Energiespeicher zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie nach Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers nach

Patentanspruch 5. Aufgrund des wachsenden Einspeisevolumens fluktuierender erneuerbarer Energien erfüllen thermische Kraftwerke zunehmend Regelaufgaben, um die Fluktuation auszugleichen. Damit gewinnt die Flexibilität von thermischen Kraftwerken stark an Bedeutung. Zusätzlich sinken durch den unregelmäßigen Betrieb aufgrund der notwendigen An- und Abschaltvorgänge der Wirkungsgrad sowie die Lebensdauer der Kraftwerke. Dies wirkt sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit der Anlagen aus.

Durch die immer größer werdenden Schwankungen zwischen

Stromangebot und Stromnachfrage entsteht ein Bedarf zur Stromspeicherung im Maßstab von mehreren Megawattstunden .

Das Abfedern von Nachfragespitzen im Stromnetz wird beispielsweise durch den Einsatz von Pumpspeicherkraftwerken kompensiert. Diese erfordern jedoch große Baumaßnahmen und sind nicht an allen geografischen Orten sinnvoll einzurichten. Eine weitere Möglichkeit, Energie in größerem Maßstab zwischen zu speichern, besteht in der Einrichtung von

Druckluftspeicherkraftwerken, die jedoch eine sehr geringe Energiedichte aufweisen. Ferner sind diese von regionalen Gegebenheiten abhängig.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Energiespeicher zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie in großtechnischem Maßstab bereitzustellen, der von den Investi- tionskosten gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft und vom geografischen Standort unabhängig ist. Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Energiespeicher zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie nach Anspruch 1, sowie in einem Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers nach Anspruch 5.

Der erfindungsgemäße Energiespeicher nach Anspruch 1 umfasst einen Druckwasserspeicher und eine Niedertemperatur-Kreispro- zess-Vorrichtung, beispielsweise eine Organic Rankine Cycle (ORC) -Vorrichtung sowie einen Generator. Der Energiespeicher zeichnet sich dadurch aus, dass die Speisung des Druckwasserspeichers durch einen Dampferzeuger eines thermischen Kraftwerkes erfolgt .

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass einem thermi- sehen Kraftwerk, beispielsweise ein Gas- und Dampf-Kombikraftwerk, während des Betriebes Wasserdampf entzogen wird, der in einem separaten Druckwasserspeicher zwischengespeichert wird. Das Entziehen von Wasserdampf aus dem Kreislauf des thermischen Kraftwerkes kann grundsätzlich an verschiede- nen Stellen des Dampfkreislaufes des Kraftwerkes erfolgen. In der Regel wird dadurch die Leistung des Kraftwerkes reduziert, weshalb dies insbesondere dann erfolgen kann, wenn aus dem Stromnetz weniger Leistung nachgefragt wird. Bei höherer Nachfrage aus dem Stromnetz kann über die Niedrigdruckkreis- prozessvorrichtung und den angeschlossenen Generator, gespeist durch den Druckwasserspeicher, zusätzliche Strom erzeugt und dieser ins Netz eingespeist werden.

Dabei kann es zweckmäßig sein, den Druckwasserspeicher durch Sattwasser beziehungsweise Sattdampf, der aus dem Dampferzeuger gewonnen wird, zu speisen.

Im Weiteren sollen folgende hier verwendete Begriffe näher erläutert werden.

Dampferzeuger :

Ein Dampferzeuger ist ein Dampfkessel bzw. eine Anlage zur Erzeugung von Wasserdampf. In einer solchen Anlage wird Wasser erhitzt und in Dampf umgewandelt. Der Dampf wird dann für den Antrieb des thermischen Kraftwerkes verwendet. Bei einem Dampferzeuger sind Druck, Temperatur und Menge des produzierten Dampfes so ausgelegt, dass sie auf einen Dampf- Verbraucher, z. B. eine Kraftwerksturbine, abgestimmt sind.

Wesentliche Komponenten eines Dampferzeugers sind:

Der Speisewasservorwärmer (Economizer) , in denen Wasser und Verbrennungsluft vorgewärmt werden.

- Der Verdampfer zur Erzeugung des Dampfes.

Der Überhitzer, in dem der Dampf auf die für den

Verbraucher benötigte Temperatur erhitzt wird.

