicherung und Wiedergewinnung elektrischer Energie, nachfolgend auch als Energiespeichervorrichtung 1 bezeichnet. Die Energiespeichervorrichtung 1 umfasst einen Ladekreislauf 100 mit Leitungen 101, einen Entladekreislauf 200 mit Leitungen 201, einen Hochtemperaturregenerator 120, nachfolgend auch als Regenerator bezeichnet, zwei Dichteänderungsvorrichtungen 300 sowie Schaltmittel 400, 401, wobei die Schaltmittel 400, 401 derart mit den Leitungen 101, 201 verbunden sind, dass der Hochtemperaturregenerator 120 Fluid leitend und umschaltbar entweder mit dem Ladekreislauf 100 oder mit dem Entladekreislauf 200 zu einem geschlossenen Kreislauf verbunden werden kann, sodass der Ladekreislauf 100 und der Entladekreislauf 200 den Hochtemperaturregenerator 120 nacheinander im Gegenstrom durchströmen. Eine Regelungsvorrichtung 500 ist signalleitend mit den Schaltmitteln 400, 401 und weiteren, nicht im Detail dargestellten Sensoren und Aktuatoren verbunden, um die Energiespeichervorrichtung 1 anzusteuern und Zustandsgrössen wie Druck, Drehzahl, Temperatur, aufgenommene Leistung, abgegebene Leistung usw. zu messen. Die Figuren 2 und 3 zeigen den in Figur 1 dargestellten Ladekreis 100 bzw. Entladekreis 200 umfassend die Dichteänderungsvorrichtung 300 im Detail. Fig. 1 shows a current-heat-power storage device 1 for storing and recovering electrical energy, hereinafter also referred to as energy storage device 1. The energy storage device 1 comprises a charging circuit 100 with lines 101, a discharge circuit 200 with lines 201, a Hochtemperaturregenerator 120, hereinafter also referred to as a regenerator, two density change devices 300 and switching means 400, 401, wherein the switching means 400, 401 in such a way with the lines 101, 201 connected to the high-temperature regenerator 120 fluid conductively and switchable either with the charging circuit 100 or with the discharge circuit 200 can be connected to a closed circuit, so that the charging circuit 100 and the discharge circuit 200, the high-temperature regenerator 120 successively flow in countercurrent. A control device 500 is signal-conducting connected to the switching means 400, 401 and further, not shown in detail sensors and actuators to the energy storage device 1 to control and measure variables such as pressure, speed, temperature, power consumed, output power, etc. to measure. The Figures 2 and 3 show the in FIG. 1 illustrated charging circuit 100 and discharge circuit 200 comprising the density-changing device 300 in detail.

Der Hochtemperaturregenerator wird von einem im geschlossenen Kreislauf zirkulierenden Arbeitsgas durchströmt, wobei der Ladekreislauf dem Hochtemperaturregenerator Wärme zuführt, und wobei der Entladekreislauf dem Hochtemperaturregenerator Wärme entzieht. Im Ladekreislauf liegt die Temperatur des in den Hochtemperaturregenerator einströmenden Arbeitsgases vorzugsweise im Bereich zwischen 600 bis 1000 °C, und die Temperatur des aus dem Hochtemperaturregenerator ausströmenden Arbeitsgases grundsätzlich tiefer, und vorzugsweise im Bereich zwischen 400 °C bis 700 °C. Das Arbeitsgas soll dabei vorzugsweise möglichst ungehindert durch den Hochtemperaturregenerator strömen und dabei die Wärme abgegeben beziehungsweise aufnehmen. Der Hochtemperaturregenerator sollte vorzugsweise die nachfolgenden, teilweise widersprüchlichen Anforderungen erfüllen:

• Die Wärmekapazität sollte möglichst gross sein, das heisst ein Regenerator aus einem dicht gepacktem Material hoher Wärmekapazität.
• Der Druckverlust sollte möglichst klein sein. Dies könnte mit einem Regenerator mit geringer Durchströmgeschwindigkeit.
• Die mit dem durchströmenden Arbeitsgas in Berührung kommende Fläche sollte möglichst groß sein bzw. die Durchströmgeschwindigkeit hoch, damit ein guter Wärmeübergang erreicht wird.
• Der Regenerator sollte langlebig sein.

Der Hochtemperaturregenerator 120 enthält ein festes Speichermaterial sowie ein Arbeitsgas A als Wärmeträger, um zwischen dem Speichermaterial und dem durchströmenden Arbeitsgas A Wärme auszutauschen. Als festes Speichermaterial für den Hochtemperaturregenerator 120 sind beispielsweise poröse feuerfeste Materialien, Sand, Kies, Gestein, Beton, Graphit oder auch eine Keramik wie Siliziumkarbid geeignet. Der Hochtemperaturregenerator 120 umfasst eine Aussenhülle 120a sowie einen Innenraum, wobei im Innenraum das feste Speichermaterial derart angeordnet und/oder ausgestaltet ist, dass das Speichermaterial zum Wärmeaustausch vom Arbeitsgas A durchströmt oder umströmt werden kann. Das Speichermaterial wird sowohl im Ladekreislauf als auch im Entladekreislauf vorzugsweise direkt vom Arbeitsgas umströmt und gelangt somit in direkten Kontakt mit dem Arbeitsgas. Vorteilhafterweise ist etwa 40% bis 70% des Innenraums mit Speichermaterial gefüllt, beziehungsweise sind 30% bis 60% des Speichervolumens mit Arbeitsgas A gefüllt. Der Hochtemperaturregenerator 120 umfasst, wie aus Figur 2 ersichtlich, zudem zumindest eine Eintrittsöffnung 120b sowie zumindest eine Austrittsöffnung 120c um das in den Leitungen 101 bzw. 201 strömende Arbeitsgas A dem Innenraum des Hochtemperaturregenerators zu- bzw. abzuführen, sodass das im Ladekreislauf 100 oder im Entladekreislauf 200 zirkulierende Arbeitsgas A in Kontakt, vorzugsweise in direkten Kontakt mit dem festen Speichermaterial gelangt. Die Figuren 1 bis 3 zeigt einen in vertikaler Richtung verlaufenden bzw. angeordneten Hochtemperaturregenerator 120, wobei das Arbeitsgas A beim Laden von oben nach unten strömt und beim Entladen von unten nach oben strömt.The high-temperature regenerator is flowed through by a circulating in a closed circuit working gas, the charging circuit to the high-temperature regenerator supplies heat, and wherein the Entladekreislauf the high-temperature regenerator withdraws heat. In the charging circuit, the temperature of the working gas flowing into the high-temperature regenerator is preferably in the range between 600 to 1000 ° C., and the temperature of the working gas flowing out of the high-temperature regenerator is generally lower, and preferably in the range between 400 ° C. and 700 ° C. The working gas should preferably flow through the high-temperature regenerator as unhindered as possible, thereby releasing or absorbing the heat. The high temperature regenerator should preferably meet the following, sometimes contradictory requirements:

• The heat capacity should be as large as possible, that is to say a regenerator made of a densely packed material of high heat capacity.
• The pressure loss should be as small as possible. This could be done with a low flow rate regenerator.
• The coming into contact with the flowing working gas surface should be as large as possible or the flow rate high, so that a good heat transfer is achieved.
• The regenerator should be long lasting.

The Hochtemperaturregenerator 120 includes a solid storage material and a working gas A as a heat transfer medium to exchange heat between the storage material and the working gas A flowing through. As a solid storage material for the Hochtemperaturregenerator 120, for example, porous refractory materials, sand, gravel, rock, concrete, graphite or a ceramic such as silicon carbide are suitable. The high-temperature regenerator 120 comprises an outer shell 120a and an inner space, wherein the solid storage material is arranged and / or configured in the interior such that the storage material for heat exchange can be flowed through or flowed around by the working gas A. The storage material is preferably flowed around both directly in the charging circuit and in the discharge cycle of the working gas and thus comes in direct contact with the working gas. Advantageously, about 40% to 70% of the interior space is filled with storage material, or 30% to 60% of the storage volume is filled with working gas A. The high temperature regenerator 120 includes, as shown in FIG FIG. 2 can be seen, moreover, at least one inlet opening 120b and at least one Outlet opening 120c to the working in the lines 101 and 201 flowing working gas A to the interior of the Hochtemperaturregenerators or dissipate, so that in the charging circuit 100 or in the discharge circuit 200 circulating working gas A comes into contact, preferably in direct contact with the solid storage material. The FIGS. 1 to 3 shows a vertically running or arranged Hochtemperaturregenerator 120, wherein the working gas A when charging flows from top to bottom and flows during discharge from bottom to top.

