Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Der "Hauptluftverdichter" kann dezidiert sein oder neben der hier "Hauptdruckluftstrom" genannten Luftmenge für die Verbrennungseinheit und das

Kältespeicherspeichersystem noch weitere Luftanteile für andere Verbraucher erzeugen. Diese weiteren Luftanteile können relativ geringfügig sein (zum Beispiel Instrumentenluft) oder umgekehrt auch sehr groß; dann ist der Hauptluftverdichter Teil eines größeren, integrierten Luftverdichtungssystems. Im Regelfall wird das

Luftverdichtungssystem, zu dem der Hauptluftverdichter gehört, hauptsächlich zur Versorgung der Verbrennungseinheit und des Kältespeichersystems dienen. Unter "dem Hauptdruckluftstrom, der in dem Hauptluftverdichter auf das erste

Druckluftniveau verdichtet wird", ist hier jedenfalls die Summe der Anteile der in dem Hauptluftverdichter verdichteten Luft zu verstehen, die letztendlich in die

Verbrennungseinheit oder in das Kältespeichersystem eingeleitet werden.

Der Hauptluftverdichter kann eine oder mehrere seriell verbundene Stufen aufweisen und ein- oder mehrsträngig ausgebildet sein. Hauptluftverdichter und Nachverdichter können einen gemeinsamen Antrieb aufweisen oder über getrennten Wellen angetrieben werden.

Der Begriff "Druckniveau" wird hier verwendet, um unvermeidbare und unbeabsichtigte Druckdifferenzen ignorieren zu können, wie zum Beispiel die natürlichen Druckverluste der durchströmten Apparate. Ein Druckniveau umfasst beispielsweise einen

Druckbereich von +/- 1 bar. Das in den Patentansprüchen erwähnte zweite

Druckniveau kann gleich, niedriger oder höher als das erste Druckniveau sein. In der Regel ist es mindestens 5 bar, vorzugsweise mehr als 8 bar höher als das erste Druckniveau.

Die Kälteerzeugung, -speicherung und -rückgewinnung können bei der Erfindung durch jede geeignete Methode durchgeführt werden. Innerhalb des Kältespeichersystems können Mittel zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft (Kälteerzeugung) und die Mittel

BESTÄTIGUNGSKOPIE zur Erzeugung eines Druckluftstroms auf dem zweiten Druckniveau

(Kälterückgewinnung) von separaten Apparaten gebildet werden; vorzugsweise werden jedoch wenigstens teilweise dieselben Apparate für Kälteerzeugung und -rückgewinnung eingesetzt. Die Kältespeicherung kann auf jede bekannte Weise erfolgen, beispielsweise in Form eines kalten oder tiefkalten Fluids oder in Form eines Feststoff-Kältespeichers, beispielsweise eines Regenerators. Im Rahmen der

Kälteerzeugung kann ein Speicherfluid lediglich durch den Übergang fühlbarer Wärme abgekühlt oder auch durch Verflüssigung eines Gases gebildet werden. Im Rahmen der Erfindung sind auch Kombinationen aller Möglichkeiten zur Kälteerzeugung, -speicherung und -rückgewinnung möglich.

Von dem Begriff "Kältespeichersystem" nicht umfasst sind Systeme, die einem anderen Hauptzweck dienen und nebenbei als Kältespeicher wirken, beispielsweise Luftzerlegungsanlagen, die variabel in Abhängigkeit vom Strompreis betrieben werden und dabei Flüssigprodukte puffern.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung sind aus US 2003101728 A1 bekannt. Hier wird der Hauptluftverdichter nur im

Normalbetrieb und im Ladebetrieb betrieben; dabei ist der Austrittsdruck des

Hauptluftverdichters (das "erste Druckniveau") gleich dem Betriebsdruck der

Verbrennungseinheit (dem "zweiten Druckniveau"). Vor Beginn des Entladebetriebs wird der Hauptluftverdichter vom Antrieb abgekoppelt und damit stillgelegt; dies erfordert hohen apparativen und betriebstechnischen Aufwand. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den apparativen Aufwand für das kombinierte System zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei läuft der Hauptluftverdichter auch in der zweiten Betriebsweise, dem Entladebetrieb. Die aufwändige Maschine kann damit in allen Betriebsphasen des kombinierten Systems genutzt werden; andere Systeme zur Verdichtung von