Der Dampferzeuger kann auch einen Zwischenüberhitzer enthalten, der Wasser bzw. Nassdampf, das eine Hochdruck- turbine durchlaufen hat, wieder in den überhitzten

Zustand (Heißdampf) bringt, bevor er einer Mitteldruckturbine zugeführt wird.

Ein Dampferzeuger kann aus mehreren dieser Komponenten aufgebaut sein und dadurch Dampf auf verschiedenen Druck- und Temperaturstufen erzeugen.

Weiterhin gehören Armaturen wie Ventile, Pumpen zu einem Dampferzeuger

Sattdampf und Sattwasser:

Unter Sattdampf versteht man den Grenzbereich zwischen Nassund Heißdampf. Hierbei ist Nassdampf übersättigtes gasförmiges Wasser, in dem kondensierte Wassertröpfchen enthalten sind. Heißdampf oder überhitzter Dampf ist Dampf mit einer Temperatur oberhalb der Siedetemperatur. Der Dampf ist „trocken" und enthält keine Tröpfchen. In Dampfkesseln wird der erzeugte Dampf mittels des Überhitzers in diesen Zustand gebracht .

Sattwasser ist Wasser, das mit Sattdampf im thermodynamisehen Gleichgewicht steht, d.h. Wasser bei Siedetemperatur. Niedertemperatur-Kreisprozess :

Hierunter wird insbesondere der Organic Rankine Cycle oder der Kalina-Cycle verstanden. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren des Betriebes von Dampfturbinen mit einem anderen Arbeitsmittel als Wasserdampf. Als Arbeitsmittel werden in der Regel organische Flüssigkeiten oder Ammoniak verwendet, die eine niedrigere Siedetemperatur als Wasser aufweisen.

Thermisches Kraftwerk:

Unter thermisches Kraftwerk wird insbesondere ein fossiles

Kraftwerk, wie ein Gas- und Dampf-Kombikraftwerk (GuD) sowie ein Biomassekraftwerk, ein Müllheizkraftwerk, ein Kernkraftwerk oder ein Solarkraftwerk verstanden. Insbesondere ist die Erfindung dort einzusetzen, wo durch Erzeugung von Wasser- dampf eine Turbine angetrieben und in der Regel über einen Generator elektrische Energie gewonnen wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung besteht darin, dass zwischen Druckwasserspeicher und Ver- dampfer der Niedertemperatur-Kreisprozess-Vorrichtung eine

Drossel vorgesehen ist, durch die eine Absenkung eines Drucks im Wasserspeicher auf ein für den Betrieb der Niedertempera- tur-Kreisprozess-Vorrichtung konstantes Druckniveau erfolgt. Auf diese Weise kann der Niedertemperatur-Kreisprozess, also bevorzugt die ORC- oder Kalina-Kreisprozess-Anlage auf der für sie optimalen Temperatur und Druckniveau betrieben werden, bis die Kapazität des Speichers erschöpft ist, beziehungsweise dessen Temperaturniveau das Temperaturniveau für den Niedrigtemperaturkreisprozess erreicht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Phasenwechselmaterial in den Druckwasserspeicher eingebracht. Dies ermöglicht durch einen Schmelz-/Erstarrungsvorgang die Speicherung einer größeren Wärmemenge bei nahezu konstanter Temperatur. Dadurch wird die Speicherdichte des Druckwasserspeichers erhöht und der Speicher kann bei konstanter

Temperatur mehr Wärme abgeben. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung besteht in einem Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers nach Anspruch 5. Hierbei wird über einen Druckwasser- Speicher eine Niedertemperatur-Kreisprozess-Vorrichtung betrieben, die wiederum einen Generator antreibt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Druckwasserspeicher durch einen Dampferzeuger eines thermischen Kraftwerkes gespeist wird. Für das Verfahren ergeben sich die analogen Vorteile, die bereits bezüglich des analogen Vorrichtungsanspruchs des Energiespeichers aufgezählt sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform des Verfahrens wird während des Betriebs des thermischen Kraftwerks der Druckwas- serspeicher gefüllt und bei einem Stand-by-Betrieb des thermischen Kraftwerkes dieses mit elektrischer Energie versorgt. Diese elektrische Energie wird durch den Generator bereitgestellt, der durch den Betrieb des Niedertemperatur-Kreisprozesses angetrieben wird. Auf diese Weise kann das Kraft- werk, insbesondere ein Reservekraftwerk, in einen Stand-by- Betrieb seinen Eigenverbrauch an Energie selbst erzeugen und ist nicht vom Netz abhängig. Insbesondere bei einem Stromausfall beziehungsweise eines sogenannten Black-Outs ist dies vorteilhaft, da das Kraftwerk aus eigener Kraft wieder hochgefahren werden und ans Netz gehen kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen sowie weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Merkmale mit denselben Bezeichnungen, jedoch in unterschiedlichen Ausgestaltungsformen, werden dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.