Figur 2 zeigt den in Figur 1 dargestellten geschlossenen Ladekreislauf 100 im Detail. Der geschlossene Ladekreislauf 100 für das Arbeitsgas A umfasst einen ersten Turboverdichter110, einen ersten Turboexpander 140, einen ersten Rekuperator 130 mit einem ersten und einem zweiten Wärmetauschkanal 130a, 130b, den Hochtemperaturregenerator 120 sowie einen Vorwärmer 151, wobei der erste Turboverdichter 110 über eine gemeinsame Welle 114 mit dem ersten Turboexpander 140 und einem Elektromotor 170 gekoppelt ist. Der erste Turboverdichter 110 sowie der ersten Turboexpander 140 bilden die Grundelemente einer Wärmepumpe 2. Die als Ventile ausgestalteten Schaltmittel 400 sind auf Durchfluss geschaltet und die in Figur 2 nicht dargestellten Schaltmittel 401 sind gesperrt, sodass sich ein geschlossener Ladekreislauf 100 ausbildet, in welchem das Arbeitsgas A in Strömungsrichtung A1 bzw. in Ladeströmungsrichtung A1 strömt. Als Arbeitsgas A wird vorzugsweise Argon oder Stickstoff verwendet. Ausgehend vom Hochtemperaturregenerator 120 wird das Arbeitsgas A nacheinander folgend zumindest dem ersten Wärmetauschkanal 130a des Rekuperators 130, dem ersten Turboexpander 140, dem Vorwärmer 151, dem zweiten Wärmetauschkanal 130b des Rekuperators 130, dem ersten Turboverdichter 110 und danach wiederum dem Hochtemperatur-Regenerator 120 zugeführt, unter Ausbildung eines geschlossenen, Fluid leitenden Ladekreislaufs 100. Der Ladekreislauf 100 umfasst einen Hochdruckabschnitt 100a sowie einen Niederdruckabschnitt 100b, wobei der Hochdruckabschnitt 100a in Strömungsrichtung A1 zwischen dem ersten Turboverdichter 110 und dem ersten Turboexpander 140 verläuft, und wobei der Niederdruckabschnitt 100b in Strömungsrichtung A1 zwischen dem ersten Turboexpander 140 und dem ersten Turboverdichter 110 verläuft. Eine Dichteänderungsvorrichtung 300 umfasst einen Druckbehälter 301, der über eine Leitung 305 und ein Ventil 302 mit dem Niederdruckabschnitt 100b verbunden ist, und der über eine Leitung 306, einen Verdichter 304 und ein Ventil 303 mit dem Hochdruckabschnitt 100a verbunden ist. Mit Hilfe der Dichteänderungsvorrichtung 300 kann dem Ladekreislauf 100 ansteuerbar Arbeitsgas A entnommen werden oder kann Arbeitsgas A zugeführt werden, sodass die Dichte des Arbeitsgases A und somit die Leistungsaufnahme des ersten Turboverdichters 110 beeinflusst werden kann, sodass der Ladekreislauf 100 durch eine Dichteänderung ansteuerbar mit Volllast oder einer einstellbaren Teillast betrieben werden kann. Das Arbeitsgas A wird vorteilhafterweise unter erhöhtem Druck gehalten, um die Leistungsdichte des Verdichters 110 und der Turbine 140 zu erhöhen und den Wärmeübergang in den kalorischen Apparaten wie dem Rekuperator 130 oder dem Vorwärmer 151 zu verbessern. Der Druck des Arbeitsgases A wird vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 20 bar gehalten beziehungsweise geregelt. FIG. 2 shows the in FIG. 1 illustrated closed charging circuit 100 in detail. The closed charge cycle 100 for the working gas A comprises a first turbo compressor 110, a first turboexpander 140, a first recuperator 130 with a first and a second heat exchange channel 130a, 130b, the high temperature regenerator 120 and a preheater 151, wherein the first turbocompressor 110 via a common shaft 114 is coupled to the first turboexpander 140 and an electric motor 170. The first turbocompressor 110 and the first turboexpander 140 form the basic elements of a heat pump 2. The switching means 400 designed as valves are switched to flow and the in FIG. 2 Switching means 401, not shown, are blocked, so that a closed charging circuit 100 is formed, in which the working gas A flows in the flow direction A1 or in the charging flow direction A1. As the working gas A, argon or nitrogen is preferably used. Starting from the high-temperature regenerator 120, the working gas A is fed in succession to at least the first heat exchange channel 130a of the recuperator 130, the first turboexpander 140, the preheater 151, the second heat exchange channel 130b of the recuperator 130, the first turbocompressor 110 and then again to the high temperature regenerator 120, The charging circuit 100 comprises a high-pressure section 100a and a low-pressure section 100b, wherein the high-pressure section 100a runs in the flow direction A1 between the first turbocompressor 110 and the first turboexpander 140, and wherein the low-pressure section 100b in the flow direction A1 between the first turboexpander 140 and the first turbocompressor 110. A density changing device 300 includes a pressure vessel 301 connected to the low pressure section 100b via a conduit 305 and a valve 302, and connected to the high pressure section 100a via a conduit 306, a compressor 304, and a valve 303. With the aid of the density-changing device 300, working gas A can be removed controllably from the charging circuit 100 or working gas A can be supplied, so that the density of the working gas A and thus the power consumption of the first turbocompressor 110 can be influenced, so that the charging circuit 100 can be operated by a density change controllable with full load or an adjustable part load. The working gas A is advantageously kept under increased pressure in order to increase the power density of the compressor 110 and the turbine 140 and to improve the heat transfer in the caloric apparatus such as the recuperator 130 or the preheater 151. The pressure of the working gas A is preferably maintained or regulated in a range of 1 to 20 bar.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform könnte die Dichteänderungsvorrichtung 300 auch derart ausgestaltet sein, dass das Arbeitsgas A des Ladekreislaufs 100 zur Dichtereduktion an die Umgebung entlassen wird, und dass das Arbeitsgas A zur Dichteerhöhung zum Beispiel aus einem Druck beaufschlagten Speicher wieder in den Ladekreislauf 100 eingeführt wird. Ein solches Vorgehen wäre zum Beispiel mit einem unkritischen Arbeitsgas A wie Stickstoff möglich. Da die erfindungsgemässe Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung vorzugsweise während mehreren tausend Stunden pro Jahr betrieben werden soll ist es jedoch vorteilhafter, wenn das Arbeitsgas A in einem Speicherbehälter 301 zwischengespeichert wird, insbesondere auch dann, wenn als Arbeitsgas A ein relativ teures Gas wie beispielsweise Argon verwendet wird. Um den Speicherbehälter 301 nicht unverhältnismässig gross werden zu lassen ist es vorteilhaft, das Arbeitsgas A mittels eines Verdichters 304 in den Speicherbehälter 301 zu pumpen. Der Verdichter 304 ist vorteilhafterweise mit dem Hochdruckteilabschnitt 100a verbunden. Das Arbeitsgas A wird vorteilhafterweise über den Niederdruckabschnitt 110b wieder dem Ladekreislauf 100 zugeführt.In another possible embodiment, the density changing device 300 could also be configured such that the working gas A of the charge cycle 100 is released to the environment for density reduction, and the working gas A is reintroduced into the charge cycle 100 to increase the density, for example, from a pressurized reservoir , Such an approach would be possible, for example, with a non-critical working gas A such as nitrogen. However, since the current-heat-power storage device according to the invention is preferably operated for several thousand hours per year, it is more advantageous if the working gas A is temporarily stored in a storage tank 301, especially if as working gas A a relatively expensive gas such as Argon is used. In order not to let the storage tank 301 become disproportionately large, it is advantageous to pump the working gas A by means of a compressor 304 into the storage tank 301. The compressor 304 is advantageously connected to the high pressure section 100a. The working gas A is advantageously returned to the charging circuit 100 via the low-pressure section 110b.

Der erste Turboverdichter 110, der erste Turboexpander 140, der erste Rekuperator 130 sowie der Vorwärmer 151 bilden eine Wärmepumpe 2. Das vom Vorwärmer 151 und dem Rekuperator 130 vorgewärmte Arbeitsgas A wird als Eingangsgas dem ersten Turboverdichter 110 zugeführt, darin verdichtet, und erfährt dadurch eine Temperatur- und Druckerhöhung. Das verdichtete Arbeitsgas A wird dem Hochtemperaturregenerator 120 zugeführt, darin abgekühlt, nachfolgend im Rekuperator 130 weiter abgekühlt, und anschliessend im ersten Turboexpander 140 entspannt, um anschliessend im Vorwärmer 151 und im Rekuperator 130 wieder vorgewärmt zu werden. Der erste Turboexpander 140 und der Turboverdichter 110 sind auf derselben Welle 114 angeordnet, sodass der erste Turboexpander 140 das Antreiben des ersten Turboverdichters 110 unterstützt. Die Welle 114 wird vom Elektromotor 170 angetrieben, wobei an Stelle des Elektromotors 170 auch eine andere Antriebsvorrichtung geeignet ist, beispielsweise eine Turbine, oder allgemein eine Kraftmaschine.The first turbocompressor 110, the first turboexpander 140, the first recuperator 130 and the preheater 151 form a heat pump 2. The working gas A preheated by the preheater 151 and the recuperator 130 is supplied as input gas to the first turbocompressor 110, compressed therein, and thereby experiences a Temperature and pressure increase. The compressed working gas A is fed to the high-temperature regenerator 120, cooled therein, subsequently cooled further in the recuperator 130, and subsequently expanded in the first turbo-expander 140, in order subsequently to be preheated in the preheater 151 and in the recuperator 130. The first turbo-expander 140 and the turbocompressor 110 are disposed on the same shaft 114 so that the first turbo-expander 140 assists in driving the first turbocompressor 110. The shaft 114 is driven by the electric motor 170, wherein instead of the electric motor 170 also another drive device is suitable, for example a turbine, or in general an engine.

Um die im Hochtemperaturregenerator 120 gespeicherte Wärmeenergie wieder zu entladen ist ein Entladekreislauf 200 erforderlich. Figur 3 zeigt den in Figur 1 dargestellten geschlossenen Entladekreislauf 200, welcher als Gasturbinenprozess ausgestaltet ist, im Detail. Als Arbeitsgas A wird dasselbe Gas wie im Ladekreislauf 100 verwendet, vorzugsweise Argon oder Stickstoff. Der geschlossene Entladekreislauf 200 für das Arbeitsgas A umfasst einen zweiten Turboverdichter 210, einen zweiten Turboexpander 250, einen zweiten Rekuperator 230 mit einem ersten und einem zweiten Wärmetauschkanal 230a, 230b, den Hochtemperaturregenerator 120 sowie einen ersten Kühler 270, wobei der zweite Turboverdichter 210 über die Welle 214 mit dem zweiten Turboexpander 250 und einem Generator 290 gekoppelt ist. Die als Ventile ausgestalteten Schaltmittel 401 sind auf Durchfluss geschaltet und die in Figur 3 nicht dargestellten Schaltmittel 400 sind gesperrt, sodass sich ein geschlossener Entladekreislauf 200 ausbildet, in welchem das Arbeitsgas A in Strömungsrichtung A2 bzw. in Entladeströmungsrichtung A2 strömt. Der Entladekreislauf 200 ist derart ausgebildet, dass ausgehend vom Hochtemperaturregenerator 120 nacheinander folgend zumindest der zweite Turboexpander 250, der erster Wärmetauschkanal 230a des zweiten Rekuperators 230, der erste Kühler 270, der zweite Turboverdichter 210, der zweite Wärmetauschkanal 230b des Rekuperators 230, und danach der Hochtemperatur-Regenerator 120 unter Ausbildung des geschlossenen Kreislaufs Fluid leitend miteinander verbunden sind, wobei das Arbeitsgas A im Entladekreislauf 200 in Strömungsrichtung A2 bzw. in Entladeströmungsrichtung A2 strömt. Der Entladekreislauf 200 umfasst einen Hochdruckabschnitt 200a sowie einen Niederdruckabschnitt 200b, wobei der Hochdruckabschnitt 200a in Strömungsrichtung A2 zwischen dem zweiten Turboverdichte 210 und dem zweiten Turboexpander 250 verläuft, und wobei der Niederdruckabschnitt 200b in Strömungsrichtung A2 zwischen dem zweiten Turboexpander 250 und dem zweiten Turboverdichter 210 verläuft. Eine Dichteänderungsvorrichtung 300 umfasst einen Druckbehälter 301, der über die Leitung 305 und das Ventil 302 mit dem Niederdruckabschnitt 200b verbunden ist, und der über die Leitung 306, den Verdichter 304 und das Ventil 303 mit dem Hochdruckabschnitt 200a verbunden ist. Mit Hilfe der Dichteänderungsvorrichtung 300 kann dem Entladekreislauf 200 Arbeitsgas A entnommen werden oder Arbeitsgas A zugeführt werden, sodass die Dichte des Arbeitsgases A und somit die Leistungsabgabe des zweiten Turboexpanders 250 beeinflusst werden kann, sodass der Entladekreislauf 200 regelbar mit Volllast oder Teillast betrieben werden kann.In order to discharge the heat energy stored in the high-temperature regenerator 120 again, a discharge circuit 200 is required. FIG. 3 shows the in FIG. 1 shown closed discharge circuit 200, which is configured as a gas turbine process, in detail. As the working gas A, the same gas as in the charging circuit 100 is used, preferably argon or nitrogen. The closed discharge circuit 200 for the working gas A comprises a second turbocompressor 210, a second turboexpander 250, a second recuperator 230 with a first and a second heat exchange channel 230a, 230b, the Hochtemperaturregenerator 120 and a first radiator 270, wherein the second turbocompressor 210 via the Wave 214 is coupled to the second turboexpander 250 and a generator 290. The designed as valves switching means 401 are connected to flow and the in FIG. 3 Switching means 400, not shown, are blocked, so that a closed discharge circuit 200 is formed, in which the working gas A flows in the flow direction A2 or in the discharge flow direction A2. The discharge circuit 200 is configured such that, starting from the high-temperature regenerator 120, at least the second turboexpander 250, the first heat exchange channel 230a of the second recuperator 230, the first cooler 270, the second turbocompressor 210, the second heat exchange channel 230b of the recuperator 230, and then the second heat exchanger 230 High-temperature regenerator 120 are fluidly connected to one another with formation of the closed circuit fluid, wherein the working gas A flows in the discharge circuit 200 in the flow direction A2 and in Entladeströmungsrichtung A2. The discharge circuit 200 comprises a high-pressure section 200a and a low-pressure section 200b, wherein the high-pressure section 200a runs between the second turbo-compression 210 and the second turboexpander 250 in the flow direction A2, and the low-pressure section 200b extends in the flow direction A2 between the second turboexpander 250 and the second turbocompressor 210 , A density changing device 300 includes a pressure vessel 301 connected to the low pressure section 200b via the conduit 305 and the valve 302, and connected to the high pressure section 200a via the conduit 306, the compressor 304, and the valve 303. With the aid of the density-changing device 300, working gas A can be taken from the discharge circuit 200 or working gas A can be supplied, so that the density of the working gas A and thus the power output of the second turboexpander 250 can be influenced so that the unloading circuit 200 can be controllably operated at full load or at partial load.

Wie in Figur 3 dargestellt wird im ersten Kühler 270 vorzugsweise auf Umgebungstemperatur U gekühlt.As in FIG. 3 is shown in the first cooler 270 is preferably cooled to ambient temperature U.

Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich fliesst im Hochtemperaturregenerator 120 die Entladeströmungsrichtung A2 in entgegengesetzter Richtung zur Ladeströmungsrichtung A1. Das aus dem Hochtemperaturregenerator 120 ausströmende Arbeitsgas A wird über den zweiten Turboexpander 250 entspannt und dadurch gekühlt, und wird danach im zweiten Rekuperator 230 und im ersten Kühler 270 weiter gekühlt, bevor das Arbeitsgas A im zweiten Turboverdichter 210 komprimiert wird und anschliessend im zweiten Rekuperator 230 vorgewärmt wird, um danach wieder in den Hochtemperaturregenerator 120 einzuströmen. Der zweite Turboverdichter 210 und der zweite Turboexpander 250 sind auf derselben Welle 214 angeordnet, sodass der zweite Turboexpander 250 den zweiten Turboverdichter 210 antreibt. Der Welle 214 wird durch den Generator 290 Energie entnommen. An Stelle eines Generators könnte beispielsweise auch eine Arbeitsmaschine mit der Welle 214 verbunden sein.Like from the Figures 2 and 3 In the high-temperature regenerator 120, it is apparent that the discharge flow direction A2 flows in the opposite direction to the charging flow direction A1. The effluent from the Hochtemperaturregenerator 120 working gas A is relaxed via the second turboexpander 250 and thereby cooled, and is then further cooled in the second recuperator 230 and the first radiator 270 before the working gas A is compressed in the second turbocompressor 210 and then in the second recuperator 230th is preheated to then flow back into the Hochtemperaturregenerator 120. The second turbocompressor 210 and the second turboexpander 250 are disposed on the same shaft 214 so that the second turboexpander 250 drives the second turbocompressor 210. The shaft 214 is taken by the generator 290 energy. For example, instead of a generator, a work machine could also be connected to the shaft 214.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung könne der erste Turboverdichter 110 und der zweite Turboverdichter 210 und vorzugsweise auch der erste Turboexpander 140 und der zweite Turboexpander 250 je ein verstellbares Vorleitrad 110a, 210a, 140a, 250a umfassen. Ein Verstellen dieser Vorleiträder erlaubt es die Leistungsaufnahme beziehungsweise die Leistungsabgabe der Turboverdichter 110, 210 und der Turboexpander 140, 250 schnell zu ändern.In a further advantageous embodiment, the first turbocompressor 110 and the second turbocompressor 210 and preferably also the first turboexpander 140 and the second turboexpander 250 may each comprise an adjustable leading wheel 110a, 210a, 140a, 250a. An adjustment of these Vorleiträder allows the power consumption or the power output of the turbocompressors 110, 210 and the turboexpander 140, 250 to change quickly.

Figur 4 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer Energiespeichervorrichtung 1. Im Unterschied zu der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Energiespeichervorrichtung 1 mit zwei separaten Rekuperatoren 130 weist die in Figur 4 dargestellte Energiespeichervorrichtung 1 einen einzigen, gemeinsamen Rekuperator 130 auf. Das Arbeitsgas A wird mit Hilfe von Schaltmitteln 400, 401 wie Ventilen derart schaltbar geleitet, dass ein Ladekreislauf 100 beziehungsweise ein Entladekreislauf 200 entsteht, ähnlich dem in Figur 2 bzw. 3 dargestellten Ladekreislauf 100 bzw. Entladekreislauf 200, mit Ausnahme, dass nur ein einziger, gemeinsamer Rekuperator 130 vorhanden ist. FIG. 4 shows a particularly advantageous embodiment of an energy storage device 1. In contrast to the in the FIGS. 1 to 3 illustrated energy storage device 1 with two separate recuperators 130 has the in FIG. 4 illustrated energy storage device 1 a single, common recuperator 130. The working gas A is conducted with the aid of switching means 400, 401 such as valves so switchable that a charging circuit 100 and a discharge circuit 200 is formed, similar to that in FIG. 2 or 3 illustrated charging circuit 100 and Entladekreislauf 200, with the exception that only a single, common recuperator 130 is present.

In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Energiespeichervorrichtung 1 nebst dem Ladekreislauf 100 und dem Entladekreislauf 200 zudem noch ein Vorwärmesystem 150 für ein zirkulierendes Vorwärmfluid V. Das Vorwärmesystem 150 umfasst insbesondere einen ersten Fluidspeicher 152, in welchem ein erwärmtes Vorwärmfluid V1 gespeichert wird, einen zweiten Fluidspeicher 222, in welchem ein abgekühltes Vorwärmfluid V2 gespeichert wird, sowie Fluidleitungen 155, 224 und gegebenenfalls Fördermittel 153, 223 um das Vorwärmfluid V im Vorwärmesystem 150 zu zirkulieren und insbesondere dem Vorwärmer 151 und dem Kühler 221 zuzuführen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das erwärmte Vorwärmfluid V, ausgehend vom ersten Fluidspeicher 152 dem Vorwärmer 151 zugeführt, und das danach abgekühlte Vorwärmfluid V dem zweiten Fluidspeicher 222 zugeführt. Das abgekühlte Vorwärmfluid V des zweiten Fluidspeichers 222 wird einem Kühler 221 zugeführt, und das danach erwärmte Vorwärmfluid V dem ersten Fluidspeicher 152 zugeführt. Als Vorwärmfluid V wird vorzugsweise Wasser verwendet. Der zweite Fluidspeicher 222 könnte als ein Behälter ausgestaltet sein, sodass das Vorwärmesystem 150 einen geschlossenen Kreislauf ausbildet. Der zweite Fluidspeicher 222 könnte auch offen ausgestaltet sein, wobei an Stelle eines Behälters auch ein Gewässer, beispielsweise ein See, geeignet wäre zur Aufnahme des abgekühlten Vorwärmfluides V beziehungsweise zur Bereitstellung von Kühlfluid V.In a further, particularly advantageous embodiment, the energy storage device 1, in addition to the charging circuit 100 and the discharge circuit 200, also comprises a preheating system 150 for a circulating preheating fluid V. The preheating system 150 comprises, in particular, a first fluid reservoir 152, in which a heated preheating fluid V1 is stored second fluid reservoir 222, in which a cooled Vorwärmfluid V2 is stored, and fluid lines 155, 224 and optionally conveying means 153, 223 to circulate the preheating fluid V in the preheating system 150 and in particular the preheater 151st and the radiator 221 supply. In the illustrated embodiment, the heated Vorwärmfluid V, starting from the first fluid reservoir 152 is supplied to the preheater 151, and the then cooled Vorwärmfluid V supplied to the second fluid reservoir 222. The cooled preheating fluid V of the second fluid reservoir 222 is supplied to a radiator 221, and the preheating fluid V heated thereafter is supplied to the first fluid reservoir 152. Water is preferably used as preheating fluid V. The second fluid reservoir 222 could be configured as a container such that the preheating system 150 forms a closed circuit. The second fluid reservoir 222 could also be designed to be open, wherein, instead of a container, a body of water, for example a lake, would be suitable for receiving the cooled preheating fluid V or for providing cooling fluid V.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Energiespeichervorrichtung 1 zur Speicherung von elektrischer Energie und zur zeitlich versetzten Abgabe von elektrischer Energie verwendet. Figur 4 zeigt eine derartige Speichervorrichtung für elektrische Energie umfassend die Energiespeichervorrichtung 1 sowie umfassend einen Elektromotor 170 und einen Generator 290. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind der Elektromotor 170 und der Generator 290 zu einer einzigen Maschine zusammengefasst unter Ausbildung eines sogenannten Motorgenerators. Die in Figur 4 dargestellte Energiespeichervorrichtung 1 ist daher besonders günstig herstellbar, weil nur ein einziger Motorgenerator 170/290, ein einziger Hochtemperaturregenerator 120 und ein einziger Rekuperator 130 erforderlich sind.In a particularly advantageous embodiment, the energy storage device 1 is used for the storage of electrical energy and for the staggered delivery of electrical energy. FIG. 4 shows such a storage device for electrical energy comprising the energy storage device 1 and comprising an electric motor 170 and a generator 290. In a particularly advantageous embodiment, the electric motor 170 and the generator 290 are combined into a single machine to form a so-called motor generator. In the FIG. 4 illustrated energy storage device 1 is therefore particularly low to produce because only a single motor generator 170/290, a single Hochtemperaturregenerator 120 and a single recuperator 130 are required.

Zur Funktionsweise der in Figur 4 dargestellten, besonders vorteilhaften Energiespeichervorrichtung 1 werden nachfolgend noch einige Details erläutert. Der erste Turboverdichter 110, der erste Turboexpander 140, der erste Rekuperator 130 sowie der Vorwärmer 151 bilden im Ladekreislauf 100 eine Wärmepumpe. Das vorgeheizte Arbeitsgas A wird dem ersten Turboverdichter 110 zugeführt, darin verdichtet und erwärmt, und durchströmt als Arbeitsgas A den Ladekreislauf 100. Das Arbeitsgas A wird danach durch den Hochtemperaturregenerator 120 geleitet, dabei abgekühlt und nachfolgend im Rekuperator 130 nochmals abgekühlt. Das Arbeitsgas A wird danach im ersten Turboexpander 140 entspannt auf den tiefsten Druck im Ladekreislauf 100, beispielsweise auf einen Druck von etwa 1 bis 5 bar, wobei die dadurch im ersten Turboexpander 140 freigesetzte Energie zum teilweisen Antrieb des ersten Turboverdichters 110 genutzt wird. Das Arbeitsgas A fliest danach durch den Vorwärmer 151 und wird dabei vorgewärmt. Der Vorwärmer 151 ist mit dem Vorwärmesystem 150 verbunden und bezieht die Wärmeenergie aus dem ersten Fluidspeicher 152 für das warme Vorwärmfluid, in der dargestellten Ausführungsform als warmes Wasser.To the functioning of in FIG. 4 shown, particularly advantageous energy storage device 1 will be explained below some details. The first turbocompressor 110, the first turboexpander 140, the first recuperator 130 and the preheater 151 form a heat pump in the charging circuit 100. The preheated working gas A is fed to the first turbocompressor 110, compressed and heated therein, and flows through the charging circuit 100 as working gas A. The working gas A is then passed through the Hochtemperaturregenerator 120, thereby cooled and then cooled again in the recuperator 130. The working gas A is then expanded in the first turboexpander 140 to the lowest pressure in the charging circuit 100, for example to a pressure of about 1 to 5 bar, wherein the energy released thereby in the first turboexpander 140 is used to partially drive the first turbocompressor 110. The working gas A then flows through the preheater 151 and is preheated. The preheater 151 is connected to the preheating system 150 and draws the heat energy from the first fluid storage 152 for the warm preheating fluid, in the illustrated embodiment as warm water.

Der Entladekreislauf 200 umfasst einen zweiten Turboverdichter 210, ausgestaltet als ein zwischengekühlter Gasturbinenverdichter mit einem Kühler 221, und umfasst den Rekuperator 130, den Hochtemperaturregenerator 120, den zweiten Turboexpander 250 und den ersten Kühler 270, der zur Umgebung U kühlt. Der Kühler 221 ist über Leitungen 224 mit dem Vorwärmesystem 150 verbunden, wobei kühles Fluid dem Speicher 222 entnommen wird, über das Fördermittel 223 dem Kühler 221 zugeführt wird, und wobei das erwärmte Fluid dem Speicher 152 zugeführt wird.The discharge cycle 200 includes a second turbocompressor 210 configured as an intercooled gas turbine compressor with a radiator 221, and includes the recuperator 130, the high temperature regenerator 120, the second turboexpander 250, and the first radiator 270, which cools to the environment U. The radiator 221 is connected to the preheating system 150 via lines 224, with cool fluid being removed from the reservoir 222, via which conveyor 223 is supplied to the radiator 221, and the heated fluid is supplied to the accumulator 152.

Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ladekreises 100 mit einer Dichteänderungsvorrichtung 300. Im Unterschied zu dem in Figur 2 dargestellten Ladekreislauf 100 umfasst der in Figur 5 dargestellte Ladekreislauf 100 einen einzigen Hochtemperaturregenerator 120 bestehend aus vier parallel geschalteten Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d. Im gesamten Ladekreislauf 100 ist somit ein einziger Regenerator 120 angeordnet, das heisst, der Ladekreislauf 100 weist keine nacheinander in Serie geschalteten Regeneratoren auf. Der einzige Regenerator 120 kann als einziger Behälter ausgestaltet sein, oder kann wie in den Ausführungsbeispielen gemäss Figuren 5 und 6 dargestellt eine Mehrzahl von parallel geschalteten Teilregeneratoren aufweisen. Der Ladekreislauf 100 umfasst einen Hochdruckabschnitt 100a sowie einen Niederdruckabschnitt 110b, wobei die Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d im Hochdruckabschnitt 100a angeordnet sind, und wobei Ventile 307 bis 310 sowie 321 bis 324 angeordnet sind, um die Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d einzeln oder mehrere parallel Fluid leitend mit dem Hochdruckabschnitt 100a zu verbinden. Die Ventile 307 bis 310 sowie 321 bis 324 müssen vorzugsweise nur Ein- und Ausschalten und sind beispielsweise als Klappenventile ausgestaltet. FIG. 5 shows a further embodiment of a charging circuit 100 with a density changing device 300. In contrast to the in FIG. 2 illustrated charging circuit 100 includes the in FIG. 5 illustrated charging circuit 100 a single Hochtemperaturregenerator 120 consisting of four parallel Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d. In the entire charging circuit 100 thus a single regenerator 120 is arranged, that is, the charging circuit 100 has no sequentially connected in series regenerators. The single regenerator 120 may be configured as a single container, or may, as in the embodiments according to FIGS. 5 and 6 illustrated have a plurality of parallel-connected Teilregeneratoren. The charging circuit 100 comprises a high-pressure section 100a and a low-pressure section 110b, wherein the partial regenerators 120a, 120b, 120c, 120d are arranged in the high-pressure section 100a, and wherein valves 307 to 310 and 321 to 324 are arranged to supply the partial regenerators 120a, 120b, 120c, 120d individually or more in parallel fluid conductively connected to the high-pressure section 100a. The valves 307 to 310 and 321 to 324 preferably only have to be switched on and off and are designed, for example, as flap valves.

Es kann sich zum Beispiel aus Kostengründen als vorteilhaft erweisen anstelle eines einzigen, grossen Hochtemperaturregenerators 120 eine Mehrzahl kleinere, parallel geschaltete Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d vorzusehen. Die Anzahl parallel geschalteter Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d kann beliebig gross sein, wobei sich eine Anzahl zwischen 2 und 10 als besonders vorteilhaft erweist. Üblicherweise ist jeweils nur ein einziger der Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d, in Figur 5 beispielsweise der Teilregenerator 120a, aktiv im Hochdruckabschnitt 120a in den Kreislauf eingebunden und vom zirkulierenden Arbeitsgas A durchströmt, während die weiteren, vorübergehend inaktiven Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d auf Grund der geschlossenen Ventile keine Fluid leitende Verbindung zum Hochdruckabschnitt 120a aufweisen und somit vom Lade- bzw. Entladeprozess entkoppelt sind. Die einzelnen Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d sind entweder erhitzt beziehungsweise vollständig geladen und stehen zur Entleerung beziehungsweise zum Entladeprozess bereit, oder sie sind kalt und stehen zur Erwärmung beziehungsweise zum Laden bereit wobei das obere Ende generell heiss ist und das untere Ende generell eine tiefere Temperatur aufweist. Die einzelnen Teilwärmspeicher 120a, 120b, 120c, 120d können auch teilweise geladen beziehungsweise teilweise entladen sein. Das Innenvolumen eines Teilregenerators ist mit einem wärmespeichernden Material und einem Gasvolumen gefüllt, wobei das Gasvolumen bzw. die Porosität des Speichermaterials vorzugsweise zwischen 30-60 % des Innenvolumens des Teilregenerators beträgt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Ladekreis 100 eine Dichteänderungsvorrichtung 300 zur Leistungsregelung.For reasons of cost, for example, it may be advantageous to provide a plurality of smaller, partially connected partial regenerators 120a, 120b, 120c, 120d instead of a single, large high-temperature regenerator 120. The number of parallel-connected partial regenerators 120a, 120b, 120c, 120d can be of any desired size, with a number between 2 and 10 proving to be particularly advantageous. Usually, only a single one of the partial regenerators 120a, 120b, 120c, 120d, in each case FIG. 5 For example, the partial regenerator 120a, actively involved in the high pressure section 120a in the circuit and flows through the circulating working gas A, while the other, temporarily inactive Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d due to the closed valves have no fluid conducting connection to the high pressure section 120a and thus from the loading or unloading process are decoupled. The individual partial regenerators 120b, 120c, 120d are either heated or fully charged and ready for emptying or for the discharge process, or they are cold and are ready for heating or charging with the upper end is generally hot and the lower end generally a lower temperature having. The individual partial heat storages 120a, 120b, 120c, 120d may also be partially charged or partially discharged. The internal volume of a partial regenerator is filled with a heat-storing material and a gas volume, wherein the gas volume or the porosity of the storage material is preferably between 30-60% of the internal volume of the partial regenerator. In an advantageous embodiment, the charging circuit 100 comprises a density-changing device 300 for power control.

Der Hochtemperaturregenerator 120, umfassend eine Mehrzahl parallel geschalteter Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d, kann, wie aus den Figuren 1 bis 3 ersichtlich, durch ein entsprechendes Schalten der Ventile 400, 401 unter Ausbildung eines geschlossenen Kreislaufs Fluid leitend mit dem Ladekreislauf 100 oder dem Entladekreislauf 200 verbunden werden.The Hochtemperaturregenerator 120, comprising a plurality of parallel-connected Teilregeneratoren 120 a, 120 b, 120 c, 120 d, can, as shown in FIGS. 1 to 3 can be connected by a corresponding switching of the valves 400, 401 to form a closed circuit fluid conductively connected to the charging circuit 100 or the discharge circuit 200.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Strom-Wärme-Strom-Speichervorrichtung 1 wird zumindest einer und vorzugsweise mehrere der inaktiven Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d beziehungsweise deren Gasvolumen verwendet zur Zwischenspeicherung von Arbeitsgas A, um dadurch die Dichte beziehungsweise den Druck des im Ladekreislauf 100 beziehungsweise im Entladekreislauf 200 zirkulierenden Arbeitsgases A zu verändern, um dadurch die Leistung zu regeln. Figur 6 zeigt ein derartiges Ausführungsbeispiel an Hand einer Anordnung des Hochtemperaturregenerators 120 im Ladekreis 100, wobei der Hochtemperaturregenerator 120, im Vergleich zu der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform, nur zwei parallel geschaltete Teilregeneratoren 120a, 120b umfasst, wobei die Anordnung nebst den bereits in Figur 5 offenbarten Schaltventilen 307, 308, 309, 310 zusätzliche Komponenten umfasst, nämlich Ventile 312, 313, 314 und Leitungen 317, 318 und 319. Diese zusätzlichen Komponenten, in Kombination mit den Teilregeneratoren 120a, 120b, erlauben es eine Dichteänderungsvorrichtung 300 ausbilden, und ersetzen deshalb die in Figur 5 dargestellte Dichteänderungsvorrichtung 300.In a particularly advantageous embodiment of the power-heat-current storage device 1 at least one and preferably more of the inactive Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d or their gas volume is used for temporary storage of working gas A, thereby the density or the pressure in the charging circuit 100 and in the discharge circuit 200 circulating working gas A to change, thereby regulating the performance. FIG. 6 shows such an embodiment with reference to an arrangement of the Hochtemperaturregenerators 120 in the charging circuit 100, wherein the Hochtemperaturregenerator 120, in comparison to the in FIG. 5 illustrated embodiment, only two partial regenerators 120a, 120b connected in parallel, wherein the arrangement together with those already in FIG. 5 disclosed switching valves 307, 308, 309, 310 comprises additional components, namely valves 312, 313, 314 and lines 317, 318 and 319. These additional components, in combination with the partial regenerators 120a, 120b, make it possible to form a density changing device 300, and replace therefore the in FIG. 5 illustrated density change device 300.

Die Funktion der in Figur 6 verwendeten Dichteänderungsvorrichtung 300 wird nachfolgend an Hand unterschiedlicher Betriebszustände erläutert. Der Ladekreislauf 100 umfasst einen Hochdruckabschnitt 100a, in welchem das Arbeitsgas A einen höheren Druck von beispielsweise 8 bar aufweist. Der Ladekreislauf 100 umfasst zudem einen Niederdruckabschnitt 100b, in welchem das Arbeitsgas A einen niederen Druck von beispielsweise 2 bar aufweist. Der erste Teilregenerator 120a wird aktiv geschaltet, bildet Teil des Ladekreislaufes 100, und ist vom Arbeitsgas A durchströmt. Der zweite Teilregenerator 120b ist als Druckspeicher 301 verwendet, wobei der zweite Teilregenerator 120b nicht aktiv in den Ladekreislauf 100 geschaltet ist, sondern als Zwischenspeicher für das Arbeitsgas A dient. Die Masse des Arbeitsgases A im Ladekreislauf 100 wird geändert, indem Arbeitsgas A zwischen dem zweiten Teilregenerator 120b und dem Ladekreislauf 100 verschoben wird.The function of in FIG. 6 The density changing device 300 used will be explained below with reference to different operating conditions. The charging circuit 100 includes a high pressure section 100a, in which the working gas A is a higher pressure of, for example 8 bar. The charging circuit 100 also includes a low-pressure section 100b, in which the working gas A has a low pressure of, for example, 2 bar. The first partial regenerator 120a is activated, forms part of the charging circuit 100, and is flowed through by the working gas A. The second partial regenerator 120b is used as a pressure accumulator 301, wherein the second partial regenerator 120b is not actively connected in the charging circuit 100, but serves as a buffer for the working gas A. The mass of the working gas A in the charging circuit 100 is changed by shifting working gas A between the second dividing regenerator 120b and the charging circuit 100.

Im ersten Betriebszustand sind die Ventile 309 und 310 geöffnet, und die Ventile 307 und 308 sowie die Ventile 312, 313 und 314 sind geschlossen, sodass der erste Teilregenerator 120a Teil des Ladekreislaufs 100 bildet und vom Arbeitsgas A durchströmt ist, wogegen der zweite Teilregenerator 120b vom Ladekreislauf 100 getrennt ist. Der Druck im Teilregenerator 120b sei tief, d.h. bei 2 bar. Das Arbeitsgas A im Hochdruckabschnitt 100a weist einen hohen Druck von 8 bar auf. In diesem Zustand hat ein Öffnen des Ventils 312 zur Folge, dass Arbeitsgas A über die Leitung 319 in den zweiten Teilregenerator 120b fliesst, sodass dem Ladekreislauf 100 Masse entnommen wird und die Dichte sowie der Druck des Arbeitsgases im Ladekreislauf 100 somit sinkt. Sobald dem Ladekreislauf 100 genügend Arbeitsgas A bzw. eine genügend grosse Masse entnommen ist, wird das Ventil 312 wieder geschlossen.In the first operating state, the valves 309 and 310 are opened, and the valves 307 and 308 and the valves 312, 313 and 314 are closed, so that the first Teilregenerator 120a forms part of the charging circuit 100 and the working gas A flows through, whereas the second Teilregenerator 120b is separated from the charging circuit 100. The pressure in partial regenerator 120b is low, i. at 2 bar. The working gas A in the high-pressure section 100a has a high pressure of 8 bar. In this state, an opening of the valve 312 results in working gas A flowing via the line 319 into the second partial regenerator 120b, so that 100 mass is taken from the charging circuit and the density and the pressure of the working gas in the charging circuit 100 thus decreases. Once the charging circuit 100 enough working gas A or a sufficiently large mass is removed, the valve 312 is closed again.

Der Druck im zweiten Teilregenerator 120b steigt maximal auf den Druck des ersten Teilregenerators 120a, sodass in einem zweiten Betriebszustand der zweite Teilregenerator 120b einen erhöhten Druck aufweist. Der maximal erreichbare Druck ist abhängig vom Verhältnis des Volumens des aktiven Ladekreislaufs 100 und des Teilregenerators 120b. In diesem Zustand hat ein Öffnen des Ventils 313 zur Folge, dass Arbeitsgas A über die Leitung 317 aus dem zweiten Teilregenerator 120b in den Niederdruckabschnitt 100b fliesst, sodass dem Ladekreislauf 100 Masse zugeführt wird und die Dichte sowie der Druck des Arbeitsgases A im Ladekreislauf 100 somit steigt. Sobald dem Ladekreislauf 100 genügend Arbeitsgas A bzw. eine genügend grosse Masse zugeführt ist wird das Ventil 313 wieder geschlossen.The pressure in the second Teilregenerator 120b increases to a maximum on the pressure of the first Teilregenerators 120a, so that in a second operating state, the second Teilregenerator 120b has an increased pressure. The maximum achievable pressure is dependent on the ratio of the volume of the active charging circuit 100 and the partial regenerator 120b. In this state, opening the valve 313 results in working gas A flowing from the second partial regenerator 120b into the low-pressure section 100b via the line 317, so that mass is supplied to the charging circuit 100 and the density and pressure of the working gas A in the charging circuit 100 are thus increased increases. Once the charging circuit 100 sufficient working gas A or a sufficiently large mass is supplied, the valve 313 is closed again.

