WO2008135100A1 - Allzweckwärmespeicher zur speicherung verschiedener arten von engerie - Google Patents

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WO2008135100A1
WO2008135100A1 PCT/EP2008/000105 EP2008000105W WO2008135100A1 WO 2008135100 A1 WO2008135100 A1 WO 2008135100A1 EP 2008000105 W EP2008000105 W EP 2008000105W WO 2008135100 A1 WO2008135100 A1 WO 2008135100A1
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heat storage
heat
energy
condensate
storage according
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PCT/EP2008/000105
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Vladan Petrovic
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Phoenix Metall Gmbh
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Publication date
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    • F24H7/02—Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release the released heat being conveyed to a transfer fluid
    • F24H7/04—Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release the released heat being conveyed to a transfer fluid with forced circulation of the transfer fluid
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    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the invention relates to a general purpose heat storage for storing various types of energy, such as renewable energy, wind or solar energy, night stream and electricity energy in general as well as energy from solid, gaseous and liquid fuels, energy from biomass and waste heat from industry.
  • the invention further relates to a general purpose heat accumulator for the efficient use of the stored energy in the form of heat, water vapor, electric current or as chemical energy in the form of product gases or in the form of liquid fuels.
  • the "Platts Global Energy Award” energy storage system consists of 13,760 rechargeable nickel-cadmium high-power cells and a power converter that converts the DC power of the batteries into AC power.
  • the cells arranged in four parallel rows deliver a mains voltage of 5,000 volts and have a storage capacity of 3,680 ampere hours.
  • the system can deliver 27 megawatts of power for 15 minutes, bridging the time it takes to power gas turbine power plants from a standstill.
  • the plant is 1,300
  • Tons of weight and fills a whole football field Tons of weight and fills a whole football field.
  • “Fast Compensator” to be used in a sawmill.
  • the energy storage capacity is max. 200 kilojoules (kJ). Meanwhile, some developments of heat storage on a smaller scale, such as
  • ⁇ Buffer storage for solar systems where the water is heated by the solar energy and this energy is used for the process water.
  • ⁇ Combined storage also stores solar energy for service water.
  • an electric heater is installed and the storage tanks are combined with central heating.
  • Latent heat storage based on the principle that during the phase change, the PCM (phase change material) absorbs a certain amount of heat, the so-called heat of fusion. Since the temperature of the PCM does not change despite heat supply, this also refers to latent (hidden) heat. These heat accumulators work in the temperature range up to max. 200 0 C.
  • the storage mass should preferably be made of commercially available building materials.
  • the energy decoupling should be as close as possible to the temperatures of the storage mass.
  • the time interval between the call-up of energy and the steady state state of energy decoupling should be short.
  • the invention has for its object to provide a heat storage as all-purpose heat storage, which meets as possible the above requirements.
  • the solution of the problem is in a general purpose heat storage of the aforementioned type is that the energy storage in heat storage blocks takes place, in which heatable by the energy storage evaporator tubes are embedded, in which a liquid condensate in a predetermined amount is capable of dropping, thereby forming steam in the evaporator tubes, the heat content for heating purposes or secondary energy production is available.
  • the heat storage blocks are cuboid shaped, wherein the evaporator tubes made of steel or other material and the liquid condensate is water, so that when evaporating water vapor is formed and the condensate is guided in a circuit.
  • nozzle-shaped control elements are provided above the evaporator tubes, which distribute the condensate uniformly over the evaporator tubes.
  • the steam formed in the evaporator tubes condenses within a steam space on a heat exchanger, wherein the heat released can be transferred to a heating system.
  • the heat exchanger is preferably arranged in a condensate collection container, from which the condensate can be returned to the evaporator tubes in a cycle.
  • a combustion chamber for the attachment of a gas or oil burner is disposed within the heat storage blocks for energy storage, wherein the cuboid heat storage blocks are arranged at a certain distance s from each other to form flue gas ducts through which the flue gases flow and their heat release the heat storage mass.
  • the heat storage is thus designed such that the heat storage mass is shaped in the shape of a cuboid or cube, in the middle of which at least one piece of pipe is introduced, which is closed at one end, preferably the lower end.
  • the storage mass is made of fireclay flour and / or ground bricks and / or crushed porcelain and / or made of conventional concrete, wherein the cement, which is intended for the refractory materials, is mixed.
  • the refractory Mortar made.
  • the refractory mortar is poured to produce cuboid heat storage blocks.
  • the pipe piece which is closed at one end, is introduced and firmly connected to the refractory mass.
  • channels for the heating element are provided laterally on certain quad level, in which the heating elements can be embedded.
  • the block-shaped heat storage blocks or elements are arranged side by side and thus together form a compact unit.
  • the evaporation tubes protrude out of the heat storage mass.
  • the evaporation tubes are provided with threaded connections which allow the cover plate to be attached watertight to the evaporation tubes and by means of the seals.
  • the cover plate rests on a disc which is welded to the evaporation tube. The possibly condensed moisture collects on the cover plate and by the radiating heat it evaporates again.
  • a feature of the invention is that the removal of energy from the heat storage mass takes place in such a way that the water drips in a controlled amount into the hot evaporation tubes, evaporates abruptly and the vapor is subsequently condensed by means of a heat exchanger.
  • the heating water flows through the heat exchanger, driven by a liquid centrifugal pump. The condensation heat is transferred to the heating circuit.
  • a condensate collector is installed below the heat exchanger, whose task is to catch the condensate.
  • the condensate is returned by gravity in the evaporation tubes to recover the heat storage.
  • a steel plate, cover plate, is made of stainless steel and is airtightly secured to the outer flange of the heat storage vessel in sandwich form by means of a gasket.
  • a U-tube In order to limit the pressure increase in the vapor space, a U-tube is provided, which is filled with water and connected to the atmosphere. The U-tube is connected to the drain to prevent the steam from entering the room.
  • a collecting container for the heat storage mass is made of conventional steel.
  • the whole energy storage is insulated around the outside with mineral wool.
  • an oil and / or gas burner in the energy storage in such a way that the heat storage blocks are placed in an arrangement that between the heat storage blocks flue gas ducts are formed, through which the flue gases flow.
  • the energy flowing through the channels has a temperature that is not much higher than the condensation temperature of the water vapor in the flue gases. As a result, a high efficiency of the energy storage is achieved.
  • the regulation of the heat removal from the energy storage takes place in such a way that opens when a heat demand, the solenoid valve and the condensate flows from the condensate collector through the distribution pipes in the evaporation tubes, which are poured into the heat storage mass.
  • a needle valve is provided, which is set so that the condensate flow rate is adapted to the heat output of the heating system.
  • the condensate flow in the heat output of the heating system can be controlled.
  • the container it is still possible to fill the container with granules of lava rock, steel balls or quartz glass instead of heat storage blocks (produced according to the aforementioned principle), wherein at certain intervals from each other the Elektroterrorismstäbe be embedded in the bed. As a result, they transfer their heat to the granules.
  • the granules are heated to a temperature of 700 0 C.
  • the container is insulated from the outside with mineral wool.
  • the heat is transferred from the heating rods to the granules by radiation.
  • the effective thermal conductivity of the granulate moves according to calculation between 0.7 and 1 W / mK (whereby the heat radiation of the gas in the intermediate grain volume is not considered).
  • the condensate return and the regulation remains the same.
  • the nozzles and the manifolds above the heat storage mass are also required to distribute the condensate evenly over the granules.
  • the possibility is also given to integrate the oil or gas burner in the energy storage. The burner can be switched on / off as needed to store heat.
  • the control of the heat removal from the energy storage takes place in such a way that when the heat demand, the solenoid valve opens and the condensate flows from the condensate collector through the distribution pipes in the evaporation tubes.
  • a needle valve is provided, which is adjusted so that the condensate flow rate is adapted to the heat output of the heating system.
  • the dropping of the drops of water on the hot granules creates an explosive evaporation of water, the water vapor rises high, falls over the Condensation spiral down, is condensed and transfers the heat of condensation to the heating medium of the heating circuit.
  • the water vapor is slightly overheated, the heat transfer coefficients in the condensation are in the order of 3,000 W / m 2 K and the internal heat transfer coefficients can be brought up in the heating coil by the appropriate flow rate on the order of 3,000 WAn 2 K, so that the Heating coil with a relatively small heating surface can be measured.
  • Household of approximately 200 m 2 surface is to be counted, if the variant with the
  • Heating blocks made of fireclay is considered:
  • the average specific heat capacity of the fireclay (for a mean temperature of the firebricks between 100 and 900 ° C) is:
  • the average thermal conductivity of the fireclay is 0.8 W / mK
  • the average hourly energy consumption during the heating period is 15 KW (it is calculated to be about 1,800 h per year)
  • the storage capacity for 1 kg of firebrick at 900 ° C is 1,008 kJ / kg.
  • the required storage mass for 240 kWh is 860 kg and is based on the volume 0.43 m 3 . If a memory element has the dimensions 200x200x1,000 mm, 12 heat storage blocks are needed. This results in a heat storage boiler with 3x4 heat storage units, with external dimensions of 600x800 mm and a height of approx. 1,500 mm.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of the heat storage boiler according to the invention for storing the night stream
  • FIG. 1A to illustrate the figure 1 two rotated by 90 degrees views of a heat storage block in the longitudinal section A-A of Figure 1 and a cross section through the heat storage block along the line S-S and according to detail B is a top view of the heat storage block
  • Figure 1 B is a longitudinal section along the line A-A in Figure 1
  • Figure 1C is a plan view of Figure 1 showing a heat exchanger
  • Figure 1 D is a plan view along the cross section B-B on the heat storage block
  • Figure 1 E is a plan view along the cross-section C-C on the heat storage blocks in the plane of two Elektrodestäben
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the heat storage tank according to the invention with integrated gas or oil burner FIG. 2A, a longitudinal section along the line A-A in FIG. 2, rotated 90 degrees relative to FIG
  • Figure 2C to illustrate the figure 2 is a plan view from above the heat exchanger
  • FIG. 2 shows a plan view of the heat storage blocks along the line B-B in Figure 2 Figure 2E for clarification of Figure 2 is a plan view of the heat storage blocks along the line C-C in Figure 2
  • 2F is a plan view of the heat storage blocks along the line D-D in Figure 2 to illustrate the figure 2
  • FIG. 3 is a schematic diagram of the heat storage boiler according to the invention for storing the energy from the biomass, solid, gaseous and liquid fuels.
  • Heat transfer medium is heating water
  • Figure 3A is a schematic representation of the reinforcement of a heat storage block
  • Figure 3B is a plan view of the heat storage tank
  • Figure 3C is a schematic representation of the waste heat channel for heat removal of the flue gases
  • Figure 3D is a schematic representation of the connection of the heat storage tank to a heat recovery channel
  • Figure 3E is a schematic representation of the connection of the heat storage kesseis on a waste heat boiler
  • FIG. 4 shows a schematic diagram according to the invention of the heat storage boiler for storing the energy from the biomass of solid, gaseous and liquid fuels; the heat transfer medium is warm air
  • Figure 4A is a plan view of the heat storage boiler for producing hot air
  • Figure 4B is a schematic representation of the waste heat channel for heat removal of the flue gases
  • Figure 4C is a schematic representation of the connection of the heat storage boiler for hot air generation to the waste heat channels
  • FIG. 5 is a schematic diagram of the heat storage boiler according to the invention for generating steam from stored wind and solar energy
  • Figure 5A is a plan view of the heat storage boiler for steam generation
  • Figure 5B is a schematic representation of the connection of the heat storage boiler to the plant for power generation
  • Figure 5C is a schematic representation of the reinforcement of the heat storage blocks with integrated electric heating rods
  • Figure 5D is a schematic representation of the power generation by means of the heat storage boiler with integrated wind turbine and solar system
  • Figure 6 is another schematic representation of power generation by means of a circuit with a binary mixture, ammonia / water, and an evaporator with a mixture of NH 3 and H 2 O.