Dabei zeigen: Figur 1 eine schematische Schaubilddarstellung eines

thermischen Kraftwerkes mit einem zusätzlich angeordneten Druckwasserspeicher sowie einer ORC- Anlage ; Figur 2 ein Kraftwerk mit Energiespeicher wie in Figur 1 jedoch mit einer alternativen Einspeisung von Dampf in den Druckwasserspeicher.

In Figur 1 ist schematisch eine Darstellung eines thermischen Kraftwerkes, hier insbesondere am Beispiel eines GuD-Kraft- werkes dargestellt. Das thermische Kraftwerk 10 umfasst als wesentliche Komponenten zum einen den Dampferzeuger 8 sowie einen Turbosatz 16. Der Dampferzeuger 8 umfasst zunächst einen Speisewasservorwärmer 24 (Economizer) in dem das Wasser zur Dampferzeugung vorgewärmt wird. Des Weiteren umfasst der Dampferzeuger 8 einen Verdampfer 25, an den eine Trommel 26 (Druckbehälter) angeordnet ist, in der Heißwasser beziehungs- weise Wasserdampf unter Druck gespeichert ist. Es folgt darauf ein Überhitzer 27, in dem der gesättigte Dampf in Heißdampf beziehungsweise Trockendampf übergeführt wird.

Der hier erzeugte Heißdampf wird über ein Rohrleitungssystem zu einer Hochdruckturbine 18 geführt, die in diesem Ausführungsbeispiel aber auf einer gemeinsamen Welle 23 mit einer Mitteldruckturbine 19 und einer Niederdruckturbine 20 angeordnet ist. Die gemeinsame Welle 23, die über die genannten Turbinen 18 bis 20 angetrieben wird, treibt wiederum einen Generator 21 an, der zur Stromerzeugung und somit zur Netzversorgung dient. In einem Kondensator 22 der Turbinen wird der Dampf kondensiert und abgekühlt. Das so kondensierte Wasser wird über verschiedene Pumpen und Niederdruck-Vorwärmvorrichtungen, auf die nicht weiter eingegangen wird, wieder dem Economizer beziehungsweise dem Speisewasservorwärmer 24 zugeführt. Ferner ist in dieser Ausgestaltungsform ein Zwischenüberhitzer 28 vorgesehen, der den Dampf nach dem Durchlauf durch die Hochdruckturbine 18 und vor dem Einströmen in die Mitteldruckturbine 19 ein weiteres Mal überhitzt.

Im Weiteren umfasst der Energiespeicher einen Druckwasserspeicher 2, der in Verbindung mit einer Niedertemperatur- Kreisprozess-Vorrichtung hier in Form einer ORC-Anlage 4 steht. Das Wasser, das in dem Druckwasserbehälter 2 gespeichert ist, stammt aus dem Dampferzeuger 8 des thermischen Kraftwerkes 10. (Auf das Einspeisen an sich wird im Weiteren noch eingegangen werden.) Der Druckwasserspeicher 2 enthält Wasser bei einem bestimmten Druck und darüber ein Dampfpol - ster bei gleichem Druck, das durch ein Drosselventil 14 auf einen Arbeitsdruck herabgedrosselt wird, der für den Betrieb der ORC-Anlage 4 notwendig ist. Durch das Drosselventil 14 kann für die ORC-Anlage 4 stets ein konstanter Druck und damit eine nahezu konstante Temperatur des Wasserdampfes bereitgestellt werden, sodass diese ebenfalls konstant und im für sie optimalen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Der Dampf, der in dem Druckwasserspeicher 2 über das Drosselventil 14 in die ORC-Anlage 4 eingespeist wird, wird dort in einen Verdampfer 12 geführt, in dem wiederum ein Arbeitsmedium der ORC-Anlage 4, das einen niedrigeren Siedepunkt als das Wasser hat, verdampft wird. Durch diesen Dampf wird eine Turbine 34 der ORC-Anlage 4 angetrieben, die wiederum einen Generator 6 der ORC-Anlage 4 zur Stromerzeugung antreibt. Das dampfförmige Arbeitsmedium wird beim Austritt aus der Turbine 34 in einen Rekuperator geführt und wieder kondensiert. Ein anschließender Kondensator 33 dient zur Abkühlung.