Durch diesen hiermit beschriebenen ersten und zweiten Betriebszustand ist es somit möglich den zweiten Teilregenerator 120b als Druckspeicher 301 zu nutzen, um die Masse Arbeitsgas A im Ladekreislauf 100 zu ändern.As a result of this first and second operating state described hereby, it is thus possible to use the second partial regenerator 120b as an accumulator 301 in order to change the mass of working gas A in the charging circuit 100.

Um dem Ladekreislauf 100 eine noch grössere Masse an Arbeitsgases A zuzuführen beziehungsweise abzuführen, ist es vorteilhaft, eine Mehrzahl von parallel geschalteten Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d vorzusehen, wie dies beispielsweise in Figur 5 dargestellt ist. In einer möglichen Ausführungsform ist der erste Teilregenerator 120a Teil des Ladekreislaufs 100 und ist vom Arbeitsgas A durchströmt, wogegen der zweite, dritte und vierte Teilregenerator 120b, 120c, 120d über Ventile vom Ladekreislauf 100 getrennt, aber in diesen zuschaltbar sind. Jeder dieser drei Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d kann über Ventile mit dem Hochdruckabschnitt 100a oder dem Tiefdruckabschnitt 100b verbunden werden, sodass ein entsprechender Austausch des Arbeitsgases A zwischen dem jeweiligen Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d und dem Ladekreislauf 100 stattfindet. Je mehr Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d zum Austausch des Arbeitsgases A zur Verfügung stehen, desto grösser ist die Gesamtmasse an Arbeitsgas A, die zwischen dem Ladekreislauf 100 und den Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d, welche als Massespeicher dienen, ausgetauscht werden kann.In order to supply or discharge an even greater mass of working gas A to the charging circuit 100, it is advantageous to provide a plurality of partial regenerators 120b, 120c, 120d connected in parallel, as is described, for example, in US Pat FIG. 5 is shown. In one possible embodiment, the first partial regenerator 120a is part of the charging circuit 100 and flows through the working gas A, whereas the second, third and fourth Teilregenerator 120b, 120c, 120d separated by valves from the charging circuit 100, but in this switchable. Each of these three partial regenerators 120b, 120c, 120d can be connected via valves to the high-pressure section 100a or the low-pressure section 100b, so that a corresponding replacement of the working gas A takes place between the respective partial regenerators 120b, 120c, 120d and the charging circuit 100. The more partial regenerators 120b, 120c, 120d are available for the exchange of the working gas A, the greater the total mass of working gas A, which can be exchanged between the charging circuit 100 and the partial regenerators 120b, 120c, 120d, which serve as a mass storage.

Das am Beispiel des Ladekreislaufs 100 beschriebene Zu- und Abführen von Arbeitsgas A in und aus dem Ladekreislauf 100 durch Schalten von Ventilen kann auf analoge Weise auch im Entladekreislauf 200 erfolgen. Figur 7 zeigt einen Entladekreislauf 200 mit einem ersten und einem zweiten Teilregenerator 120a, 120b.
Der Entladekreislauf 200 umfasst einen Hochdruckabschnitt 200a, in welchem das Arbeitsgas A einen höheren Druck von beispielsweise 8 bar aufweist. Der Entladekreislauf 200 umfasst zudem einen Niederdruckabschnitt 200b, in welchem das Arbeitsgas A einen niederen Druck von beispielsweise 2 bar aufweist. Der erste Teilregenerator 120a wird aktiv geschaltet, bildet Teil des Entladekreislaufes 200, und ist vom Arbeitsgas A durchströmt. Der zweite Teilregenerator 120b ist als Druckspeicher 301a verwendet, wobei der zweite Teilregenerator 120b nicht aktiv in den Ladekreislauf 100 geschaltet ist, sondern als Zwischenspeicher für das Arbeitsgas A dient. Der Masse des Arbeitsgases A im Endladekreislauf 200 wird geändert, indem Arbeitsgas A zwischen dem zweiten Teilregenerator 120b und dem Entladekreislauf 200 ausgetauscht wird.The feeding and discharging of working gas A into and out of the charging circuit 100, described by the example of the charging circuit 100, by switching valves can also be carried out in an analogous manner in the unloading circuit 200. FIG. 7 shows a discharge circuit 200 with a first and a second Teilregenerator 120a, 120b.
The discharge circuit 200 comprises a high-pressure section 200a, in which the working gas A has a higher pressure of, for example, 8 bar. The discharge circuit 200 also includes a low pressure section 200b, in which the working gas A has a low pressure of, for example, 2 bar. The first Teilregenerator 120 a is switched active, forms part of the Entladekreislaufes 200, and is traversed by the working gas A. The second partial regenerator 120b is used as an accumulator 301a, wherein the second partial regenerator 120b is not actively connected in the charging circuit 100, but serves as a buffer for the working gas A. The mass of the working gas A in the discharge circuit 200 is changed by exchanging working gas A between the second dividing regenerator 120 b and the unloading circuit 200.

Im ersten Betriebszustand sind die Ventile 309 und 310 geöffnet, und die Ventile 307 und 308 sowie die Ventile 312, 313 und 314 sind geschlossen, sodass der erste Teilregenerator 120a Teil des Entladekreislaufs 200 bildet und vom Arbeitsgas A durchströmt ist, wogegen der zweite Teilregenerator 120b vom Entladekreislauf 200 getrennt ist. Der Druck im Teilregenerator 120b sei tief, d.h. bei 2 bar. Das Arbeitsgas A im Hochdruckabschnitt 200a weist einen hohen Druck von 8 bar auf. In diesem Zustand hat ein Öffnen des Ventils 312 zur Folge, dass Arbeitsgas A über die Leitung 319 in den zweiten Teilregenerator 120b fliesst, sodass dem Entladekreislauf 200 Masse entnommen wird und die Dichte sowie der Druck des Arbeitsgases im Entladekreislauf 200 somit sinkt. Sobald dem Entladekreislauf 200 genügend Arbeitsgas A bzw. eine genügend grosse Masse entnommen ist wird das Ventil 312 wieder geschlossen.In the first operating state, the valves 309 and 310 are opened, and the valves 307 and 308 and the valves 312, 313 and 314 are closed, so that the first Teilregenerator 120a forms part of the Entladekreislaufs 200 and the working gas A flows through, whereas the second Teilregenerator 120b is separated from the discharge circuit 200. The pressure in the partial regenerator 120b is low, ie at 2 bar. The working gas A in the high-pressure section 200a has a high pressure of 8 bar. In this state, opening the valve 312 causes working gas A to flow into the second partial regenerator 120b via the line 319, so that the discharge cycle 200 mass is removed and thus the density and the pressure of the working gas in the discharge circuit 200 thus decreases. Once the discharge circuit 200 enough working gas A or a sufficiently large mass is removed, the valve 312 is closed again.

Der Druck im zweiten Teilregenerator 120b steigt maximal auf den Druck des ersten Teilregenerators 120a, sodass in einem zweiten Betriebszustand der zweite Teilregenerator 120b einen erhöhten Druck aufweist. Der maximal erreichbare Druck ist abhängig vom Verhältnis des Volumens des aktiven Ladekreislaufs 100 und des Teilregenerators 120b. In diesem Zustand hat ein Öffnen des Ventils 313 zur Folge, dass Arbeitsgas A über die Leitung 317 aus dem zweiten Teilregenerator 120b in den Niederdruckabschnitt 200b fliesst, sodass dem Entladekreislauf 200 Masse zugeführt wird und die Dichte sowie der Druck des Arbeitsgases A im Entladekreislauf 200 somit steigt. Sobald dem Entladekreislauf 200 genügend Arbeitsgas A bzw. eine genügend grosse Masse zugeführt ist wird das Ventil 313 wieder geschlossen.The pressure in the second Teilregenerator 120b increases to a maximum on the pressure of the first Teilregenerators 120a, so that in a second operating state, the second Teilregenerator 120b has an increased pressure. The maximum achievable pressure is dependent on the ratio of the volume of the active charging circuit 100 and the partial regenerator 120b. In this state, opening the valve 313 causes working gas A to flow from the second part regenerator 120b into the low pressure section 200b via the line 317, so that the discharge circuit 200 is supplied with ground and thus the density and pressure of the working gas A in the discharge circuit 200 increases. Once the discharge circuit 200 enough working gas A or a sufficiently large mass is supplied, the valve 313 is closed again.

Durch diesen hiermit beschriebenen ersten und zweiten Betriebszustand ist es somit möglich den zweiten Teilregenerator 120b als Druckspeicher 301a zu nutzen, um die Masse Arbeitsgas A im Entladekreislauf 200 zu ändern.As a result of this first and second operating state described hereby, it is thus possible to use the second partial regenerator 120b as an accumulator 301a in order to change the mass of working gas A in the unloading circuit 200.

Um dem Entladekreislauf 100 eine noch grössere Masse an Arbeitsgases A zuzuführen beziehungsweise abzuführen ist es, wie mit Figur 6 bereits beschrieben, vorteilhaft eine Mehrzahl von parallel geschalteten Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d vorzusehen, wie dies beispielsweise in Figur 5 dargestellt ist. In einer möglichen Ausführungsform bildet der erste Teilregenerator 120a Teil des Entladekreislaufs 200 und ist vom Arbeitsgas A durchströmt, wogegen der zweite, dritte und vierte Teilregenerator 120b, 120c, 120d über Ventile vom Entladekreislauf 200 getrennt, aber in diesen zuschaltbar sind. Jeder dieser drei Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d kann über Ventile mit dem Hochdruckabschnitt 200a oder dem Tiefdruckabschnitt 200b verbunden werden, sodass ein entsprechender Austausch des Arbeitsgases A zwischen dem jeweiligen Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d und dem Entladekreislauf 200 stattfindet. Je mehr Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d zum Austausch des Arbeitsgases A zur Verfügung stehen, desto grösser ist die Gesamtmasse an Arbeitsgas A, die zwischen dem Entladekreislauf 200 und den Teilregeneratoren 120b, 120c, 120d, welche als Massespeicher dienen, ausgetauscht werden kann.To supply the discharge cycle 100 an even greater mass of working gas A or dissipate it is as with FIG. 6 already described, advantageously provide a plurality of parallel-connected partial regenerators 120b, 120c, 120d, as for example in FIG. 5 is shown. In one possible embodiment, the first Teilregenerator 120a forms part of the Entladekreislaufs 200 and is traversed by the working gas A, while the second, third and fourth Teilregenerator 120b, 120c, 120d via valves from the Entladekreislauf 200 separately, but in this switchable. Each of these three partial regenerators 120b, 120c, 120d can be connected via valves to the high-pressure section 200a or the low-pressure section 200b, so that a corresponding exchange of the working gas A takes place between the respective partial regenerators 120b, 120c, 120d and the discharge circuit 200. The more partial regenerators 120b, 120c, 120d are available for exchanging the working gas A, the greater is the total mass of working gas A, which can be exchanged between the unloading circuit 200 and the partial regenerators 120b, 120c, 120d, which serve as mass storage.

Der Ladekreislauf 100 und/oder der Entladekreislauf 200 können auch zwei oder mehrere Druckänderungsvorrichtungen 300 umfassen. Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Entladekreislaufs 200 umfassend zwei Druckänderungsvorrichtungen 300. Die erste Druckänderungsvorrichtung 300 umfasst, wie vorhin mit Figur 7 beschrieben, den Druckspeicher 301a, die Ventile 309, 310, 307, 308, 312, 313 und 314 sowie die entsprechenden Leitungen, wie in Figur 7 dargestellt. Die zweite Druckänderungsvorrichtung 300 umfasst einen Druckbehälter 301, Leitungen 305, 306, Ventile 302, 303 sowie einen Verdichter 304. Der Ladekreislauf 100 und/oder der Entladekreislauf 200 können die erste und/oder die zweite Druckänderungsvorrichtungen 300 umfassen.The charge cycle 100 and / or the discharge loop 200 may also include two or more pressure change devices 300. FIG. 7 shows an embodiment of the Entladekreislaufs 200 comprising two pressure change devices 300. The first pressure change device 300 comprises, as previously with FIG. 7 described, the pressure accumulator 301a, the valves 309, 310, 307, 308, 312, 313 and 314 and the corresponding lines, as in FIG. 7 shown. The second pressure changing device 300 comprises a pressure vessel 301, lines 305, 306, valves 302, 303, and a compressor 304. The charging circuit 100 and / or the discharge circuit 200 may include the first and / or the second pressure changing devices 300.