  • the heat storage blocks 2 form a heat storage mass, wherein the container 1 is insulated with a thermal insulation.
  • a condensate collecting tank 3 is provided, in which a heat exchanger 4 is installed.
  • a solenoid valve 7 and a subsequent needle valve 8, which are arranged in the pipelines 6, serve for regulation the heat output; the needle valve 8 is used for fine adjustment of the condensate flow through the pipes 6.
  • the heat storage mass is heated with electric current, wherein the Elektrotropicstäbe 9 preferably penetrate the heat storage material horizontally.
  • a separator plate 10 which is made of stainless steel, serves to separate the heat storage space from the vapor space above it 5, to prevent the moistening of the heat storage mass, which is thus sealed off steam and waterproof.
  • the vapor space 5 is hermetically sealed by means of a cover hood 11, on which an inspection opening 12 is provided in the upper area.
  • a locking screw 13 for Closing the inspection opening 12 is used at the first startup of the heat storage or heat storage boiler control of vapor formation.
  • the vapor space 5 is connected to the atmosphere by means of a U-tube 14, in the form of vertically communicating tubes.
  • the U-tube 14 is filled with water, wherein the water column in the U-tube 14 ensures the tightness of the vapor space 5.
  • the container 1 of the heat accumulator is placed on support profiles 15, the space between the container 1 and the bottom is insulated with a heat insulating material.
  • the carrier profiles 15 serve to keep the hot heat storage mass at a certain distance from the ground, thereby preventing thermal bridges from forming and damaging the soil.
  • the electric heating elements 9 When starting the all-purpose heat accumulator, the electric heating elements 9 are turned on and heated until the heat storage mass of the heat storage blocks 2 has reached a temperature of 800 to 900 0 C. A thermostat controls the heating temperature of the heat storage mass and turns off the heating elements 9 when it reaches the predetermined temperature. Previously, the condensate collection container 3 has been filled with a content of 5 to 10 liters of distilled water.
  • the solenoid valve 7 opens and the water in the condensate collector 3 flows through the needle valve 8, which is preferably previously adjusted to the maximum flow through the piping 6 and nozzles 16, which are located on the piping 6 directly above openings of distribution or evaporation tubes 17 are arranged.
  • the distribution pipes 17 extend within the individual heat storage blocks 2 and are closed at their lower ends.
  • the nozzles 16 on the pipes 6 are adjusted so that the condensate discharged from them ensures a uniform distribution of the condensate on the individual evaporation tubes 17.
  • the condensate whose Temperature in steady-state operation is around 100 0 C, dripping onto the inner surface of the hot evaporation tubes 17, it evaporates abruptly, leaves the evaporation tube 17 as steam and is then condensed again in the heat exchanger 4, the steam gives off its heat to the heating water through the heat exchanger flows. This process is repeated.
  • a segment of a heat storage block 2 of the heat storage mass is shown, in which the evaporation tube 17, preferably vertically standing, is poured. Ribs 20 are welded to the evaporation tube 17 in order to increase the heat conduction from the heat storage mass to the tube wall of the evaporation tube 17.
  • a water collecting tray 18 is connected watertight to the evaporation tube 17, e.g. welded. If there should be an undesirable water condensation in the steam chamber 5, the condensate is collected by the water collecting trays 18, wherein it evaporates again by the heat radiation of the heat storage mass.
  • the water collecting trays 18 serve as a buffer for a possible formation of water in the evaporation chamber 5. Laterally on the segments of a heat storage block 2 of the heat storage mass channels or grooves 19 are poured, which serve to embed the heating elements 9. When two heat storage blocks 2 are placed side by side, the channels 19 of two adjacent heat storage blocks 2 each have circular cross sections for receiving the heating elements. 9
  • FIGS. 1 B, 1 C, 1 D and 1 E serve to illustrate FIG. 1.
  • FIG. 2 it is possible to install an oil or gas burner 21 in the container 1 with the heat storage blocks 2 of the heat storage mass in order to be able to store oil or gas energy.
  • the difference to Figure 1 is that the heat storage blocks 2 are placed at a certain distance, distance s from each other, these distances of the distance s of the heat storage blocks from each other form flue gas channels 22.
  • the vapor space 5 is separated gas-tight from the heat storage space.
  • the separation of the two spaces is such that the evaporation tubes 17 are provided at the outlet with a threaded connection, wherein the separating plate 10 and the evaporation tubes 17 are gas-tightly interconnected, for example by means of a nut 24 with seal 25.
  • the flue gases flow out of the combustion chamber 23rd via the flue gas channels 22, 63 and leave the heat storage boiler through a flue gas pipe 26th
  • the use of the stored heat takes place in the same way as described in the case of FIG.
  • the heat storage boiler is also insulated with mineral wool 27.
  • FIGS. 2A, 2B, 2C, 2D, 2E and 2F serve to illustrate FIG. 2 and are comparable to FIGS. 1B, 1C, 1D and 1E.
  • the possibility is given to operate the heat storage boiler with a solid fuel or biomass, with a combustion chamber 28 upstream of the heat accumulator and the flue gases after combustion through flue gas channels 29, Figure 3B, flow, in the flow direction by means of the heat storage blocks 2 are formed.
  • the combustion air is controlled conventionally with a control flap (not shown in FIG. 3).
  • the control flap is attached to the firebox door.
  • the ceiling of the furnace consists of heat storage blocks 30, which are molded from refractory material and are poured into the evaporation tubes 31.
  • the evaporation tubes 31 in the ceiling of the combustion chamber are correspondingly shorter than the evaporation tubes 17 in the heat storage blocks 2.
  • the flue gases are conducted from the flue gas channels 29 into a flue gas collection channel 46.
  • a container 32 is placed, pulled through the bottom 33 pipe sections 34 and connected to the bottom 33 watertight, preferably welded, are.
  • the pipe pieces 34 pass through a metering chamber 35 and protrude into a Dampfsammeihunt 36 inside.
  • the metering chamber 35 serves as a supply chamber for the condensate, which is metered into the evaporation tubes 17 and 31.
  • a solenoid valve 37 opens and the condensate flows from the Dampfsammeihunt 36 in the metering chamber 35 a.
  • the pipe sections 34 have openings 38 and holes 38, through which the condensate flows into the evaporation tubes 17 and 31, slides on the walls of the evaporation tubes 17 and 31 inside down, is heated and then evaporated.
  • a needle valve 40 serves to fine control the Kondensataushnemenge from the Dampfsammeihunt 36.
  • the level of the condensate within the metering chamber 35 determines the heat output, of course, provided that the stored heat in the heat storage blocks 2 and 30 is still sufficient to evaporate the condensate can ,
  • the heat storage blocks 2 are housed in a steel housing 41 in which the floor is preferably provided in layers with an insulating layer 42 of mineral wool, with a layer of reinforced concrete 43 and with bricks 44.
  • the container 32 is provided as a backup against the pressure buildup in Dampfsammeiraum 36 a partially filled with water U-tube 32a whose water column withstands the prevailing vapor pressure in the steam chamber 36.
  • FIG. 3A shows the heat storage block 2 with the evaporation tube 17 and with a reinforcing wire 17a.
  • the reinforcements 17a of the heat storage mass are provided with the evaporation tube 17.
  • the reinforcement used is a wire of heat-resistant steel in such a way that the wire is welded to the evaporation tube 17 and 31.
  • FIG. 3B shows a top view of the heat storage boiler, in which the arrangement of the heat storage blocks 2, the flue gas ducts 29, the flue gas collecting duct 46 and the cover beams 30 of the combustion chamber 28 can be seen.
  • the openings are designed such that the inlet walls are walled up to a certain height with the refractory mass, so that only remains free as a free cross-section, as is necessary to the flue gas flow rate in to keep a predetermined framework.
  • FIG. 3C a distribution channel 48, a chimney 49, bypass channels 50 and 51 and a flue gas waste channel 52 are shown.
  • a flue gas blower 53 is not switched on, a flue gas flap 54 is in the position "open and further flue flaps 55, 56 and 57 are in the" on "position, in case you need a higher heat output, the flue gas blower 53 is turned on, in which case the flue gas flaps 54 and 55 are in the "closed” position and the flue gas flaps 56 and 57 are in the "up” position.
  • the flue gases are conducted by means of the flue gas blower 53 into the chimney 49.
  • the heat of the flue gases can be decoupled or the energy removed from the flue gases by means of the flue-gas heat-removal channel 52.
  • the flue gas blower 53 is put into operation, the flue flaps 54 and 56 are in the "closed” position, the flue flaps 55 and 57 are in the "on position.”
  • the flue gas waste heat duct 52 can additionally be provided with ribs 58.
  • FIG. 3D shows the heat storage boiler and the flue gas heat channels 52 integrated.
  • FIG. 3E shows a further possibility that, instead of the flue-gas heat-removal channels 52, a waste-heat boiler resists the heat storage.
  • cherkessel 59 is downstream, in which the energy of the flue gases decoupled or the energy is removed from the flue gases.
  • FIGS. 4, 4A 1 4B, 4C a further possibility is provided for firing the heat storage boiler with biomass 60 and thereby, instead of warm water, producing warm air as the heating medium. This applies in particular to the heating of greenhouses, as well as for the heating of factories and other diverse applications in agriculture and industry.
  • the heat storage boiler is composed of heat storage blocks 62, which are connected to each other airtight by means of a refractory mortar.
  • the heat storage blocks 62 form flue gas ducts 63 for the flue gases 61, FIGS. 4 and 4A.
  • the flue gases flow through the flue gas channels 63, where they give off their heat to the heat storage blocks 62 and leave, substantially cooled, the heat storage boiler through a flue gas collecting duct 64.
  • the heating air is supplied to the heat storage boiler and then the air flow is distributed to air ducts 66, 67 and 68.
  • the heat flows from the walls of the heat storage blocks 62 to the heating air, thereby heating and then exiting the air channels 66, 67 and 68 through outlet openings 73, 74, 75 and 76.
  • the heated air collects under a Warm Kunststoffsammeihaube 70 and from there from it is then distributed in a heating object by means of distribution lines 71 and by means of a blower 72 or by the gravity movement in the heating object.
  • the flue gases from the heat storage boiler can be routed directly into a chimney 77, in which case a flue gas fan 78 is out of service.
  • FIG. 5 schematically shows a heat storage boiler for steam generation.
  • the heat storage block 2 are provided with the evaporation tubes 17. Between the heat storage blocks 2 electrical heating rods 81 are provided which heat the heat storage blocks 2 to a temperature of 900 0 C to 1000 0 C from an external power source by means of an electrical supply current.
  • the heat storage blocks 2 are arranged side by side so that two heat storage blocks 2 enclose a heating rod 81. All heat storage blocks 2 are connected to each other by means of a pipe section 82, Kondensatdosierrohr which is closed on both sides.
  • the Dampfaushnehne 34 are connected to the evaporation tubes 17 by means of flange 83 airtight to each other.
  • the Dampfaushnehne 34 pass the Kondensatdosierrohr 82 and protrude into the Dampfsammeirohr 84 inside. From the Kondensatdosierrohr 82, the condensate is metered through the measures provided for the Dampfaushnehneen 34 openings 38 in the evaporation tubes 17.
  • each row of the heat storage blocks 2 is associated with a Kondensatdosierrohr 82 and a Dampfsammeirohr 84. This is best seen in Figure 5A.
  • Figure 5A the top view of the plant for generating steam by means of the heat storage boiler is shown.
  • the shut-off valves 86 are used to shut off the sections of the heat storage mass 2, which has been cooled and can no longer give sufficient energy to generate steam.
  • the heat energy is stored again in the heat storage mass.
  • the complete system is housed in the housing 41 made of sheet steel, and by means of mineral wool 42, the heat storage material is isolated so that the heat losses are kept to a minimum.