Die Wärmezufuhr aus dem Druckwasserspeicher 2 zum Verdampfer der ORC-Anlage 4 erfolgt demnach durch die Entnahme von Dampf aus dem Druckwasserspeicher 2. Über die Drossel 14 wird am Kopf des Druckwasserspeichers 2 Dampf entnommen. Der Druck hinter der Drossel 14 soll für die Dampfentnähme auf einem konstanten Druckniveau bleiben, auch nachdem der Druck des Druckwasserspeichers 2 durch die Dampfentnähme abfällt. Die Zufuhr von Dampf auf einem konstanten Druckniveau zum Verdampfer des ORC 4 erlaubt eine konstantere obere Betriebstemperatur des ORC 4. Dies führt zur Wirkungsgradverbesserung, vereinfacht die Systemauslegung und die Auswahl des Arbeitsmediums. Der entnommene Dampf wird im Verdampfer des ORC 4 kondensiert und gibt dadurch seine Wärme ab. Das entstandene Kondensat kann an verschiedenen Stellen in der Dampferzeugung beziehungsweise im Wasserkreislauf zurückgeführt werden.

Um den spezifischen Energieinhalt des Speichers zu maximie- ren, sollte der Unterschied zwischen oberem Druck des Druckwasserspeichers 2 und dem Druck des Dampfes, der dem ORC 4 zugeführt wird, möglichst groß sein. Allerdings führt dies zu niedrigen Betriebsdrücken und damit zu Kondensationstemperaturen des Dampfes, der dem ORC 4 zugeführt wird. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad des ORC 4. Es muss somit ein Optimum zwischen Speicherdichte und Wirkungsgrad zur Rückverstromung gefunden werden. So können beispielsweise typische GuD-Mit- teldrucktrommeln verwendet werden, die einen oberen Betriebsdruck von 30-40 bar erlauben. Zur Entladung des Speichers kann Dampf bei ca. 15 bar entnommen und dem ORC 4 zugeführt werden, was eine Kondensationstemperatur von ca. 200 °C ermöglicht. Diese Temperatur erlaubt einen ausreichenden Wirkungsgrad zur Rückverstromung. Wird bei der Einspeicherung das untere GUD-Druckniveau verwendet, kann der Wärmespeicher beispielsweise mit bis zu 8 bar gefüllt werden. Die Dampfproduktion kann dann mit ca. 2 bar und 120 °C stattfinden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Phasenwechselmaterial in den Druckwasserspeicher eingebracht. Dies ermöglicht durch einen Schmelz-/Erstarrungsvorgang die Speicherung einer größeren Wärmemenge bei nahezu konstanter Temperatur. Dadurch wird die Speicherdichte des Druckwasserspeichers erhöht und der Speicher kann bei konstanter Temperatur mehr Wärme abgeben. Bei einer Speicherung auf dem Tem- peraturniveau der Mitteldruckdampfturbine (180 °C bis 250 °C) und einer Wärmeübergabe auf die Niederdruckkreisprozessanlage bei ca. 200 °C bieten sich folgende Materialien als Phasen- wechselmaterialien an: LiOH-NaOH (20/80 % bevorzugtes

Mischungsverhältnis), KN03-NaN03 (54/46 %) LiN03. Bei einer Speicherung auf dem Temperaturniveau der Niederdruckdampf- turbine (110 °C bis 160 °C) und einer Wärmeübergabe auf die Niederdruckkreisprozessanlage bei ca. 120 °C bieten sich hingegen folgende Materialien als Phasenwechselmaterialien an: Wachs; MgC12 x 6 H20 als Beispiel für ein Salzhydrat; Erythritol als Beispiel für einen organischen Stoff; Polyethylen als Beispiel für ein Polymer; KN03/LiN03 (67/33 % Mischung) als Beispiel für eine Salzmischung.