Figur 9 zeigt das Betriebsverhalten der erfindungsgemässen Speichervorrichtung 1 bei Voll- und Teillast. Die Abszissenachse zeigt für den Ladevorgang die der Speichervorrichtung 1 über den Elektromotor 170 zugeführte Leistung Pz in Prozent, beziehungsweise zeigt für den Entladevorgang die über den Generator 290 abgeführte Leistung Pz in Prozent. Die maximale Leistung Pzmax entspricht der maximal möglichen Leistung des Elektromotors beziehungsweise des Generators. Die Ordinatenachse zeigt für den Ladeprozess die Leistungszahl des Wärmepumpenprozesses und zeigt für den Entladeprozess den Wirkungsgrad des Gasturbinenprozesses. Die Kurve C umfasst einen ersten Kurvenabschnitt C1 sowie einen zweiten Kurvenabschnitt C2 und zeigt das Betriebsverhalten einer erfindungsgemässen Speichervorrichtung 1 umfassend zwei parallel angeordnete Teilregeneratoren 120a, 120b, wie dies in den Figuren 6, 7 und 8 dargestellt ist. Der erste Kurvenabschnitt C1 zeigt den Verlauf der Leistungszahl beim Ladevorgang bzw. den Wirkungsgrad beim Entladen mit der im Zusammenhang mit den Figuren 6 und 7 beschriebenen Dichteregelung. Der erste Kurvenabschnitt C1 verläuft zwischen 70% und 100% der zugeführten bzw. abgeführten Leistung Pz horizontal, was bedeutet, dass im Bereich zwischen 70% und 100% keine Änderung der Leistungszahl bzw. des Wirkungsgrads beim Entladen auftritt. Die erfindungsgemässe Speichervorrichtung 1 weist somit den Vorteil auf, dass diese auch im Teillastbetrieb während des Lade- und Entladevorgangs mit konstanter Leistungszahl beim Laden bzw. konstantem Wirkungsgrad beim Entladen betreibbar ist. Der zweite Kurvenabschnitt C2 zeigt, dass die erfindungsgemässe Speichervorrichtung 1 umfassend zwei Teilregeneratoren 120a, 120b auch bei einer zugeführten bzw abgeführten Leistung P_Z von unterhalb 70% der maximalen Leistung betrieben werden kann. Dieser zweite Kurvenabschnitt C2, welcher sich über einen Teillastbereich zwischen etwa 45% und 70% erstreckt, wird durch ein Verstellen der Vorleiträder 110a, 140a erreicht bzw. durch Verstellung der Vorleiträder 210a und 250a. Der zweite Kurvenabschnitt C2 weist somit einerseits den Nachteil auf, dass die Leistungszahl beim Laden bzw. der Wirkungsgrad beim Entladen sinken. Andererseits weist der zweite Kurvenabschnitt C2 den Vorteil auf, dass sich die Leistungsaufnahme bzw. Leistungsabgabe der erfindungsgemässen Speichervorrichtung 1 in einem Teilleistungsbereich zwischen 45% und 100% der maximal zugeführten bzw. abgeführten Leistung P_Zmax betreiben lässt. FIG. 9 shows the performance of the inventive storage device 1 at full and part load. For the charging process, the abscissa axis shows the power Pz supplied to the storage device 1 via the electric motor 170 in percent, or shows the power Pz dissipated via the generator 290 in percent for the discharging process. The maximum power Pzmax corresponds to the maximum possible power of the electric motor or of the generator. The ordinate axis shows the coefficient of performance of the heat pump process for the charging process and shows the efficiency of the gas turbine process for the unloading process. The curve C comprises a first curve section C1 and a second curve section C2 and shows the operating behavior of a memory device 1 according to the invention comprising two partial regenerators 120a, 120b arranged in parallel, as shown in FIGS FIGS. 6 . 7 and 8 is shown. The first curve section C1 shows the course of the coefficient of performance during the charging process or the discharge efficiency with that associated with the FIGS. 6 and 7 described density control. The first curve section C1 extends between 70% and 100% of the supplied or discharged power Pz horizontally, which means that in the range between 70% and 100% no change in the coefficient of performance or the discharge efficiency occurs. The storage device 1 according to the invention thus has the advantage that it can also be operated during partial load operation during the charging and discharging process with a constant coefficient of performance during charging or constant efficiency during discharging. The second curve section C2 shows that the memory device 1 according to the invention comprising two partial regenerators 120a, 120b can also be operated with a supplied or discharged power P _Z of below 70% of the maximum power. This second curve section C2, which extends over a partial load range between approximately 45% and 70%, is achieved by adjusting the guide vanes 110a, 140a or by adjusting the guide vanes 210a and 250a. The second curve section C2 thus has on the one hand the disadvantage that the coefficient of performance during charging or the efficiency during discharge decrease. On the other hand, the second curve section C2 has the advantage that the power consumption of the According to the invention, the memory device 1 can be operated in a partial power range between 45% and 100% of the maximum supplied or discharged power P _Z max.

Die Kurve B zeigt den Verlauf der Leistungszahl des Wärmepumpenprozesses beziehungsweise den Wirkungsgrad des Gasturbinenprozesses für den Lade- bzw. Entladeprozess für eine Speichervorrichtung ohne Dichteänderungsvorrichtung 300, sodass die Kurve B nur den durch ein Verstellen der Vorleiträder 110a, 140a bzw. durch Verstellen der Vorleiträder 210a und 250a erreicht wird. Aus einem Vergleich des Verlaufs der Kurven B und C ist ersichtlich, dass die erfindungsgemässe Speichervorrichtung 1 den Vorteil aufweist, dass diese im Teillastbereich zwischen 70% und 100% einen konstanten oder im Wesentlichen konstanten Verlauf von Leistungszahl bzw. Wirkungsgrad aufweist.The curve B shows the curve of the coefficient of performance of the heat pump process or the efficiency of the gas turbine process for the loading or unloading process for a storage device without density change device 300, so that the curve B only by adjusting the Vorleiträder 110a, 140a or by adjusting the Vorleiträder 210a and 250a is reached. From a comparison of the course of the curves B and C, it can be seen that the memory device 1 according to the invention has the advantage that it has a constant or substantially constant course of the coefficient of performance or efficiency in the partial load range between 70% and 100%.

Die Kurve D zeigt den Verlauf der Leistungszahl des Wärmepumpenprozesses bzw. den Wirkungsgrad des Gasturbinenprozesses für den Lade- bzw. Entladevorgang für eine Speichervorrichtung 1 mit drei Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, wobei beispielsweise im ersten Teilregenerator 120a die Wärme gespeichert wird, und wobei der zweite und der dritte Teilregenerator 120b, 120c als Fluidspeicher verwendet werden. Die Wärme könnte auch im zweiten oder dritten Teilregenerator 120b, 120c gespeichert werden, sodass die übrigen zwei Teilregeneratoren den Fluidspeicher ausbilden. Der erste Kurvenabschnitt D1 zeigt den Verlauf der Leistungszahl beim Ladevorgang bzw. den Wirkungsgrad beim Entladen mit der im Zusammenhang mit den Figuren 6 und 7 beschriebenen Dichteregelung. Der erste Kurvenabschnitt D1 verläuft zwischen 50% und 100% der zugeführten bzw. abgeführten Leistung Pz horizontal, was bedeutet, dass im Bereich zwischen 50% und 100% keine Änderung der Leistungszahl bzw. des Wirkungsgrads beim Entladen auftritt. Der zweite Kurvenabschnitt D2, welcher sich über einen Teillastbereich zwischen etwa 25% und 50% erstreckt, wird durch ein Verstellen der Vorleiträder 110a, 140a bzw. der Vorleiträder 210a und 250a erreicht.The curve D shows the curve of the coefficient of performance of the heat pump process and the efficiency of the gas turbine process for the charging or discharging for a memory device 1 with three Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, for example, in the first Teilregenerator 120a, the heat is stored, and wherein the second and third Teilregenerator 120b, 120c used as a fluid reservoir. The heat could also be stored in the second or third partial regenerator 120b, 120c so that the remaining two partial regenerators form the fluid reservoir. The first curve section D1 shows the course of the coefficient of performance during the charging process or the discharge efficiency with that associated with the FIGS. 6 and 7 described density control. The first curve section D1 runs between 50% and 100% of the supplied or discharged power Pz horizontally, which means that in the range between 50% and 100% no change in the coefficient of performance or the discharge efficiency occurs. The second curve section D2, which extends over a partial load range between about 25% and 50%, is achieved by adjusting the Vorleiträder 110a, 140a and the Vorleiträder 210a and 250a.

Die Kurve E zeigt den Verlauf der Leistungszahl des Wärmepumpenprozesses bzw. den Wirkungsgrad des Gasturbinenprozesses für den Lade- bzw. Entladevorgang für eine Speichervorrichtung 1 mit vier Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d wobei beispielsweise im ersten Teilregenerator 120a die Wärme gespeichert wird, und der zweite, dritte und vierte Teilregenerator 120b, 120c, 120d als Druckspeicher verwendet werden. Der erste Kurvenabschnitt E1 zeigt den Verlauf der Leistungszahl beim Ladevorgang bzw. den Wirkungsgrad beim Entladen mit der im Zusammenhang mit den Figuren 6 und 7 beschriebenen Dichteregelung. Der ersten Kurvenabschnitt E1 verläuft zwischen 35% und 100% der maximal zugeführten Leistung bzw. abgeführten Leistung P_z horizontal, was bedeutet, dass im Bereich zwischen 35% und 100% keine Änderung der Leistungszahl bzw. des Wirkungsgrads beim Entladen auftritt. Dies zweite Kurvenabschnitt E2, welcher sich über einen Teillastbereich zwischen etwa 10% und 35% erstreckt, wird durch ein Verstellen der Vorleiträder 110a, 140a bzw. der Vorleiträder 210a und 250a erreicht.The curve E shows the curve of the coefficient of performance of the heat pump process and the efficiency of the gas turbine process for the loading and unloading process for a memory device 1 with four Teilregeneratoren 120a, 120b, 120c, 120d, for example, in the first Teilregenerator 120a, the heat is stored, and second, third and fourth partial regenerators 120b, 120c, 120d are used as pressure accumulators. The first curve section E1 shows the course of the coefficient of performance during the charging process or the discharge efficiency with that associated with the FIGS. 6 and 7 described density control. The first curve section E1 runs between 35% and 100% of the maximum applied power or dissipated power P _z horizontal, which means that in the range between 35% and 100% no change in the coefficient of performance or the efficiency occurs during unloading. This second curve section E2, which extends over a partial load range between approximately 10% and 35%, is achieved by adjusting the guide vanes 110a, 140a or the guide vanes 210a and 250a.