  • FIG. 5B shows the connection of the heat storage boiler to the classical steam generation plant.
  • the water vapor leaves the vapor collecting container 85 is conducted by means of a steam line 87 to a steam turbine 88, where it releases the energy and leaves the turbine in the form of the vapor vapors, which are condensed in the condenser 89 and subsequently directed into the condensate collecting vessel 90.
  • the condensate is conducted by means of a centrifugal pump 91 into a feed container 92 and metered from there by means of a feedwater pump 93 into the condensate metering tube 82.
  • the condensate metering tubes 82 are connected to each other by a conduit 94.
  • FIG. 5C shows the heat storage block 2 with the evaporation tubes 17 with the heating tube 81 and the reinforcing wire 17a. So that a good thermal contact between the evaporation tube 17 and the heat storage mass is secured, the reinforcements 17a of the evaporation tube 17 are provided in the heat storage mass. As reinforcement, the wire made of heat-resistant steel is provided in such a way that the wire is welded to the evaporation tube 17. So that a good thermal contact is secured between the heat storage block 2 and the heating tube 81 (electrically), the channels 2a, in which the heating tube 81 is embedded, are provided on the heat storage blocks 2. The channels 2a are formed during the casting process of the heat storage block 2. In Figure 5D is shown integrated heat storage boiler and the power generation plant, namely a wind turbine and a solar system.
  • the expansion in the turbine (adiabatically assumed) should take place up to a final pressure of 0.5 bar.
  • the energy content of the water vapor at 350 0 C and 20 bar is 3,139 kJ / kg and at the end of the expansion 2,400 kJ / kg. It can be seen that an enthalpy difference of 739 kJ / kg of water vapor could be achieved.
  • the ammonia vapor is passed into a turbine 96 and generates electric current by means of a current generator 97.
  • the ammonia vapor leaves the turbine 96 and is then sucked off by means of an ejector 98.
  • As a driving medium for the ejector 98 is low-ammonia water from the evaporator 95th
  • Ammonia steam from the turbine 96 and low-ammonia water are passed through the ejector 98 in an absorber 99, where again forms a liquid mixture between ammonia and water.
  • heat must be removed from the mixture. This is done by means of a cooling tower 100.
  • the mixture is brought to the evaporator pressure by means of a piston pump 101 and introduced into the evaporator 95.
  • a wind farm with a nominal capacity of 20 MW on average for 6 months in 24 hours a day, generates electrical energy of 86,400 MWh. Assuming that the heat storage mass can store the energy of 750 kWh / m 3 on average, this results in how many m 3 of heat storage mass are required to store the energy generated within 180 days. It turns out that the storage volume must be 115,200 m 3 . Assuming that the storage mass has a height of H 4 m, this results in the required footprint of an energy storage system of 28,800 m 2 or the dimensions of 170x170 m. Assuming that in a cycle the efficiency of power generation is on average about 40%, the recovered power from the storage facility is about 8 MW.
  • the storage facility is intended to ensure the uniformity of operation in the generation of electricity from wind energy. It makes sense to provide a smaller power from the wind turbine for storage, so that in windless days, the storage system is turned on to keep the power generation constant over time can.
  • the wind turbine can generate the "dirty" electricity, i. without frequency control, because the electricity is converted into heat energy.
  • the wind turbine can be made much cheaper and there are no particularly high technical requirements.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Allzweckwärmespeicher zur Speicherung verschiedener Arten von Energie, wie erneuerbare Energie, Wind- oder Sonnenenergie, Nachtstrom sowie Stromenergie im allgemeinen als auch Energie aus festen, gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffen, von Energie aus Biomasse sowie von Abfallwärme aus der Industrie. Die Energiespeicherung erfolgt in vorzugsweise quaderförmigen Wärmespeicherblöcken (2), in denen erhitzbare Verdampferrohre (17, 31, 62) eingebettet sind, in die ein flüssiges Kondensat einzutropfen imstande ist, wodurch sich in den Verdampferrohren (17, 31, 62) Dampf bildet, dessen Wärmeinhalt für diverse Zwecke nutzbar ist, wie zum Heizen oder zur Sekundärenergieerzeugung. Das flüssige Kondensat ist vorzugsweise Wasser, so dass beim Verdampfen Wasserdampf entsteht; das Kondensat wird in einem Kreislauf geführt. Oberhalb der Verdampferrohre (17, 31, 62) sind düsenförmige Regelelemente vorgesehen, welche das Kondensat gleichmäßig auf die Verdampferrohre (17, 31, 62) verteilen. Der in den Verdampferrohren (17, 31, 62) entstandene Dampf kondensiert an einem Wärmetauscher (4), wobei die abgegebene Wärme einer Heizungsanlage übergeben werden kann.

Description

Allzweckwärmespeicher zur Speicherunq verschiedener Arten von Energie
Technisches Gebiet:
Die Erfindung betrifft einen Allzweckwärmespeicher zur Speicherung verschie- dener Arten von Energie, wie erneuerbare Energie, Wind- oder Sonnenenergie, Nachtstrom sowie Stromenergie im allgemeinen als auch Energie aus festen, gasförmigen und flüssigen Brennstoffen, von Energie aus Biomasse sowie von Abfallwärme aus der Industrie.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Allzweckwärmespeicher zur effizienten Nutzung der gespeicherten Energie in Form der Wärme, des Wasserdampfes, des elektrischen Stromes oder als chemische Energie in Form der Produktgase oder in Form der flüssigen Brennstoffe.
Stand der Technik:
Es werden heute zahlreiche Forschungsaktivitäten hinsichtlich der Energiespei- cherung getätigt, jedoch sind die Ergebnisse mehr als bescheiden. Besonders wird im Bereich der Langzeitwärmespeicher geforscht mit dem Ziel, alternative Energien zu speichern, um die Diskrepanz zwischen der Energieentstehung und dem Energieverbrauch zu überwinden. In der Literatur werden einige Arten der Langzeitwärmespeicher mit den jeweiligen Speicherkapazitäten genannt, wie folgt:
■ Heißwasserspeicher mit gedämmtem, wassergefülltem Raum, Speicherkapazität 60-80 kWh/m3 ■ Wasserkies-Gemisch-Wärmespeicher mit gedämmtem Wasser-Kies-Gemisch unterirdisch, Speicherkapazität 30-50 kWh/m3
■ Wärmespeicher mit Erdsonden, senkrechte Sonden in wassergesättigtem Erdreich, Speicherkapazität 15-30 kWh/m3
■ Aquifer, natürlich vorkommende abgeschlossene Grundwasserschicht, Speicherkapazität 30-40 m3/h Neben den aufgeführten Langzeitwärmespeichern sind noch zu erwähnen:
■ Das Energiespeichersystem, das mit dem "Platts Global Energy Award" ausgezeichnet wurde, besteht aus 13.760 wiederaufladbaren Nickel-Cadmium Hochleistungszellen und einem Stromrichter, der den Gleichstrom der Batterien in Wechselstrom umwandelt. Die in vier parallelen Reihen angeordneten Zellen liefern eine Netzspannung von 5.000 Volt und besitzen eine Speicherkapazität 3.680 Amperestunden. Das unter Federführung von ABB entwickelte System kann 15 Minuten lang eine Leistung von 27 Megawatt bereitstellen und damit eine Zeitspanne überbrücken, welche man benötigt, um Gasturbinenkraftwerke aus dem Stillstand hochzufahren. Die Anlage ist 1.300
Tonnen schwer und füllt ein ganzes Fußballfeld.
■ In Norton, US-Bundesstaat Ohio, soll bald mit dem Bau des weltweit größten Luftspeicherkraftwerks begonnen werden. Die Pressluft wird in einer stillgelegten Kalksteinmine gespeichert. In vollem Betrieb soll die Anlage 675.000 Häuser für zwei Tage mit Elektrizität versorgen können.
■ Im Rahmen des Verbundprojektes INES (Inovative Energy Storage Systems) werden im Laufe der nächsten beiden Jahre unterschiedliche Kohlenstoff- Nanostrukturen auf ihren möglichen Einsatz in neuen Energiespeichersystemen getestet. Auf der Materialseite stehen dabei Kohlenstoff-Nanofasern und Nanotubes im Vordergrund. Sie sollen als Niederdruck-Wasserstoffspeicher für Brennstoffzellen in mobilen Anwendungen, als Wasserstoffreservoir in Nickelhydridbatterien und als Komponenten poröser Elektroden in Lithiumionenbatterien hergestellt, untersucht und optimiert werden.
■ Das Forschungszentrum Karlsruhe und die Universität Karlsruhe entwickeln gemeinsam einen supraleitenden Energiespeicher unter dem Namen
"Schneller Kompensator", der in einem Sägewerk eingesetzt werden soll. Kernstück der Anlage sind eine supraleitende Spule aus Niob(Nb)-Titan(Ti)- Draht, die mit flüssigem Helium auf 4.3 Kelvin (=269°C) gekühlt wird und in diesem Zustand elektrische Energie praktisch verlustlos speichern kann, sowie ein schneller leistungselektronischer Umrichter, über den das System an das
400 Volt-Drehstromnetz angeschlossen ist. Die Energiespeicherkapazität beträgt max. 200 Kilojoule(kJ). Unterdessen laufen einige Entwicklungen von Wärmespeichern in kleinerem Maßstab, wie
■ Pufferspeicher für Solarsysteme, bei denen das Wasser von der Sonnenenergie aufgewärmt und diese Energie für das Brauchwasser genutzt wird. ■ Kombispeicher speichern ebenfalls Solarenergie für Brauchwasser. Zusätzlich ist eine elektrische Heizung eingebaut und die Speicher werden mit der Zentralheizung kombiniert.
■ Latentwärmespeicher, die auf dem Prinzip basieren, dass während des Phasenwechsels das PCM (Phase change material) eine bestimmte Wärme- menge absorbiert, die sogenannte Schmelzwärme. Da sich hierbei die Temperatur des PCM trotz Wärmezufuhr nicht ändert, spricht man auch von latenter (versteckter) Wärme. Diese Wärmespeicher arbeiten im Temperaturbereich bis max. 2000C. Die Stoffe, die für Latentwärmespeicher genutzt werden, sind: o Salz-Wasser-Eutektika = 00C o Parafine -300C - 1300C o Salzhydrate 5°C - 130°C o Zuckeralkohole 90°C-180°C o Salze und deren eutektische Mischungen = 1800C
■ Mobile Latentwärmespeicher (makroverkapselt): PCM-Schmelzpunkt 58°C, Einleittemperatur von 560C - 180°C, Speicherkapazität 3,5 MWh, wärmeverbrauchendes Unternehmen: 2.500 MWh/a (20-30 km Entfernung)
Es stellt sich die Frage: Warum ist die Energiespeicherung wichtig? Großtechnische Kraftwerke arbeiten bekanntlich am wirtschaftlichsten im gleich- mäßigen Dauerbetrieb. Während der Nachtstunden, aber besonders in der Zeit zwischen 22, 63.00 Uhr und 6.00 Uhr, wird jedoch nicht die gesamte erzeugte Elektroenergie benötigt. Um eine möglichst gleichmäßige Auslastung der Kraftwerkskapazitäten zu erreichen, wurde Mitte der 60-Jahre die Nachtspeicherheizung entwickelt. Sie nutzt das "Abfallprodukt" Nachtstrom, das von EVUs im Rahmen von Sonderverträgen besonders günstig abgegeben wird, um den Speicherkern der Geräte aufzuladen. Dieser gibt die gespeicherte Wärme dann über den Tag verteilt nach Bedarf ab, wobei das Zusammenspiel von Wärmedämmung und Gebläsetechnik die exakte Dosierung der Raumheizung ermöglicht und Verluste an gespeicherter Wärme weitgehend verhindern soll. Bisher haben Elektrospeicherheizungen somit auch zur Verminderung des Verschleißes in den Kraftwerken einen wesentlichen Beitrag geleistet und nicht unbedeutend zur Preisstabilität der Elektroenergie beigetragen.