Zur Beurteilung der Speicherkapazität unter möglicher Stromerzeugungsleistung durch eine ORC-Anlage 4 kann man von folgenden Parametern ausgehen. Bei der Installation von 30 Hochdrucktrommeln als Speicher des Druckwasserspeichers 2 steht ein Speichervolumen von ca. 700 m ³ zur Verfügung. Dieses ermöglicht eine Bereitstellung von Strom in der Größenordnung von 3 MW über einen Zeitraum von ca. 4 Stunden. Der Eigenenergiebedarf des thermischen Kraftwerkes 10 kann somit ohne Fremdbezug aus dem Stromnetz über diese Zeitspanne gedeckt werden, wenn das thermische Kraftwerk 10 sich in dieser Zeit im Stand-by-Betrieb befindet. Zusätzlich besteht die Option, den über die ORC-Anlage 4 erzeugten Strom dem Netz bei Netz- schwankungen zuzufügen beziehungsweise bei Netzausfall, also bei einem Black-Out, zum Schwarzstart und Netzwiederaufbau einzusetzen.

Das Einspeisen des Dampfes, der im Dampferzeuger 8 des thermischen Kraftwerkes 10 erzeugt wird, in den Druckwasserspeicher 2 erfolgt über eine Speiseleitung 7. Grundsätzlich kann an sehr vielen verschiedenen Stellen im Dampferzeuger 8 der erzeugte Dampf mit unterschiedlichen Drücken und unterschiedlichen Temperaturen abgeführt werden, um den Druckwasserspeicher 2 zu speisen. In dem Beispiel gemäß Figur 1 wird aus der Trommel 26, die direkt am Verdampfer 25 angeordnet ist, Sattdampf beziehungsweise Sattwasser gezogen und in den Druckwasserspeicher 2 eingespeist. Hierbei kann beispielsweise heißes unter Druck stehendes Wasser direkt aus der Trommel 26 des Dampferzeugers 8 abgeleitet werden und in dem Druckwasserspeicher 2, der ebenfalls in Form einer sogenann- ten Trommel ausgestaltet sein kann, gespeichert werden.

Alternativ kann auch Sattdampf aus der Trommel 26 des

Dampferzeugers 8 entnommen werden und dem mit kälterem Wasser gefüllten Druckwasserspeicher 2 zugeführt werden. In dieser alternativen Ausgestaltung ist der Druckwasserspeicher 2 zu Beginn des Speichervorganges mit kaltem Wasser zu etwa 30 % bis 70 % gefüllt. Wird nun heißer Dampf aus dem Dampferzeuger in die Trommel geleitet, kommt es zur Kondensation des Damp- fes und zur Aufheizung des Wassers im Druckwasserspeicher 2. Die Temperaturen und damit auch der Druck im Druckwasserspeicher 2 steigen entsprechend der Dampfdruckkurve an.

Ebenfalls steigt der Füllstand durch die Kondensation von Dampf. Der Druckwasserspeicher 2 ist gefüllt, sobald der Trommeldruck den Druck des zuströmenden Dampfes erreicht.

Dies entspricht der schematischen Darstellung gemäß Figur 1.

In Figur 2 wird an einer anderen Stelle des Dampferzeugers, nämlich im Bereich des Zwischenüberhitzers 28, Dampf entnom- men und über eine Speiseleitung 7' in den Druckwasserspeicher 2 eingebracht. Dieses Beispiel wird in Figur 2 durch die Verwendung von überhitztem Dampf dargestellt. Der überhitzte Dampf wird durch einen Wärmeübertrager im Druckwasserspeicher 2 geführt und dort abgekühlt. Dabei soll es zu keiner Konden- sation des Dampfes kommen. Die abgegebene Wärmeenergie wird dem Druckwasserspeicher 2 zugeführt und führt zu dessen

Aufheizung. Grundsätzlich kann auch hier wiederum der Dampf in alternativen Bereichen des Dampferzeugers 8 abgezogen werden .