Die Figuren 10, 11 und 12 zeigen beispielhaft mögliche Betriebsverfahren der erfindungsgemässen Speichervorrichtung 1.The Figures 10 . 11 and 12 show exemplary possible operating method of the inventive storage device. 1

Die Figur 10 zeigt beispielhaft einen möglichen Betriebsverlauf der Speichervorrichtung 1, beispielsweise bei einem Inselbetrieb, bei welchem ein elektrisches Netz nur mit Wind- und/oder Solarenergie betrieben wird. Der Verlauf der Kurve F zeigt in Funktion der Zeit die vom Speicher aufgenommene elektrische Leistung, wobei diese elektrische Leistung vorzugsweise die überschüssige, im elektrischen Netz vorhandene Leistung darstellt. Die Speichervorrichtung 1 wird im Wärmepumpenbetrieb betrieben und die Energie über den Ladekreislauf 100 gespeichert, sodass Energie entsprechend dem Verlauf der Kurve H gespeichert wird. Dabei wird die Wärmepumpe, entsprechend der im Netz überschüssigen elektrischen Leistung, beispielsweise zuerst mit 100% der Nennleistung P_Zmax betrieben, anschliessend mit einer Teillast von 20%, anschliessend wieder mit Nennleistung von 100% und anschliessend wieder mit unterschiedlichen Teillasten. Dabei wird dem Regenerator 120 zunehmend Wärmeenergie zugeführt. Die Kurve H zeigt die im Regenerator 120 gespeicherte Wärmeenergie, wobei die Kurve H mit einer Speicherfüllung von 0% startet, und wobei der Regenerator 120 vollständig gefüllt wird, bis zu einer Speicherfüllung von 100 %. In einem weiteren Beispiel, beispielsweise nachts, benötigt das elektrische Netz ständig zusätzliche Energie, sodass der Regenerator 120 über den Entladekreislauf 200 entladen werden muss. Die Kurve J zeigt einen möglichen Entladebetrieb der Speichervorrichtung 1 in Funktion der Zeit. Die Kurve J zeigt somit den Betrieb des Endkreislaufes 200. Dabei wird der zweite Turboexpander 250 beziehungsweise der Generator G zuerst mit 100% der Nennleistung P_Zmax betrieben, anschliessend mit einer Teillast von 20%, anschliessend wieder mit Teillast von 80% und anschliessend weiter mit unterschiedlichen Lasten. Dabei wird dem Regenerator 120 zunehmend Wärmeenergie entzogen. Die Kurve I zeigt die im Regenerator 120 gespeicherte Wärmeenergie, wobei die Kurve I mit einer Speicherfüllung von 100% startet, und wobei der Regenerator 120 im Verlaufe der Zeit vollständig entleert wird, bis zu einer Speicherfüllung von 0 %.The FIG. 10 shows by way of example a possible course of operation of the storage device 1, for example in an island operation, in which an electrical network is operated only with wind and / or solar energy. The course of the curve F shows, as a function of time, the electrical power consumed by the memory, this electrical power preferably representing the excess power present in the electrical network. The storage device 1 is operated in heat pump mode and the energy stored via the charging circuit 100, so that energy is stored according to the course of the curve H. In this case, the heat pump, according to the excess electrical power in the network, for example, first operated at 100% of the rated power P _Zmax , then with a partial load of 20%, then again with rated power of 100% and then again with different partial loads. In this case, the regenerator 120 is increasingly supplied heat energy. The curve H shows the heat energy stored in the regenerator 120, the curve H starts with a storage charge of 0%, and the regenerator 120 is completely filled up to a storage charge of 100%. In another example, for example, at night, the electrical network constantly requires additional energy, so that the regenerator 120 must be discharged via the discharge circuit 200. The curve J shows a possible discharge operation of the storage device 1 as a function of time. The curve J thus shows the operation of the end circuit 200. The second turboexpander 250 or the generator G is first operated at 100% of the rated power P _Zmax , then with a partial load of 20%, then again with partial load of 80% and then continue with different loads. In this case, the regenerator 120 is increasingly withdrawn heat energy. The curve I shows the heat energy stored in the regenerator 120, wherein the curve I starts with a storage charge of 100%, and wherein the regenerator 120 is completely deflated over time, up to a storage charge of 0%.

Die Figur 11 zeigt das Betriebsverhalten der Speichervorrichtung 1 bei einer Verwendung zur Netzstabilisierung eines elektrischen Verbundnetzes, wobei es keine Rolle spielt ob das elektrische Netz erneuerbare Energiequellen umfasst oder nicht. In einem vorteilhaften Verfahren wird die Speichervorrichtung 1 ständig in einem Teillastbereich gefahren, beispielsweise mit einer Teillast von 40% oder 60%, damit die Speichervorrichtung 1 sehr schnell elektrische Leistung vom Verbundnetz aufnehmen beziehungsweise an dieses abgeben kann. Die Kurve L zeigt beispielhaft einen Verlauf anlässlich einer Phase, während der im Verbundnetz eher zu viel elektrische Leistung vorhanden ist. Der Verlauf der Kurve L zeigt in Funktion der Zeit die überschüssige, dem elektrischen Netz entnommene elektrische Leistung. Die Speichervorrichtung 1 wird im Wärmepumpenbetrieb betrieben und die Energie dem Motor M über den Ladekreislauf 100 entnommen und im Regenerator 120 gespeichert, sodass Energie entsprechend dem Verlauf der Kurve L gespeichert wird. Wie dem Verlauf der Kurve K zu entnehmen ist wird die Speichervorrichtung 1 zu Beginn kontinuierlich mit einer tiefen Leillast von 20% betrieben. Die Speichervorrichtung 1 befindet sich damit quasi in einer Lauerstellung, um den Verbundnetz in kurzer Zeit elektrische Leistung zu entnehmen. Dabei wird der Ladekreislauf 100 bzw. die Wärmepumpe2, entsprechend der im Netz überschüssigen elektrischen Leistung wie in Kurve K dargestellt betrieben, indem beispielsweise zuerst mit 20% der Nennleistung P_Zmax gefahren wird, anschliessend mit Volllast von 100%, anschliessend mit einer Teillast von 40%, und anschliessend wieder mit unterschiedlichen Teillasten. Dabei wird dem Regenerator 120 zunehmend Wärmeenergie zugeführt. Die Kurve L zeigt die im Regenerator 120 gespeicherte Wärmeenergie, wobei die Kurve L mit einer Speicherfüllung von 0% startet, und wobei der Regenerator 120 vollständig gefüllt wird, bis zu einer Speicherfüllung von 100 %.The FIG. 11 shows the performance of the memory device 1 when used for network stabilization of a composite electrical network, it does not matter whether the electrical grid includes renewable energy sources or not. In an advantageous method, the storage device 1 is constantly driven in a partial load range, for example, with a partial load of 40% or 60%, so that the storage device 1 very quickly absorb electrical power from the grid or can deliver to this. The curve L shows an example of a course during a phase during which too much electrical power is present in the interconnected network. The course of the curve L shows, as a function of time, the excess electrical power taken from the electrical network. The storage device 1 is operated in heat pump mode and the energy is taken from the motor M via the charging circuit 100 and stored in the regenerator 120, so that energy is stored according to the course of the curve L. As can be seen from the course of the curve K, the storage device 1 is initially operated continuously with a low load load of 20%. The storage device 1 is thus quasi in a Lauerstellung to remove the power grid in a short time electric power. In this case, the charging circuit 100 or the heat pump 2, according to the excess electrical power in the network as shown in curve K operated by, for example, first with 20% of the rated power P _{Zmax is} driven, then with full load of 100%, then with a partial load of 40 %, and then again with different partial loads. In this case, the regenerator 120 is increasingly supplied heat energy. The curve L shows the heat energy stored in the regenerator 120, wherein the curve L starts with a storage charge of 0% and the regenerator 120 is completely filled up to a storage charge of 100%.

Die Kurve O zeigt beispielhaft einen Verlauf anlässlich einer Phase, während der im elektrischen Verbundnetz tendenziell eher zu wenig elektrische Leistung vorhanden ist. Der Verlauf der Kurve O zeigt in Funktion der Zeit die dem elektrischen Netz zugeführte elektrische Leistung. Die Speichervorrichtung 1 wird mit dem Entladekreislauf 200 betrieben und die Energie dem Regenerator 120 entnommen und über den Generator G in das elektrische Verbundnetz eingespeist, sodass elektrische Leistung entsprechend dem Verlauf der Kurve O eingespeist wird. Wie dem Verlauf der Kurve O zu entnehmen ist, wird die Speichervorrichtung 1 zu Beginn kontinuierlich mit einer tiefen Teillast von 20% betrieben. Die Speichervorrichtung 1 befindet sich damit quasi in einer Lauerstellung, um dem Verbundnetz in kurzer Zeit elektrische Leistung zuzuführen. Dabei wird der Entladekreislauf 200 entsprechend der im Netz erforderlichen elektrischen Leistung betrieben, wie in Kurve O dargestellt, indem beispielsweise zuerst mit 20% der Nennleistung P_Zmax gefahren wird, anschliessend mit Volllast von 100%, anschliessend mit einer Teillast von 20%, und anschliessend wieder mit unterschiedlichen Teillasten. Dabei wird dem Regenerator 120 zunehmend Wärmeenergie abgeführt. Die Kurve N zeigt die im Regenerator 120 gespeicherte Wärmeenergie, wobei die Kurve L mit einer Speicherfüllung von 100% startet, und wobei der Regenerator 120 vollständig entleert wird, bis zu einer Speicherfüllung von 0 %.The curve O shows an example of a course during a phase during which tends to be present in the electrical grid tends to low electrical power. The course of the curve O shows the electric power supplied to the electrical network as a function of time. The storage device 1 is operated with the discharge circuit 200 and the energy taken from the regenerator 120 and fed via the generator G in the electrical grid, so that electric power is fed according to the course of the curve O. As can be seen from the curve of the curve O, the storage device 1 is initially operated continuously with a low partial load of 20%. The storage device 1 is thus quasi in a Lauerstellung to supply the composite network in a short time electrical power. In this case, the discharge circuit 200 is operated according to the electrical power required in the network, as shown in curve O, for example, first with 20% of the nominal power P _{Zmax is} driven, then with full load of 100%, then with a partial load of 20%, and then again with different partial loads. In this case, the regenerator 120 is increasingly dissipated heat energy. The curve N shows the heat energy stored in the regenerator 120, the curve L starts with a storage charge of 100%, and the regenerator 120 is completely emptied, up to a storage charge of 0%.

Die Figur 12 zeigt beispielhaft einen Betrieb der erfindungsgemässen Speichervorrichtung 1, während welchem je nach Netzerfordernis eine Aufnahme oder eine Abgabe von elektrischer Leistung stattfindet. Diese Betriebsart ist insbesondere auch zur Netzstabilisierung geeignet. Die Figur 12 zeigt mit der Kurve P einen Wärmepumpenbetrieb der Speichervorrichtung 1 in Funktion der Zeit. Dabei wird dem Regenerator 120, wie aus der Kurve Q ersichtlich, Wärmeenergie zugeführt. Die Kurve Q zeigt die im Regenerator 120 gespeicherte Wärmeenergie. Die Kurve R zeigt einen Turbinenbetrieb der Speichervorrichtung 1 in Funktion der Zeit. Die Kurve R zeigt somit den Betrieb des Endladekreislaufes 200. Der Übergang des Betriebs zwischen der Kurve P und R erfolgt derart, dass ausgehend vom Ladekreislauf 100 der Regenerator 120 in den Entladekreislauf 200 geschaltet wird, sodass dem Regenerator 120 über den Gasturbinenbetrieb Wärme entzogen werden kann. Aus dem Verlauf der Kurve Q ist die Abnahme der im Regenerator 120 gespeicherten Wärmeenergie ersichtlich. Die Figur 12 zeigt anschliessend mit der Kurve T einen Wärmepumpenbetrieb der Speichervorrichtung 1 in Funktion der Zeit. Dabei wird dem elektrischen Netz entsprechend den Erfordernissen Leistung entzogen und dem Regenerator 120, wie aus der Kurve Q ersichtlich, Wärmeenergie zugeführt. Die Kurve W zeigt einen Gasturbinenbetrieb der Speichervorrichtung 1 in Funktion der Zeit. Die Kurve W zeigt somit wieder den Betrieb des Entladekreislaufes 200. Dabei wird dem Regenerator 120, wie aus der Kurve Q ersichtlich, Wärmeenergie entzogen und dem elektrischen Netz elektrische Leistung eingespeist. Die erfindungsgemässe Speichervorrichtung 1 wird in einem vorteilhaften Verfahren kontinuierlich mit dem in Figur 12 dargestellten Verfahren betrieben.The FIG. 12 shows an example of an operation of the inventive storage device 1, during which takes place depending on the network requirement recording or a delivery of electrical power. This mode is particularly suitable for network stabilization. The FIG. 12 shows with the curve P a heat pump operation of the storage device 1 as a function of time. In this case, the regenerator 120, as can be seen from the curve Q, heat energy supplied. The curve Q shows the heat energy stored in the regenerator 120. The curve R shows a turbine operation of the storage device 1 as a function of time. The curve R thus shows the operation of the discharge circuit 200. The transition of the operation between the curve P and R takes place in such a way that, starting from the charging circuit 100, the regenerator 120 is switched into the discharge circuit 200 so that heat can be withdrawn from the regenerator 120 via the gas turbine operation , The decrease in the heat energy stored in the regenerator 120 can be seen from the course of the curve Q. The FIG. 12 shows then with the curve T a heat pump operation of the storage device 1 as a function of time. In this case, the electrical network is deprived of power according to the requirements and the regenerator 120, as shown in the curve Q, thermal energy supplied. The curve W shows a gas turbine operation of the storage device 1 as a function of time. The curve W thus again shows the operation of the discharge circuit 200. In this case, the regenerator 120, as seen from the curve Q, heat energy withdrawn and fed electrical power to the electrical network. The inventive storage device 1 is in an advantageous method continuously with the in FIG. 12 operated method operated.