Die Kriterien für einen guten Energiespeicher kann man wie folgt zusammenfassen:
■ Eine Bauform, die der Vielfalt an Anforderungen möglichst oft gerecht wird.
■ Durchdachte, praxiserprobte Anschlüsse, die eine schnelle Montage auf der Baustelle ermöglichen.
■ Solide Konstruktion, die eine lange Lebensdauer gewährleistet.
■ Hochwertige Isolation, um die Verlustleistung minimal und den Wirkungsgrad hoch zu halten.
■ Große Speicherleistung pro Volumeneinheit. ■ Es soll die Möglichkeit bestehen, die Energie mit hohen Temperaturen zu speichern, um exegetische Verluste zu minimieren.
■ die Speichermasse soll möglichst aus handelsüblichen Baustoffen hergestellt werden.
■ die Energieentkoppelung soll möglichst in der Nähe der Temperaturen der Speichermasse liegen.
■ Preiswerte Ausführung.
■ Die Zeitspanne zwischen dem Energieabruf und dem Beharrungszustand bei der Energieentkoppelung soll kurz sein.
■ Der Energieverlust vom Energiespeicher zum Energieverbraucher soll minimiert werden.
Technische Aufgabe:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmespeicher als Allzweckwärmespeicher zu schaffen, der möglichst die genannten Forderungen erfüllt.
Offenbarung der Erfindung sowie deren Vorteile:
Die Lösung der Aufgabe besteht bei einem Allzweckwärmespeicher der eingangs genannten Gattung darin, dass die Energiespeicherung in Wärmespeicherblöcken erfolgt, in denen durch die Energiespeicherung erhitzbare Verdampferrohre eingebettet sind, in welche ein flüssiges Kondensat in einer vorgegebenen Menge einzutropfen imstande ist, wodurch sich in den Verdampferrohren Dampf bildet, dessen Wärmeinhalt für Heizzwecke oder Sekundärenergieerzeugung nutzbar ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Wärmespeicherblöcke quaderförmig gestaltet, wobei die Verdampferrohre aus Stahl oder aus einem anderen Werkstoff bestehen sowie das flüssige Kondensat Wasser ist, so dass beim Verdampfen Wasserdampf entsteht und das Kondensat in einem Kreislauf geführt ist. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind oberhalb der Ver- dampferrohre düsenförmige Regelelemente vorgesehen, welche das Kondensat gleichmäßig auf die Verdampferrohre verteilen. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kondensiert der in den Verdampferrohren entstandene Dampf innerhalb eines Dampfraumes an einem Wärmetauscher, wobei die abgegebene Wärme einer Heizungsanlage übergeben werden kann. Der Wärmetauscher ist bevorzugt in einem Kondensatsammelbehälter angeordnet, aus der das Kondensat in einem Kreislauf wieder in die Verdampferrohre rückführbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb der Wärmespeicherblöcke zur Energiespeicherung ein Brennraum für den Aufsatz eines Gas- oder Ölbrenners angeordnet, wobei die quaderförmigen Wärmespeicherblöcke in einem bestimmtem Abstand s voneinander angeordnet sind zur Bildung von Rauchgaskanälen, durch die die Rauchgase strömen und ihre Wärme an die Wärmespeichermasse abgeben.
Gemäß der Erfindung ist der Wärmespeicher somit dergestalt konzipiert, dass die Wärmespeichermasse in Form eines Quaders oder Würfels geformt ist, in dessen Mitte wenigstens ein Rohrstück eingebracht ist, welches an einem Ende, bevorzugt das untere Ende, verschlossen ist. Am Rohrstück sind Blechstücke seitlich angeschweißt, um die Wärmeleitung von der Speichermasse zum Rohr zu vergrößern. Die Speichermasse wird aus Schamottmehl und/oder aus gemahlenen Ziegelsteinen und/oder aus zermahlenem Porzellan und/oder aus üblichem Beton angefertigt, wobei der Zement, welcher für die feuerfesten Baustoffe vorgesehen ist, vermischt wird. Durch die Wasserzugabe wird der feuerfeste Mörtel angefertigt. In einer speziell geformten Schalung wird der feuerfeste Mörtel eingegossen, um quaderförmige Wärmespeicherblöcke herzustellen. In der Mitte des Quaders wird das Rohrstück, das an einem Ende verschlossen ist, eingebracht und mit der feuerfesten Masse fest verbunden.
Falls die Wärmespeichermasse für die Speicherung der elektrischen Energie benutzt wird, sind seitlich auf bestimmten Quaderhöhen Kanäle für den Heizstab vorgesehen, in die die Heizstäbe eingebettet werden können.
Die quaderförmigen Wärmespeicherblöcke oder -elemente werden nebeneinander angeordnet und bilden somit zusammen eine kompakte Einheit. Die Verdampfungsrohre ragen aus der Wärmespeichermasse hinaus. Am Austritt sind die Verdampfungsrohre mit Gewindeanschlüssen versehen, die ermöglichen, dass das Deckungsblech mit den Verdampfungsrohren und mittels der Dichtungen wasserdicht befestigt wird. Das Deckungsblech liegt auf einer Scheibe auf, die mit dem Verdampfungsrohr verschweißt ist. Die eventuell kondensierte Feuchte sammelt sich auf dem Deckungsblech und durch die abstrahlende Wärme verdampft es wieder.
Ein Merkmal der Erfindung ist, dass die Energieentnahme aus der Wärmespeichermasse dergestalt erfolgt, dass das Wasser in kontrollierter Menge in die heißen Verdampfungsrohre hineintropft, schlagartig verdampft und der Dampf mittels eines Wärmetauschers anschließend kondensiert wird. Durch den Wärmetauscher strömt das Heizungswasser, angetrieben durch eine Flüssigkeitskreisel- pumpe. Die Kondensationswärme wird an den Heizungskreislauf übertragen.
Unter dem Wärmetauscher ist ein Kondensatsammelbehälter angebracht, dessen Aufgabe es ist, das Kondensat aufzufangen. Das Kondensat wird durch die Schwerkraft in die Verdampfungsrohre zurückgeführt, um die Speicherwärme wieder aufzunehmen.
Um das Kondensat auf die Verdampfungsrohre gleichmäßig zu verteilen, sind oberhalb eines jeden Verdampfungsrohres oder auch Wärmetauscherrohres Verteilungsdüsen angebracht, mittels denen die gewünschte Durchflussmenge in den jeweiligen Verdampfungsrohren eingestellt werden kann. Die Kondensatzuführung zu den Verdampfungsrohren erfolgt mittels der Rohrleitungen, die oberhalb der Verdampfungsrohre angebracht sind.
Eine Stahlplatte, Deckungsplatte, ist aus rostfreiem Stahl vorgesehen und ist mit dem Außenflansch des Wärmespeicherkessels in Sandwich-Form mittels einer Dichtung luftdicht befestigt.
Um den Druckanstieg im Dampfraum in Grenzen zu halten, ist ein U-Rohr vorgesehen, das mit Wasser befüllt und mit der Atmosphäre verbunden ist. Das U- Rohr ist mit dem Abfluss verbunden, um zu verhindern, dass der Dampf in den Raum hinaustritt.
Ein Auffangbehälter für die Wärmespeichermasse ist aus üblichem Stahl angefertigt. Der ganze Energiespeicher ist außen herum mit Mineralwolle isoliert.
Gemäß der Erfindung besteht die Möglichkeit, einen öl- und/oder Gasbrenner in den Energiespeicher zu integrieren auf die Weise, dass die Wärmespeicherblöcke in einer Anordnung aufgestellt werden, dass zwischen den Wärmespeicherblöcken Rauchgaskanäle gebildet werden, durch die die Rauchgase strömen. Die durch die Kanäle strömende Energie besitzt eine Temperatur, die nicht viel höher über der Kondensationstemperatur des Wasserdampfes in den Rauchgasen liegt. Dadurch wird ein hoher Wirkungsgrad des Energiespeichers erreicht.
Die Regelung der Wärmeentnahme aus dem Energiespeicher erfolgt auf die Weise, dass sich bei einem Wärmebedarf das Magnetventil öffnet und das Kondensat aus dem Kondensatsammelbehälter durch die Verteilerrohre in die Verdampfungsrohre, die in der Wärmespeichermasse eingegossen sind, fließt. Nach dem Magnetventil ist ein Nadelventil vorgesehen, das so eingestellt ist, dass der Kondensatdurchfluss der Wärmeleistung der Heizungsanlage angepasst wird. Vorzugsweise kann deshalb der Kondensatdurchfluss in der Wärmeleistung der Heizungsanlage geregelt werden. Gemäß der Erfindung besteht noch die Möglichkeit, den Behälter anstatt mit Wärmespeicherblöcken (nach vorgenanntem Prinzip hergestellt) mit Granulat aus Lavagestein, Stahlkugeln oder Quarzglas zu befüllen, wobei in bestimmten Abständen voneinander die Elektroheizstäbe in der Schüttung eingebettet werden. Dadurch geben sie ihre Wärme an das Granulat ab. Das Granulat wird auf eine Temperatur von 7000C aufgewärmt. Der Behälter wird von außen mit Mineralwolle isoliert. Die Wärme wird von den Heizstäben an das Granulat durch Strahlung übertragen. Die effektive Wärmeleitfähigkeit des Granulates bewegt sich laut Berechnung zwischen 0,7 und 1 W/mK (dabei ist die Wärmestrahlung des im Zwischenkornvolumen befindlichen Gases nicht berücksichtigt).
Hier gelten die Gesetze der instationären Wärmeleitung in Abhängigkeit von der Korngröße, der Größe des Zwischenkornvolumens, der Schichtdicke, des Mediums des Zwischenkornvolumens, der Korndichte sowie der spezifischen Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit des Granulats.
Der restliche Aufbau, bezogen auf den Kondensator, die Kondensatrückführung und die Regelung bleibt derselbe. Bei dieser Variante mit der Wärmespeichermasse aus Granulat werden ebenso die Düsen und die Verteilerrohre über der Wärmespeichermasse benötigt, um das Kondensat gleichmäßig über das Granulat zu verteilen. Bei dieser Variante ist auch die Möglichkeit gegeben, den öl- oder Gasbrenner in den Energiespeicher zu integrieren. Der Brenner kann nach Bedarf ein-/ zugeschaltet werden, um Wärme zu speichern.
Die Regelung der Wärmeentnahme aus dem Energiespeicher erfolgt auf die Weise, dass sich bei Wärmebedarf das Magnetventil öffnet und das Kondensat aus dem Kondensatsammelbehälter durch die Verteilerrohre in die Verdampfungsrohre fließt. Nach dem Magnetventil ist ein Nadelventil vorgesehen, das so eingestellt wird, dass der Kondensatdurchfluss der Wärmeleistung der Heizungsanlage angepasst wird.
Durch das Herabfallen der Wassertropfen auf das heiße Granulat entsteht eine explosionsartige Wasserverdampfung, der Wasserdampf steigt hoch, fällt über die Kondensationsspirale nieder, wird kondensiert und überträgt die Kondensationswärme an das Heizmedium des Heizungskreislaufes. Der Wasserdampf ist leicht überhitzt, die Wärmeübergangszahlen bei der Kondensation liegen in der Größenordnung um 3.000 W/m2K und die inneren Wärmeübergangskoeffizienten lassen sich in der Heizspirale durch die passende Strömungsgeschwindigkeit auch auf die Größenordnung von 3.000 WAn2K hochbringen, so dass sich die Heizspirale mit relativ kleiner Heizfläche bemessen lässt.
Wenn das Granulat bis zu einer bestimmten Tiefe auf eine Temperatur unter 1000C abgekühlt ist, fließt das Wasser über die Oberfläche des Granulats bis zu der Tiefe, bei der die Temperatur des Granulats über 1000C liegt, dann setzt der
Verdampfungsprozess ein und der Wasserdampf strömt wieder zum Kondensator.
Der Verdampfungsvorgang dauert so lange, bis sich das letzte Korn in der
Schüttung unter 1000C abkühlt.
Im Nachfolgenden wird an einem Beispiel gezeigt, mit welchen Größen für einen
Haushalt von ca. 200 m2 Fläche zu rechnen ist, wenn die Variante mit den
Heizblöcken aus Schamott in Betracht gezogen wird:
- Für die Beheizung einer Wohnanlage von 200 m2 wird die Wärmeleistung von ca. 24 kW maximale Leistung (für -15°C Außentemperatur) benötigt, je nach dem wie das Objekt isoliert ist (es wird im Durchschnitt mit 120 W/m2 gerechnet)
- die mittlere spezifische Wärmekapazität des Schamotts (für eine mittlere Temperatur der Schamottblöcke zwischen 100 und 900°C) beträgt:
Cp=1 ,26 kJ/kgK
- die Dichte des Schamottes beträgt p=2.000 kg/m3
- die mittlere Wärmeleitfähigkeit des Schamottes beträgt 0,8 W/mK
- der durchschnittliche, stündliche Energieverbrauch beträgt innerhalb der Heiz- periode 15 KW (es wird gerechnet mit ca. 1.800 h im Jahr)
- mit 16 Stunden täglich eingeschalteter Heizung, wird die tägliche Wärmemenge von 240 KWh benötigt.
- Die Speicherkapazität für 1 kg Schamottstein auf 900°C beträgt 1.008 kJ/kg. Die erforderliche Speichermasse für 240 kWh beträgt 860 kg und beträgt auf das Volumen bezogen 0.43 m3. Wenn ein Speicherelement die Abmessungen 200x200x1.000 mm hat, werden 12 Wärmespeicherblöcke benötigt. Dies ergibt einen Wärmespeicherkessel mit 3x4 Wärmespeichereinheiten, mit den Außen- abmessungen 600x800 mm und der Höhe von ca. 1.500 mm.
Geht man von der Voraussetzung aus, dass der Nachtstrom abends von 22 h bis morgens 6 h eingeschaltet ist, ergibt sich ein elektrischer Anschluss von 30 kW, um 240 kWh täglich speichern zu können. Für diesen Wärmespeicherkessel werden 10 Heizstäbe mit der jeweiligen Leistung von 3 kW benötigt.
Kurzbeschreibung der Zeichnung:
Die Anwendungsmöglichkeiten gemäß dieser Erfindung sind in den Zeichnungen beispielsweise veranschaulicht. Dabei zeigen: Figur 1 eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Wärmespeicherkessels zur Speicherung des Nachtstroms
Figur 1A zur Verdeutlichung der Figur 1 zwei um 90Grad gedrehte Ansichten eines Wärmespeicherblocks im Längsschnitt A-A der Figur 1 sowie einen Querschnitt durch den Wärmespeicherblock längs der Linie S-S und gemäß Detail B eine Draufsicht von oben auf den Wärmespeicherblock
Figur 1 B einen Längsschnitt längs der Linie A-A in Figur 1
Figur 1C eine Draufsicht auf Figur 1 zur Darstellung eines ein Wärmetauschers
Figur 1 D eine Draufsicht längs des Querschnitts B-B auf die Wärmespeicher- blocke
Figur 1 E eine Draufsicht längs des Querschnitts C-C auf die Wärmespeicherblöcke in der Ebene von zwei Elektroheizstäben
Figur 2 eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Wärmespeicherkessels mit integriertem Gas- oder ölbrenner Figur 2A einen bezüglich der Figur 2 um 90Grad gedrehten Längsschnitt längs der Linie A-A in Figur 2
Figur 2B zur Verdeutlichung der Figur 2 zwei um 90Grad gedrehte Ansichten eines Wärmespeicherblocks Figur 2C zur Verdeutlichung der Figur 2 eine Draufsicht von oben auf den Wärmetauscher
Figur 2D zur Verdeutlichung der Figur 2 eine Draufsicht auf die Wärmespeicherblöcke längs der Linie B-B in Figur 2 Figur 2E zur Verdeutlichung der Figur 2 eine Draufsicht auf die Wärmespeicherblöcke längs der Linie C-C in Figur 2
Figur 2F zur Verdeutlichung der Figur 2 eine Draufsicht auf die Wärmespeicherblöcke längs der Linie D-D in Figur 2
Figur 3 eine erfindungsgemäße Prinzipskizze des Wärmespeicherkessels zum Speichern der Energie aus der Biomasse, festen, gasförmigen und flüssigen Brennstoffen. Wärmeübertragungsmedium ist Heizwasser
Figur 3A eine schematische Darstellung der Armierung eines Wärmespeicherblocks
Figur 3B eine Draufsicht des Wärmespeicherkessels Figur 3C eine schematische Darstellung des Abhitzekanals zum Wärmeentzug der Rauchgase
Figur 3D eine schematische Darstellung der Anbindung des Wärmespeicherkessels an einem Abhitzekanal
Figur 3E eine schematische Darstellung der Anbindung des Wärmespeicher- kesseis an einem Abhitzekessel
Figur 4: eine erfindungsgemäße Prinzipskizze des Wärmespeicherkessels zum Speichern der Energie aus der Biomasse fester, gasförmiger und flüssiger Brennstoffe; das Wärmeübertragungsmedium ist Warmluft
Figur 4A eine Draufsicht des Wärmespeicherkessels zur Warmlufterzeugung Figur 4B eine schematische Darstellung des Abhitzekanals zum Wärmeentzug der Rauchgase
Figur 4C eine schematische Darstellung der Anbindung des Wärmespeicherkessels zur Warmlufterzeugung an die Abhitzekanäle
Figur 5 eine erfindungsgemäße Prinzipskizze des Wärmespeicherkessels zur Dampferzeugung aus gespeicherter Wind- und Sonnenenergie
Figur 5A eine Draufsicht des Wärmespeicherkessels zur Dampferzeugung
Figur 5B eine schematische Darstellung der Anbindung des Wärmespeicherkessels an die Anlage zur Stromerzeugung Figur 5C eine schematische Darstellung der Armierung der Wärmespeicherblöcke mit integrierten elektrischen Heizstäben
Figur 5D eine schematische Darstellung der Stromerzeugung mittels des Wärmespeicherkessels mit integrierter Windanlage und Solaranlage und Figur 6 eine weitere schematische Darstellung der Stromerzeugung mittels eines Kreislaufs mit einem Zweistoffgemisch, Ammoniak/Wasser, und einem Verdampfer mit einer Mischung aus NH3 und H2O.
Wege zur Ausführung der Erfindung: Ein Wärmespeicherkessel gemäß der Figur 1 ist ein rechtwinkliger bzw. quaderförmiger Behälter 1 , der mit Wärmespeicherblöcken 2, in Form von Quadern, befüllt ist, dergestalt, dass die Wärmespeicherblöcke nebeneinander gestellt sind und praktisch den ganzen Innenraum des Behälters 1 ausfüllen. Die Wärmespeicherblöcke 2 bilden eine Wärmespeichermasse, wobei der Behälter 1 mit einer Wärmedämmung isoliert ist.
Oberhalb der Wärmespeicherblöcke 2 ist ein Kondensatsammelbehälter 3 vorgesehen, in den ein Wärmetauscher 4 eingebaut ist. Die Verbindung zwischen dem Kondensatsammelbehälter 3 und einem Dampfraum 5, in dem sich der Konden- satsammelbehälter 3 und der Wärmetauscher 4 befinden, erfolgt mittels Rohrleitungen 6. Ein Magnetventil 7 und ein nachfolgendes Nadelventil 8, die in den Rohrleitungen 6 angeordnet sind, dienen zur Regelung der Wärmeleistung; das Nadelventil 8 dient zur Feineinregelung des Kondensatdurchflusses durch die Rohrleitungen 6.
Mittels Elektroheizstäbe 9 wird mit elektrischem Strom die Wärmespeichermasse aufgewärmt, wobei die Elektroheizstäbe 9 vorzugsweise die Wärmespeichermasse waagrecht durchdringen. Eine Trennplatte 10, die aus rostfreiem Stahl angefertigt ist, dient zum Trennen des Wärmespeicherraumes vom darüber befindlichen Dampfraum 5, um die Befeuchtung der Wärmespeichermasse zu verhindern, die somit dampf- und wasserdicht abgeschottet ist. Der Dampfraum 5 ist mittels einer Deckhaube 11 luftdicht verschlossen, auf der im oberen Bereich eine Revisionsöffnung 12 vorgesehen ist. Eine Verschlussschraube 13 zum Verschließen der Revisionsöffnung 12 dient bei der ersten Inbetriebnahme des Wärmespeichers oder Wärmespeicherkessels der Kontrolle der Dampfbildung.
Der Dampfraum 5 ist mittels eines U-Rohres 14, in Form von vertikal stehenden, kommunizierenden Röhren, mit der Atmosphäre verbunden. Das U-Rohr 14 ist mit Wasser gefüllt, wobei die Wassersäule im U-Rohr 14 die Dichtigkeit des Dampfraumes 5 sichert. Der Behälter 1 des Wärmespeichers ist auf Trägerprofilen 15 aufgestellt, der Raum zwischen dem Behälter 1 und dem Boden ist mit einem Wärmedämmstoff isoliert.
Die Trägerprofile 15 dienen dazu, die heiße Wärmespeichermasse in einem bestimmten Abstand zum Boden zu halten, wodurch verhindert wird, dass sich Wärmebrücken bilden und der Boden beschädigt wird.
Das Funktionsprinzip des Allzweckwärmespeichers:
Beim Starten des Allzweckwärmespeichers werden die elektrischen Heizstäbe 9 eingeschaltet und erhitzt, bis die Wärmespeichermasse der Wärmespeicherblöcke 2 eine Temperatur von 800 bis 9000C erreicht hat. Ein Thermostat kontrolliert die Aufheiztemperatur der Wärmespeichermasse und schaltet die Heizstäbe 9 mit Erreichen der vorgegebenen Temperatur aus. Zuvor ist der Kondensatsammelbehälter 3 mit einem Inhalt von 5 bis 10 Litern destilliertem Wasser befüllt worden.
Bei Energiebedarf öffnet das Magnetventil 7 und das Wasser im Kondensatsammelbehälter 3 fließt über das Nadelventil 8, das vorzugsweise vorher auf den maximalen Durchfluss justiert ist, durch die Rohrleitungen 6 und Düsen 16, welche an den Rohrleitungen 6 direkt oberhalb von Öffnungen von Verteiler- oder Verdampfungsrohren 17 angeordnet sind. Die Verteilerrohre 17 verlaufen innerhalb der einzelnen Wärmespeicherblöcke 2 und sind an ihren unteren Enden verschlossen.
Die Düsen 16 an den Rohrleitungen 6 sind so eingestellt, dass die aus ihnen austretende Kondensatmenge eine gleichmäßige Verteilung des Kondensates auf die einzelnen Verdampfungsrohre 17 sichert. Wenn das Kondensat, dessen Temperatur beim stationären Betrieb um 1000C beträgt, auf die Innenfläche der heißen Verdampfungsrohre 17 tropft, verdampft es schlagartig, verlässt das Verdampfungsrohre 17 als Dampf und wird anschließend im Wärmetauscher 4 wieder kondensiert, wobei der Dampf seine Wärme an das Heizungswasser abgibt, das durch den Wärmetauscher strömt. Dieser Vorgang wiederholt sich.