Figur 13 zeigt beispielhaft ein Verfahren wie die von der erfindungsgemässen Speichervorrichtung 1 beziehungsweise vom Ladekreislauf 100 aufgenommene Leistung schnell verändert werden kann. Die Kurve P zeigt die aufgenommene Leistung in %, welche von 100% der aktuellen Leistung auf 70 % reduziert wird. Die Kurve X zeigt die Änderung der Dichte im Ladekreislauf 10 in %0. Die Kurve X zeigt, dass die Dichte im Ladekreislauf 100 reduziert wird, was jedoch eine gewisse Zeit erfordert. Die Kurve Z zeigt die relative Stellung der Leiträder 110a, 140a. Die Vorleitradverstellung weist zu Beginn den relativen Wert 80 auf. Um die Leistungsaufnahme des Ladekreislaufs 100 bzw. der Speichervorrichtung 1 schnell zu reduzieren wird die Vorleitradverstellung auf den relativen Wert 30 geändert, was zur Folge hat, dass der Winkel der Leiträder verändert wird, wobei die Stellung der Vorleiträder später wieder auf den ursprünglichen relativen Wert 80 wieder zurückgeführt wird. Die Änderung der Vorleitradverstellung hat wie aus der Kurve P ersichtlich zur Folge, dass die vom Motor M aufgenommene Leistung P schnell absinkt. Die in Figur 12 dargestellte Kombination von Vorleitradverstellung der Leiträder 110a, 140a und Dichteänderung des Arbeitsgases A hat zur Folge, dass die Leistung P in kurzer Zeit geändert werden kann. Die Figur 12 zeigt eine Reduzierung der von der Speichervorrichtung 1 aufgenommenen Leistung P. Auf analoge Weise kann auch eine Erhöhung der von der Speichervorrichtung 1 aufgenommenen Leistung P bewirkt werden, indem durch ein Verändern der Vorleitradstellung die aufgenommenen Leistung kurzfristig erhöht wird, daraufhin die Dichte im Arbeitsgas A geändert wird, und die Laufradstellung wieder die ursprüngliche Stellung einnimmt, sobald die geänderte Dichte bewirkt hat, dass die aufgenommene Leistung der vorgegebenen Leistung entspricht. Das beschriebenen Verfahren ist analog im Entladekreislauf 200 verwendbar, indem die vom Entladekreislauf 200 abgegebenen elektrische Leistung dadurch schneller verändert werden kann, dass, wie in Figur 13 dargestellt, die Vorleitradstellung der Leiträder 210a, 250a im Entladekreislauf 200 verändert wird, wobei auch die Dichte des Arbeitsgases A verändert wird, und wobei die Vorleitradstellung nach einer bestimmten Zeit, wie in Figur 13 dargestellt, wieder in die Ausgangslage zurückverfahren wird. FIG. 13 shows by way of example a method how the power consumed by the memory device 1 according to the invention or by the charging circuit 100 can be changed quickly. The curve P shows the absorbed power in%, which is reduced from 100% of the current power to 70%. The curve X shows the change in the density in the charge circuit 10 in% 0. The curve X shows that the density in the charge circuit 100 is reduced, which, however, requires a certain amount of time. The curve Z shows the relative position of the guide wheels 110a, 140a. The Vorleitradverstellung initially has the relative value 80. In order to reduce the power consumption of the charging circuit 100 or the storage device 1 quickly, the Vorverradverstellung is changed to the relative value 30, with the result that the angle of the guide wheels is changed, the position of the Vorleiträder later restored to the original relative value 80th is returned again. As can be seen from the curve P, the change in the advance-pitch adjustment means that the power P absorbed by the engine M drops rapidly. In the FIG. 12 shown combination of Vorleitradverstellung the idler gears 110a, 140a and density change of the working gas A has the consequence that the power P can be changed in a short time. The FIG. 12 shows a reduction in the power P received by the memory device 1. In an analogous manner, an increase in the power P received by the memory device 1 can also be effected by temporarily increasing the power consumed by changing the pilot wheel position, then changing the density in the working gas A. and the impeller position returns to its original position as soon as the changed density has caused the power absorbed to correspond to the predetermined power. The described method can be used analogously in the discharge circuit 200, in that the electrical power output by the discharge circuit 200 can be changed more rapidly as a result of this, as shown in FIG FIG. 13 shown, the Vorleitradstellung the guide wheels 210a, 250a is changed in the discharge circuit 200, wherein the density of the working gas A is changed, and wherein the Vorleitradstellung after a certain time, as in FIG. 13 shown, is returned to the starting position.

Ein weiteres Verfahren die aufgenommene oder abgegebene Leistung der erfindungsgemässen Speichervorrichtung 1 schnell zu verändern besteht darin, die ursprüngliche Drehzahl von Verdichter und Expander zu verändern. Eine solche Drehzahländerung kann an Stelle der Stellungsveränderung der Vorleiträder oder in Kombination mit der Stellungsveränderung der Vorleiträder verwendet werden. Die Drehzahl wird vorzugsweise, wie im Verlauf der Kurve Z dargestellt, nur vorübergehend geändert, bis die Dichteregelung den erwünschten Zielwert alleine gewährleisten kann, sodass die Drehzahl wieder mit der ursprünglichen Drehzahl betrieben wird.Another method of rapidly changing the power consumed by the inventive storage device 1 is to change the original speed of the compressor and expander. Such a speed change may be used in place of the change in position of the Vorleiträder or in combination with the change in position of the Vorleiträder. The speed is preferably only temporarily changed, as shown in the curve Z, until the density control can ensure the desired target value alone, so that the speed is again operated at the original speed.

Claims (15)

1. A power heat power storage device (1) comprising a charging circuit (100) and a discharging circuit (200) for conveying a working gas (A),
   wherein the charging circuit (100) and the discharging circuit (200) comprise a common regenerator (120) which is switchably fluid conductively connected to either the charging circuit (100) or the discharging circuit (200) to form a closed circuit for supplying the working gas (A) to the regenerator (120),
   wherein the charging circuit (100) comprises a first turbo compressor (110) and a first turbo expander (140), wherein the first turbo compressor (110) is driven by the first turbo expander (140) and an electric motor (170),
   wherein the discharge circuit (200) comprising a second turbo expander (250) and a second turbo compressor (210), the second turbo expander (250) driving the second turbo compressor (210) and a generator (290),
   characterized in that a control device (500) and a density changing device (300) are arranged and configured in such a way that they allow the pressure of the working gas (A) in the charging circuit (100) and/or in the discharging circuit (200) to be changed in a controllable manner in order to control the power which can be absorbed by the first turbo compressor (110) and the power which can be delivered by the second turbo expander (250), respectively.
2. Storage device according to claim 1, characterized in that the density changing device (300) can both raise and lower the pressure of the working gas (A) in the loading circuit (100) and/or in the discharging circuit (200) in a controllable manner.
3. Storage device according to claims 1 to 2, characterized in that the density changing device (300) comprises a pressure vessel (301) and at least a first and a second valve (302, 303), and in that the pressure vessel (301) is fluid conductively connectable via the valves (302, 303) to the charging circuit (100) and/or to the discharging circuit (200) in order to supply working gas (A) to the pressure vessel (301) and store it there, or in order to return working gas (A) stored in the pressure vessel (301) to the charging circuit (100) and/or to the discharging circuit (200) .
4. Storage device according to Claim 3, characterized in that the charging circuit (100) and the discharging circuit (200) each comprise two partial sections, a high-pressure section (100a, 200a) and a low-pressure section (100b, 200b), so that the working gas (A) has a higher pressure in the high-pressure section (100a, 200a) than in the low-pressure section (100b, 200b), and in that the pressure container (301) can be connected to the low-pressure section (100b) via the first valve (302), and in that the pressure container (301) can be connected to the high-pressure section (100a) via the second valve (303) in order to change the pressure of the working gas (A) in the pressure container (301) by switching the first and/or second valve (302, 303).
5. Storage device according to one of the preceding claims, characterized in that the common regenerator (120) comprises at least two and preferably three or four partial regenerators (120a, 120b, 120c, 120d) connected in parallel.
6. Storage device according to one of the preceding claims, characterized in that the first turbo compressor (110) and the second turbo compressor (210), and preferably also the first turbo expander (140) and the second turbo expander (250), comprise an adjustable guiding wheel (110a, 210a).
7. Method for load control of a power heat power storage device (1) comprising a charging circuit (100) with a first turbo compressor (110), wherein mechanical power is supplied to the first turbo compressor (110) for heating a working gas (A), comprising a discharge circuit (200) with a second turbo expander (250), wherein mechanical power is taken from the second turbo expander (250) for cooling the working gas (A), wherein the charging circuit (100) and the discharge circuit (200), respectively, comprise a common regenerator (120), which is alternatively connected to the charging circuit (100) or the discharging circuit (200) to form a closed circuit, so that either the working gas (A) heated in the charging circuit (100) is fed to the regenerator (120) or hot working gas (A) is removed from the regenerator (120) and fed to the discharging circuit (200), wherein the mechanical power absorbed by the first turbo compressor (110) and/or the mechanical power output by the second turbo expander (250) being controlled by changing the pressure of the working gas (A).
8. Method according to claim 7, characterized in that the pressure of the working gas (A) is raised in the charging circuit (100) and/or in the discharging circuit (200) in order to increase the mechanical power absorbed by the first turbo compressor (110) and/or the mechanical power delivered by the second turbo expander (250), and in that the pressure of the working gas (A) is lowered in order to reduce the mechanical power absorbed by the first turbo compressor (110) and/or the mechanical power delivered by the second turbo expander (250).
9. Method according to claim 7 or 8, characterized in that the charging circuit (100) and the discharging circuit (200) comprise a single common regenerator (120) to which the working gas (A) is supplied or from which the working gas (A) is discharged.
10. Method according to one of the claims 7 to 9, characterized in that the first turbo compressor (110) of the charging circuit (100) and/or the second turbo expander (250) of the discharge circuit (200) is operated at a constant rotational speed and therefore at a constant volume flow, and in that the mechanical power received or output by the storage device (1) is controlled by changing the pressure and thus the density of the working gas (A) accordingly.
11. Method according to one of the claims 7 to 10, characterized in that the first turbo compressor (110) is driven by a first turbo expander (140) and an electric motor (170), wherein working gas (A) of the charging circuit (100) being expanded in the first turbo expander (140), and in that the second turbo expander (250) drives a second turbo compressor (210) and a generator (290), wherein working gas (A) of the discharge circuit (200) being compressed in the second turbo compressor (210).
12. Method according to any of claims 7 to 11, characterized in that the pressure of the working gas (A) in the charging circuit (100) and/or in the discharging circuit (200) is changed by exchanging working gas (A) between a pressure vessel (301) and the charging circuit (100) and/or the discharging circuit (200).
13. Method according to one of the claims 7 to 12, characterized in that the working gas (A) is compressed and expanded in the loading circuit (100) and in the discharging circuit (200) so that the loading circuit (100) and the discharging circuit (200) each comprise two partial sections, a high-pressure section (100a, 200a) and a low-pressure section (100b, 200b), such that the working gas (A) has a higher pressure in the high pressure portion (100a, 200a) than in the low pressure portion (100b, 200b), and that working gas (A) is supplied or discharged to the pressure vessel (301) by connecting the pressure vessel (301) to either the high pressure portion (100a, 200a) or the low pressure portion (100b, 200b).
14. Method according to one of claims 7 to 13, characterized in that the common regenerator (120) comprises at least two and preferably three or four partial regenerators (120a, 120b, 120c, 120d) connected in parallel, which are connected individually or in groups to the charging circuit (100) and to the discharging circuit (200) respectively.
15. Method according to one of claims 7 to 14, characterized in that the mechanical power consumed by the first turbo compressor (110) and/or the mechanical power output by the second turbo expander (250) is controlled by a change in position of the guiding wheels (110a, 210a) of the first turbo compressor (110) and of the second turbo compressor (210) and preferably also of the first turbo expander (140) and of the second turbo expander (250).

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