Gemäß Figur 1A ist ein Segment eines Wärmespeicherblocks 2 der Wärmespeichermasse dargestellt, in den das Verdampfungsrohr 17, vorzugsweise vertikal stehend, eingegossen ist. Am Verdampfungsrohr 17 sind Rippen 20 ange- schweißt, um die Wärmeleitung von der Wärmespeichermasse zur Rohrwand des Verdampfungsrohres 17 zu erhöhen. Am oben gelegenen Austritt des Verdampfungsrohres 17 aus dem Segment des Wärmespeicherblocks 2 ist eine Wasserauffangschale 18 mit dem Verdampfungsrohr 17 wasserdicht verbunden, z.B. verschweißt. Falls es zu einer unerwünschten Wasserkondensation im Dampf- räum 5 kommen sollte, wird das Kondensat von den Wasserauffangschalen 18 aufgefangen, wobei es durch die Wärmeabstrahlung der Wärmespeichermasse wieder verdampft.
Die Wasserauffangschalen 18 dienen als Puffer für eine eventuelle Wasserbildung im Verdampfungsraum 5. Seitlich an den Segmenten eines Wärmespeicherblocks 2 der Wärmespeichermasse sind Kanäle oder Nuten 19 eingegossen, die dazu dienen, die Heizstäbe 9 einzubetten. Wenn zwei Wärmespeicherblöcke 2 nebeneinander aufgestellt sind, bilden die Kanäle 19 zweier benachbarter Wärmespeicherblöcke 2 jeweils Kreisquerschnitte zur Aufnahme der Heizstäbe 9.
Die Figuren 1 B, 1C, 1D und 1E dienen zur Verdeutlichung der Figur 1.
Gemäß der Figur 2 ist die Möglichkeit vorgesehen, in den Behälter 1 mit den Wärmespeicherblöcken 2 der Wärmespeichermasse einen Öl- oder Gasbrenner 21 einzubauen, um öl- oder Gasenergie speichern zu können. Der Unterschied zu Figur 1 besteht darin, dass die Wärmespeicherblöcke 2 in einem bestimmten Abstand, Strecke s, voneinander gestellt werden, wobei diese Abstände der Strecke s der Wärmespeicherblöcke voneinander Rauchgaskanäle 22 bilden. Es ist zusätzlich ein leeres Volumen, nämlich ohne Wärmespeichermasse, vorgesehen, das als Brennraum 23 des Öl- oder Gasbrenners 21 dient. Charakteristisch für diese Ausführung ist auch, dass der Dampfraum 5 vom Wärmespeicherraum gasdicht getrennt ist. Die Trennung der beiden Räume erfolgt dergestalt, dass die Verdampfungsrohre 17 am Austritt mit einem Gewindeanschluss versehen sind, wobei das Trennblech 10 und die Verdampfungsrohre 17 gasdicht miteinander verbunden sind, zum Beispiel mittels einer Mutter 24 mit Dichtung 25. Die Rauchgase strömen aus der Brennkammer 23 über die Rauchgaskanäle 22, 63 und verlassen den Wärmespeicherkessel durch ein Rauchgasrohr 26.
Die Nutzung der gespeicherten Wärme erfolgt auf gleiche Weise wie im Falle der Figur 1 beschrieben ist. Der Wärmespeicherkessel ist ebenfalls mit Mineralwolle 27 isoliert.
Die Figuren 2A, 2B, 2C, 2D, 2E und 2F dient zur Verdeutlichung der Figur 2 und sind den Figuren 1 B, 1C, 1 D und 1 E vergleichbar.
Gemäß der Figur 3 ist die Möglichkeit gegeben, den Wärmespeicherkessel mit einem festen Brennstoff oder mit Biomasse zu betreiben, wobei ein Feuerraum 28 dem Wärmespeicher vorgeschaltet ist und die Rauchgase nach der Verbrennung durch Rauchgaskanäle 29, Figur 3B, strömen, die in Strömungsrichtung mittels der Wärmespeicherblöcke 2 gebildet sind. Die Verbrennungsluft wird klassisch mit einer Regelklappe (nicht in Figur 3 dargestellt) geregelt. Die Regelklappe ist an der Feuerraumtür angebracht. Die Decke des Feuerraumes besteht aus Wärme- Speicherblöcken 30, die aus feuerfester Masse gegossen sind und in der Verdampfungsrohre 31 eingegossen sind. Die Verdampfungsrohre 31 in der Decke des Feuerraumes sind dementsprechend kürzer als die Verdampfungsrohre 17 in den Wärmespeicherblöcken 2. Die Rauchgase werden aus den Rauchgaskanälen 29 in einen Rauchgassammeikanal 46 geleitet.
Oberhalb der Wärmespeicherblöcke 2 und 30 ist ein Behälter 32 aufgesetzt, durch dessen Boden 33 Rohrstücke 34 durchgezogen und mit dem Boden 33 wasserdicht verbunden, vorzugsweise verschweißt, sind. Die Rohrstücke 34 passieren eine Dosierkammer 35 und ragen in eine Dampfsammeikammer 36 hinein. Die Dosierkammer 35 dient als Speisekammer für das Kondensat, das in die Verdampfungsrohre 17 und 31 eindosiert wird. Bei einem Wärmebedarf öffnet sich ein Magnetventil 37 und das Kondensat fließt aus der Dampfsammeikammer 36 in die Dosierkammer 35 ein. Die Rohrstücke 34 weisen Öffnungen 38 bzw. Löcher 38 auf, durch welche das Kondensat in die Verdampfungsrohre 17 und 31 einfließt, an den Wandungen der Verdampfungsrohre 17 und 31 innen entlang nach unten gleitet, erwärmt wird und anschließend verdampft.
Der Dampf steigt durch die Verdampfungsrohre 17 und 31 hoch, gelangt an die Oberfläche eines Rohrwärmetauschers 39 und kondensiert dort. Das Kondensat sammelt sich am Boden 33 der Dampfsammeikammer 36; die weitere Prozedur wiederholt sich.
Ein Nadelventil 40 dient zur Feinregelung der Kondensatausflussmenge aus der Dampfsammeikammer 36. Das Niveau des Kondensats innerhalb der Dosierkammer 35 bestimmt die Wärmeleistung, natürlich unter der Voraussetzung, dass die gespeicherte Wärme in den Wärmespeicherblöcken 2 und 30 noch immer ausreicht, um das Kondensat verdampfen zu können.
Die Wärmespeicherblöcke 2 sind in einem Stahlgehäuse 41 untergebracht, in dem der Boden vorzugsweise schichtig mit einer Isolierschicht 42 aus Mineralwolle, mit einer Schicht aus Stahlbeton 43 und mit Ziegelsteinen 44 versehen ist. Am Behälter 32 ist als Sicherung gegen den Druckaufbau im Dampfsammeiraum 36 ein teils mit Wasser gefülltes U-Rohr 32a vorgesehen, dessen Wassersäule dem herrschenden Dampfdruck in der Dampfkammer 36 standhält.
In Figur 3A ist der Wärmespeicherblock 2 mit dem Verdampfungsrohr 17 und mit einem Armierdraht 17a dargestellt. Damit ein guter Wärmekontakt zwischen dem Verdampfungsrohr 17 und der Wärmespeichermasse gesichert wird, sind die Armierungen 17a der Wärmespeichermasse mit dem Verdampfungsrohr 17 vorgesehen. Als Armierung dient ein Draht aus warmfestem Stahl dergestalt, dass der Draht am Verdampfungsrohr 17 und 31 angeschweißt ist. In Figur 3B ist eine Draufsicht des Wärmespeicherkessels dargestellt, in dem die Anordnung der Wärmespeicherblöcke 2, der Rauchgaskanäle 29, des Rauchgas- sammelkanals 46 und der Deckbalken 30 des Feuerraums 28 zu sehen sind. Für den Einlauf der Rauchgase 47 in die Rauchgaskanäle 29 sind die Öffnungen dergestalt ausgeführt, dass die Einlaufe bis zu einer bestimmten Höhe mit der feuerfesten Masse zugemauert sind, so dass als freier Querschnitt nur so viel frei bleibt, wie erforderlich ist, um die Rauchgasströmungsgeschwindigkeit in einem vorgegebenen Rahmen zu halten.
In Figur 3C sind ein Verteilerkanal 48, ein Schornstein 49, Bypass-Kanäle 50 und 51 und ein Rauchgasabhitzekanal 52 dargestellt.
Gemäß Figur 3C ist die Möglichkeit vorgesehen, dass die Rauchgase aus einem Wärmespeicherkessel 59, Figur 3E, über den Verteilerkanal 48 und den Bypass- Kanal 50 direkt in den Schornstein 49 geleitet werden. In diesem Falle wird ein Rauchgasgebläse 53 nicht eingeschaltet, eine Rauchgasklappe 54 ist in der Stellung "Auf und weitere Rauchgasklappen 55, 56 und 57 sind in der Stellung "Zu" positioniert. Für den Fall, dass man eine höhere Wärmeleistung benötigt, wird das Rauchgasgebläse 53 eingeschaltet. In diesem Falle sind die Rauch- gasklappen 54 und 55 in der Stellung "Zu" und die Rauchgasklappen 56 und 57 in der Stellung "Auf positioniert. Die Rauchgase werden mittels des Rauchgasgebläses 53 in den Schornstein 49 geleitet.
Mittels des Rauchgasabhitzekanals 52 kann die Wärme der Rauchgase ent- koppelt bzw. die Energie den Rauchgasen entzogen werden. In diesem Fall wird das Rauchgasgebläse 53 in Betrieb gesetzt, die Rauchgasklappen 54 und 56 befinden sich in Stellung "Zu", die Rauchgasklappen 55 und 57 sind in der Stellung "Auf positioniert. Um die Wärmeabgabe der Rauchgase zu erhöhen, kann der Rauchgasabhitzekanal 52 zusätzlich mit Rippen 58 versehen sein.
In Figur 3D ist der Wärmespeicherkessel und die Rauchgasabhitzekanäle 52 integriert dargestellt. In Figur 3E ist eine weitere Möglichkeit dargestellt, dass anstatt der Rauchgasabhitzekanäle 52 ein Abhitzekessel dem Wärmespei- cherkessel 59 nachgeschaltet ist, in dem die Energie der Rauchgase entkoppelt bzw. die Energie den Rauchgasen entzogen wird.
In den Figuren 4, 4A1 4B, 4C ist eine weitere Möglichkeit vorgesehen, den Wär- mespeicherkessel mit Biomasse 60 zu befeuern und dabei, anstatt Warmwasser, warme Luft als Heizmedium zu erzeugen. Dies findet insbesondere Anwendung für die Heizung von Gewächshäusern, sowie für die Heizung von Werkshallen und anderen diversen Anwendungen in der Landwirtschaft und der Industrie.
Der Wärmespeicherkessel setzt sich aus Wärmespeicherblöcken 62 zusammen, die miteinander luftdicht mittels eines feuerfesten Mörtels verbunden sind. Die Wärmespeicherblöcke 62 bilden Rauchgaskanäle 63 für die Rauchgase 61 , Figuren 4 und 4A. Die Rauchgase strömen durch die Rauchgaskanäle 63, geben dort ihre Wärme an die Wärmespeicherblöcke 62 ab und verlassen, wesentlich abgekühlt, den Wärmespeicherkessel durch einen Rauchgassammeikanal 64.
Mittels des Luftzuführungskanals 65 wird die Heizluft dem Wärmespeicherkessel zugeführt und anschließend wird der Luftstrom an Luftkanäle 66, 67 und 68 verteilt. Die Wärme fließt von den Wandungen der Wärmespeicherblöcke 62 an die Heizluft, dadurch erwärmt sie sich und anschließend verlässt sie die Luftkanäle 66, 67 und 68 durch Austrittsöffnungen 73, 74, 75 und 76. Die erwärmte Luft sammelt sich unter einer Warmluftsammeihaube 70 und von da aus wird sie anschließend in ein Heizobjekt mittels Verteilerleitungen 71 und mittels eines Gebläses 72 oder durch die Schwerkraftbewegung ins Heizobjekt verteilt. Die Rauchgase aus dem Wärmespeicherkessel können direkt in einen Schornstein 77 geleitet werden, in diesem Fall ist ein Rauchgasgebläse 78 außer Betrieb. Wenn die Rauchgasklappe 73a in der Stellung "Zu" und die Rauchgasklappe 78a in der Stellung "Auf ist, strömen die Rauchgase durch einen Rauchgasabhitzekanal 79, in zwei Teile geteilt und geben dort ihre Wärme im Heizobjekt ab, werden dort abgekühlt und verlassen den Rauchgasabhitzekanal 79 nach außen hin durch Mini-Schornsteine 80. Um die Wärmeabgabe der Rauchgase zu beschleunigen, ist die Möglichkeit vorgesehen, die Rauchgasabhitzekanäle 79 mit Rippen 79a zu berippen, Figur 4B. Gemäß dieser Figur 4B sind separat die Rauchgasabhitzekanäle 79 mit dem Rauchgasgebläse 78, dem Schornstein 77 sowie den Mini-Schornsteine 80 dargestellt.
In Figur 4C ist die komplette Anlage zur Verdeutlichung des Zusammenwirkens dargestellt.
Gemäß Figur 5 ist die Ausführungsmöglichkeit gegeben, dass der Wärmespeicherkessel zur Speicherung von alternativen Energien, wie Windenergie und Sonnenenergie, genutzt werden kann. Für diesen Fall liegt die Lösung nah, aus der gespeicherten Energie Wasserdampf zu erzeugen, aus dem wiederum elektrischer Strom erzeugt werden kann. Um den Hochdruckdampf erzeugen zu können, wird es erforderlich sein, den Wärmespeicherkessel konstruktionsmäßig an die neuen Forderungen anzupassen. In Figur 5 ist schematisch ein Wärmespeicherkessel zur Wasserdampferzeugung dargestellt. Die Wärmespeicher- blocke 2 sind mit den Verdampfungsrohren 17 versehen. Zwischen den Wärmespeicherblöcken 2 sind elektrische Heizstäbe 81 vorgesehen, die aus einer externen Energiequelle mittels eines elektrischen Speisestromes die Wärmespeicherblöcke 2 auf eine Temperatur von 9000C bis 1.0000C aufwärmen. Die Wärmespeicherblöcke 2 sind nebeneinander so angeordnet, dass zwei Wärme- Speicherblöcke 2 einen Heizstab 81 umschließen. Alle Wärmespeicherblöcke 2 sind mittels eines Rohrstückes 82, Kondensatdosierrohr, das auf beiden Seiten verschlossen ist, miteinander verbunden. Die Dampfausflussrohre 34 sind mit den Verdampfungsrohren 17 mittels Flanschverbindungen 83 luftdicht miteinander verbunden. Die Dampfausflussrohre 34 passieren das Kondensatdosierrohr 82 und ragen in das Dampfsammeirohr 84 hinein. Aus dem Kondensatdosierrohr 82 wird das Kondensat durch die an den Dampfausflussrohren 34 vorgesehenen Öffnungen 38 in die Verdampfungsrohre 17 eindosiert. Das Kondensat gleitet an den Wandungen des Verdampfungsrohres 17 hinab, erwärmt sich und verdampft anschließend. Der Wasserdampf steigt hoch und gelangt in das Dampfsammel- röhr 84. Von da aus wird der Wasserdampf in einen Dampfsammelbehälter 85 geleitet. Jede Reihe der Wärmespeicherblöcke 2 ist einem Kondensatdosierrohr 82 und einem Dampfsammeirohr 84 zugeordnet. Dies ist am besten in Figur 5A zu erkennen. In Figur 5A ist die Draufsicht der Anlage zur Dampferzeugung mittels des Wärmespeicherkessels dargestellt. Die Absperrventile 86 dienen zum Absperren der Sektionen der Wärmespeichermasse 2, die abgekühlt worden ist und nicht mehr die ausreichende Energie zur Dampferzeugung geben kann.
Während der Ausschaltzeit einer Sektion wird die Wärmeenergie erneut in die Wärmespeichermasse gespeichert. Die komplette Anlage ist in dem Gehäuse 41 aus Stahlblech untergebracht, und mittels Mineralwolle 42 wird die Wärmespei- chermasse so isoliert, dass die Wärmeverluste auf Minimum gehalten werden.
In Figur 5B ist die Anbindung des Wärmespeicherkessels an die klassische Dampferzeugungsanlage dargestellt. Der Wasserdampf verlässt den Dampfsammelbehälter 85, wird mittels einer Dampfleitung 87 zu einer Wasserdampf- turbine 88 geleitet, dort gibt er die Energie ab und verlässt die Turbine in Form der Dampfbrüden, die im Kondensator 89 kondensiert werden und anschließend in den Kondensatsammelbehälter 90 geleitet werden. Aus einem Kondensatsammelbehälter 90 wird das Kondensat mittels einer Kreiselpumpe 91 in einen Speisebehälter 92 geleitet und von da aus mittels einer Speisewasserpumpe 93 in das Kondensatdosierrohr 82 dosiert. Um das Wasserspiegelniveau in den Kondensatdosierrohren 82 aufrecht zu erhalten, sind die Kondensatdosierrohre 82 miteinander durch eine Rohrleitung 94 verbunden.
In Figur 5C ist der Wärmespeicherblock 2 mit den Verdampfungsrohren 17 mit dem Heizrohr 81 und dem Armierdraht 17a dargestellt. Damit ein guter Wärmekontakt zwischen dem Verdampfungsrohr 17 und der Wärmespeichermasse gesichert ist, sind die Armierungen 17a des Verdampfungsrohres 17 in der Wärmespeichermasse vorgesehen. Als Armierung ist der Draht aus warmfestem Stahl vorgesehen dergestalt, dass der Draht am Verdampfungsrohr 17 ange- schweißt ist. Damit zwischen dem Wärmespeicherblock 2 und dem Heizrohr 81 (elektrisch) ein guter Wärmekontakt gesichert ist, sind an den Wärmespeicherblöcken 2 die Kanäle 2a vorgesehen, in denen das Heizrohr 81 eingebettet ist. Die Kanäle 2a werden beim Gussvorgang des Wärmespeicherblockes 2 geformt. In Figur 5D ist integriert dargestellt der Wärmespeicherkessel und die Stromerzeugungsanlage, nämlich eine Windanlage und eine Solaranlage.
Durch die Kombination der Lösung gemäß Figur 3, nämlich die Wärmespeicher- anläge, welche mit dem Feuerraum ausgestattet ist, in dem Biomasse verbrannt werden kann und diese Energie gespeichert wird, mit der Einbindung der Wind- und Solaranlage gemäß Figur 5D, erhält man eine allgemeine Lösung, die geeignet ist, sämtliche alternativen Energien in elektrische Energie umzusetzen.
Im Sinne dieser Erfindung ist auch, dass das vorgeschlagene neue Konzept es ermöglicht, aus der Windenergie, der Sonnenenergie und der Biomasse über das ganze Jahr Strom zu erzeugen.
Es stellt sich die Frage, wie hoch die Temperatur der Wärmespeichermasse getrieben werden soll. Technisch sinnvoll scheint eine Temperatur von 9000C bis 1.0000C zu sein. Dann stellt sich die Frage, bis zu welchen minimalen Temperaturen die Wärmespeichermasse abgekühlt werden soll. Die Analyse zeigt, dass es sinnvoll ist, mit einem Dampfdruck von 20 bar und einer Dampftemperatur von 3500C die Turbine zu betreiben. Die Expansion in der Turbine (adiabatisch angenommen) soll bis zu einem Enddruck von 0.5 bar erfolgen. Der Energieinhalt des Wasserdampfes bei 3500C und 20 bar beträgt 3.139 kJ/kg und am Ende der Expansion 2.400 kJ/kg. Daraus geht hervor, dass man eine Enthalpiedifferenz von 739 kJ/kg des Wasserdampfes erzielen könnte.
Um die gespeicherte Energie der Wärmespeichermasse auf ca. 1500C herabsetzen zu können, liegt es nahe, einen Kreisprozess mit einem Zweistoffgemisch zu verwenden. Als mögliche Lösung ist ein Zweistoffgemisch aus Ammoniak (NH3) und Wasser (H2O), im Verhältnis 50% zu 50% miteinander vermischt, denkbar. Diese Ausführungsmöglichkeit ist in Figur 6 dargestellt. Wenn die Wär- mespeichermasse auf 3500C abgekühlt wird, dann schaltet sich der Kreislauf mit Zweistoffgemisch ein und es wird weiterer elektrischer Strom erzeugt. Gemäß Figur 6 ist der Kreislauf mit einem Zweistoffgemisch (Ammoniak/Wasser) dargestellt. In einem Verdampfer 95 befindet sich eine Mischung NH3 und H2O. Das Ammoniak verdampft bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Temperatur. Der Ammoniakdampf wird in eine Turbine 96 geleitet und erzeugt mittels eines Stromgenerators 97 elektrischen Strom. Der Ammoniakdampf verlässt die Turbine 96 und wird anschließend mittels eines Ejektors 98 abgesaugt. Als Treibmedium für den Ejektor 98 dient ammoniakarmes Wasser aus dem Verdampfer 95.
Ammoniakdampf aus der Turbine 96 und ammoniakarmes Wasser werden mittels des Ejektors 98 in einen Absorber 99 geleitet, wo sich wieder eine flüssige Mischung zwischen Ammoniak und Wasser bildet. Während der Absorption muss der Mischung die Wärme abgeführt werden. Dies geschieht mittels eines Kühlturmes 100. Die Mischung wird mittels einer Kolbenpumpe 101 auf den Verdamp- ferdruck gebracht und in den Verdampfer 95 eingeleitet. Durch das Einbeziehen des Zweistoffkreislaufes ist die Möglichkeit gegeben, die Wärmespeichermasse auf 1500C abzukühlen, womit die Speicherkapazität der Wärmespeichermasse wesentlich erhöht wird. Damit ergibt sich eine spezifische Speicherkapazität der Wärmespeichermasse von 740 kWh/m3 unter der Voraussetzung, dass die Wär- mespeichermasse eine Dichte von 3.000 kg/m3, eine spezifische Wärmekapazität von 1.05 kJ/kgK besitzt und die Aufheiztemperatur 1.0000C beträgt.
Beispielhaft sind die folgenden Möglichkeiten gegeben:
Eine Windanlage mit der nominellen Leistung von 20 MW im Durchschnitt für 6 Monate in 24 Stunden täglich, erzeugt elektrische Energie von 86.400 MWh. Geht man davon aus, dass die Wärmespeichermasse im Durchschnitt die Energie von 750 kWh/m3 speichern kann, ergibt sich, wie viel m3 Wärmespeichermasse erforderlich sind, um die binnen 180 Tagen erzeugte Energie zu speichern. Es ergibt sich, dass das Speichervolumen 115.200 m3 groß sein muss. Geht man davon aus, dass die Speichermasse eine Höhe von H=4 m hat, ergibt sich die erforderliche Grundfläche einer Energiespeicheranlage von 28.800 m2 oder die Abmessungen von 170x170 m. Bei der Annahme, dass bei einem Kreisprozess der Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung im Durchschnitt ca. 40% ist, beträgt die wiedergewonnene Leistung aus der Speicheranlage ca. 8 MW.
Daraus sieht man, dass die Speicheranlage dazu dienen soll, die Gleichmäßigkeit des Betriebes bei der Stromerzeugung aus der Windenergie zu sichern. Es ist sinnvoll, eine kleinere Leistung aus der Windanlage für die Speicherung vorzusehen, so dass bei windlosen Tagen die Speicheranlage eingeschaltet wird, um die Stromerzeugung über die Zeit konstant halten zu können.
Man kann unter Umständen im Winterbetrieb die Windenergie für Sommerbetrieb speichern, in diesem Fall kann die Windanlage den "schmutzigen" Strom erzeugen, d.h. ohne Frequenzregelung, weil der Strom in Wärmeenergie umgewandelt wird. In diesem Falle kann die Windanlage wesentlich billiger hergestellt werden und es sind keine besonders hohen technischen Forderungen gestellt.
Es wäre besonders wertvoll, wenn Solarenergie und Windenergie gekoppelt genutzt werden, die Stromerzeugung könnte aus der gespeicherten Energie, nur bei den windleeren Tagen oder bei sonnenleeren Tagen, wegen der Kontinuitätserhaltung des Betriebes genommen werden. Die Kombination von Wind- energie, Sonnenenergie und der erfindungsgemäßen Wärmespeicheranlage gäbe zum ersten Male die Möglichkeit, die alternativen Energien in Kontinuität während des ganzen Jahres zu nutzen.
Gewerbliche Anwendbarkeit: Der Gegenstand der Erfindung ist insbesondere zur Energiespeicherung verschiedener Arten von Energie geeignet. Liste der Bezugszeichen:
1 Behälter
2 Wärmespeicherblöcke
2a Kanäle
3 Kondensatsammelbehälter
4 Wärmetauscher
5 Dampfraum
6 Rohrleitungen
7 Magnetventil
8 Nadelventil
9 Elektroheizstäbe
10 Trennplatte
11 Deckhaube
12 Revisionsöffnung
13 Verschlussschraube
14 U-Rohr
15 Trägerprofile
16 Düsen
17 Verteiler- oder Verdampfungsrohre
17a Armierdraht
18 Wasserauffangschale
19 Kanäle oder Nuten
20 Rippen
21 Öl- oder Gasbrenner
22, 63 Rauchgaskanäle
23 Brennraum
24 Mutter
25 Dichtung
26 Rauchgasrohr
27 isolierende Mineralwolle
28 Feuerraum
29 Rauchgaskanäle
30 Wärmespeicherblöcke bzw. Deckbalken 31 Verdampfungsrohre
32 Behälter
32a U-Rohr
33 Boden
34 Rohrstücke bzw. Dampfausflussrohre
35 Dosierkammer
36 Dampfsammeikammer bzw. Dampfkammer
37 Magnetventil
38 Öffnungen oder Löcher
39 Rohrwärmetauscher
40 Nadelventil
41 Stahlgehäuse
42 Isolierschicht bzw. Mineralwolle
43 Stahlbeton
44 Ziegelsteine
46 Rauchgassammelkanal
47 Einlauf der Rauchgase
48 Verteilerkanal
49 Schornstein
50, 51 Bypass-Kanäle
52 Rauchgasabhitzekanal
53 Rauchgasgebläse
54, 55, 56, 57 Rauchgasklappe
58 Rippen
59 Wärmespeicherkessel
60 Biomasse
61 Rauchgase
62 Wärmespeicherblöcke
63 Strömungs- oder Rauchgaskanäle
64 Rauchgassammelkanal
65 Luftzuführungskanal
66, 67, 68 Luftkanäle
70 Warmluftsammeihaube 71 Verteilerleitungen
72 Gebläse
73, 74, 75, 76 Austrittsöffnungen
73a Rauchgasklappe
77 Schornstein
78 Rauchgasgebläse
78a Rauchgasklappe
79 Rauchgasabhitzekanal
79a Rippen
80 Mini-Schornsteine
81 elektrische Heizstäbe oder Heizrohre
82 Rohrstück bzw. Kondensatdosierrohr
83 Flanschverbindungen
84 Dampfsammelrohr
85 Dampfsammelbehälter
86 Absperrventile
87 Dampfleitung
88 Wasserdampfturbine
89 Kondensator
90 Kondensatsammelbehälter
91 Kreiselpumpe
92 Speisebehälter
93 Speisewasserpumpe
94 Rohrleitung
95 Verdampfer
96 Turbine
97 Stromgenerator
98 Ejektor
99 Absorber
100 Kühlturm
101 Kolbenpumpe

Claims

Patentansprüche:
1. Allzweckwärmespeicher zur Speicherung verschiedener Arten von Energie, wie erneuerbare Energie, Wind- oder Sonnenenergie, Nachtstrom sowie Stromenergie im Allgemeinen als auch Energie aus festen, gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffen, von Energie aus Biomasse sowie von Abfallwärme aus der Industrie, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherung in Wärmespeicherblöcken (2, 30) erfolgt, in denen durch die Energiespeicherung erhitzbare Verdampferrohre (17, 31, 62) eingebettet sind, in welche ein flüssiges Kondensat in einer vorgegebenen Menge einzutropfen imstande ist, wodurch sich in den Verdampferrohren (17, 31 , 62) Dampf bildet, dessen Wärmeinhalt für Heizzwecke oder Sekundärenergieerzeugung nutzbar ist.
2. Wärmespeicher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeicherblöcke (2, 30) quaderförmig sind und die Verdampferrohre (17, 31 , 62) aus Stahl oder aus einem anderen Werkstoff bestehen sowie das flüssige Kondensat Wasser ist, so dass beim Verdampfen Wasserdampf entsteht und das Kondensat in einem Kreislauf geführt ist.
3. Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Verdampferrohren (17, 31 , 62) Rippen (20) aus Stahlblech oder einem anderen Werkstoff angeschweißt sind zur Unterstützung der Wärmeleitung von der Wärmespeichermasse zu den Verdampferrohren (17, 31 , 62).
4. Wärmespeicher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Verdampferrohre (17, 31 , 62) düsenförmige Regelelemente (6,7,8,16) vorgesehen sind, welche das Kondensat gleichmäßig auf die Verdampferrohre (17, 31 , 62) verteilen.
5. Wärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Verdampferrohren (17, 31 , 62) entstandene Dampf innerhalb eines Dampfraumes (5) an einem Wärmetauscher (4) kondensiert und die abgegebene Wärme einer Heizungsanlage übergeben werden kann, wobei der Wärmetauscher (4) in einem Kondensatsammelbehälter (3) angeordnet ist, aus der das Kondensat in einem Kreislauf wieder in die Verdampferrohre (17, 31, 62) rückführbar ist.
6. Wärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfraum (5) mittels eines mit Flüssigkeit gefüllten U-Rohres (14) mit der Atmosphäre verbunden ist.
7. Wärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Wärmespeicherblöcke (2, 30) zur Energiespeicherung ein Brennraum (23) für den Aufsatz eines Gas- oder ölbrenners (21) angeordnet ist, wobei die quaderförmigen Wärmespeicherblöcke (2) in einem bestimmtem Abstand (s) voneinander angeordnet sind zur Bildung von Rauchgaskanälen (22, 63), durch die die Rauchgase strömen und ihre Wärme an die Wärmespeichermasse abgeben.
8. Wärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichermasse der Wärmespeicher- blocke (2, 30) als feuerfeste Masse aus Schamottmehl und/oder gemahlenen Ziegelsteinen und/oder zermahlenen Porzellan und/oder Beton und/oder Tonerde besteht, wobei innerhalb der Wärmespeicherblöcke (2, 30) jeweils wenigstens ein Verdampferrohr (17, 31 , 62) eingebettet ist, welches an seinem unteren Ende verschlossen und an seinem oberen Ende zum Einführen des Kondensats offen ist.
9. Wärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichermasse aus Lavagestein und/oder Stahlkugeln besteht, wobei das Kondensat auf das Lavagestein oder die Stahlkugeln gleichmäßig verteilbar ist.
10. Wärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Verdampfungsrohre (17, 31 , 62) ein zweiteiliger, aus einem oberen ersten und einem unteren zweiten Teil (35, 36) bestehender Behälter (32) aufgesetzt ist, in welchem sich im oberen Teil (36) die Dampfbrüden bzw. das Dampfkondensat sammeln, die anschließend mittels des Wärmetauschers kondensiert werden und mittels einer Absperreinrichtung (37, 40) in den unteren Teil (35) des Behälters (32) geleitet werden.
11. Wärmespeicher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Verdampfungsrohre (17, 31 , 62) und in Koinzidenz mit demselben Rohrstücke (34) angeordnet sind, welche mit den Verdampfungsrohren (17, 31 , 62) in Verbindung stehen und nach oben durch den Boden des Behälters (32) durch den unteren und oberen Teil (35, 36) desselben hindurch geführt sind, wobei die Rohrstücke (34) im Bereich des unteren Teils (35) im Inneren desselben Öffnungen (38) aufweisen, durch welche das Kondensat in die Verdampfungsrohre (17, 31, 62) fließt und innerhalb derselben verdampft.
12. Wärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsrohre (17, 31 , 62) mit Stahldraht (17a) armiert sind zur Erzielung eines guten Wärmekontaktes zwischen den Verdampfungsrohren (17, 31 , 62) und der Wärmespeichermasse.
13. Wärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Wärmespeichermasse gespeicherte Energie zur Lufterwärmung genutzt werden kann, wobei die Warmluft nach Erwärmung sich unter einer Warmluftsammeihaube (70) ansammelt und von da aus zu einem Heizobjekt verteilbar ist.
14. Wärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Rauchgase und Warmluft mittels der Wärmespeichermasse luftdicht voneinander getrennt sind zur Vermeidung der Vermischung der beiden Gase.
15. Wärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmluftströmung durch den Wärmespeicher durch Schwerkraft oder durch eine Fördereinrichtung erfolgt.
16. Wärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsvorgang im Wärmespeicher mittels des natürlichen Zuges, Schornstein (77), oder mittels eines Rauchgasgebläses (78) erfolgt.
17. Wärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Speicherung der Energie aus festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen die Restenergie der Rauchgase nach dem Verlassen des Wärmespeichers in einen Rauchgasabhitzekanal (79) geleitet und zusätzlich abgekühlt wird zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Wärmespeichers.
18. Wärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbrennung von festen, gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffe innerhalb der Wärmespeicheranlage derselben ein Feuerungsraum (28) vorgeschaltet ist, welcher gegebenenfalls auch zur Speicherung der Wärmeenergie dient.
19. Wärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speicherung von Wind- und/oder Sonnenenergie die Wärmespeicherblöcke (2, 30) Kanäle (19) aufweisen, in die je ein elektrischer Heizstab (9) eingebettet ist zur Aufheizung der Wärmespeicherblöcke (2, 30) auf eine Temperatur von vorzugsweise zwischen 9000C bis 1.2000C.
20. Wärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherte Wärme zur Erzeugung von Hochdruckdampf nutzbar ist, welcher anschließend zur Stromerzeugung verwendet wird.
21. Wärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reihe der Wärmespeicherblöcke (2, 30) mittels eines Kondensatdosierrohres (82) sowie mittels eines Dampfsammeirohres (84) miteinander fest verbunden sind und dabei eine feste Einheit bilden.
22. Wärmespeicher nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Reihen der Wärmespeicheranlage, bestehend aus Wärmespeicherblöcken (2, 30) mit Kondensatdosierrohr (82) und Dampfsammeirohr (84), an einen Dampfsammelbehälter (85) angeschlossen sind, wobei die Entnahme des Wasserdampfes für den Betrieb einer Wasserdampfturbine (88) aus dem Dampfsammelbehälter (85) erfolgt.
23. Wärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben einer Stromerzeugungsanlage mittels des Wasserdampfes ein Zweistoffkreislauf vorhanden ist, welcher den elektrischen Strom bei niedriger Temperatur und geringen Druck (9000C, 20 bar) des Arbeitsmediums zu erzeugen imstande ist.
24. Wärmespeicher nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium eine Mischung von Ammoniak (NH3) und Wasser (H2O) dient, wobei zur Erhöhung der Effizienz des Wärmespeichers die Wärmespeichermasse bis auf ca. 15O0C abgekühlt werden kann.
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