Verbrennungsluft können kleiner und kostengünstiger ausgestaltet oder im besten Fall ganz weggelassen werden. Bei der Erfindung wird die Wärme, die im Entladebetrieb zum Entladen des

Kältespeichers benötigt wird, mindestens teilweise durch im Hauptluftverdichter erzeugte Luft eingebracht. Bei der Erfindung sind das erste und das zweite Druckniveau unterschiedlich. Das "erste Druckniveau" liegt zwischen 4 und 10 bar, vorzugsweise zwischen 4 und 8 bar und das "zweite Druckniveau" oberhalb von 10 bar, vorzugsweise zwischen 12 und 70 bar. Diese Druckdifferenz wird insbesondere durch einen ersten Nachverdichter zur Nachverdichtung von im Hauptluftverdichter verdichteter Druckluft auf das zweite Druckniveau erzeugt. Der erste Nachverdichter ist Teil des "Luftverdichtungssystems". Im Normalbetrieb wird die gesamte Luft aus dem Hauptluftverdichter in den ersten Nachverdichter eingeleitet.

Zusätzlich wird bei der Erfindung die Energiespeicherkapazität des Systems durch den Einsatz mindestens eines Kaltverdichters erhöht, während bei dem bekannten System zwar auch ein Kaltverdichter eingesetzt wird, dieser aber nur im Ladebetrieb eingesetzt wird. Dieser Kaltverdichter dient dazu, in der zweiten Betriebsweise mindestens ein Teil des ersten Druckluftstroms in dem Kältespeichersystem auf das zweite

Druckniveau (und in manchen Ausführungsformen über das zweite Druckniveau hinaus auf ein höheres Druckniveau) gebracht werden. Hierzu werden nicht ausschließlich übliche warme Gasverdichter verwendet, deren Kompressionswärme in einem

Nachkühler entfernt wird. Im Rahmen der Erfindung wird dazu ein Kaltverdichters eingesetzt. Unter einem "Kaltverdichter" wird hier ein Gasverdichter verstanden, dessen Eintrittstemperatur unterhalb von 240 K liegt. Selbstverständlich kann das Kältespeichersystem der Erfindung auch zwei oder mehr Kaltverdichter aufweisen.

In der zweiten Betriebsweise (dem Entladebetrieb) kann der erste Druckluftstrom nur durch einen ersten Teil des im Hauptluftverdichter erzeugten Hauptdruckluftstroms gebildet werden. Der Rest - oder ein Teil davon - kann direkt (das heißt an dem

Kältespeichersystem vorbei) in die Verbrennungseinheit geleitet werden.

Beispielsweise reicht es im Rahmen der Erfindung aus, in dem Kraftwerk eine

Verbrennungsturbine einzusetzen, die nicht mit einem Luftverdichter gekoppelt ist. Unter einer "Verbrennungsturbine" wird hier ein System verstanden, in dem ähnlich wie in einem klassischen Gasturbinensystem Verbrennungsabgas in einer Turbine

(Expander) arbeitsleistend entspannt wird, um in einem mit der Turbine gekoppelten Generator elektrische Energie zu erzeugen. Im Gegensatz zu einem klassischen Gasturbinensystem aus Gasturbinen-Brennkammer, Gasturbinen-Expander und Gasturbinen-Verdichter zur Verdichtung der Verbrennungsluft ist eine

"Verbrennungsturbine" jedoch nicht mechanisch an einen Verdichter gekoppelt, sondern überträgt die gewonnene mechanische Energie vollständig oder praktisch vollständig an einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie. Die in der

Verbrennungsturbine durch arbeitsleistende Entspannung des Verbrennungsgases erzeugte mechanische Energie wird also im Rahmen des Wirkungsgrads der Maschine vollständig oder im Wesentlichen vollständig in elektrische Energie umgewandelt.

In dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung übernimmt der

Hauptluftverdichter für das Kältespeichersystem auch vollständig die Funktion der Verdichtung der Verbrennungsluft für das Kraftwerk.

Vorzugsweise wird in dem Kältespeichersystem, genauer in den Mitteln zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft, zumindest in der ersten Betriebsweise (Ladebetrieb) Kälte durch arbeitsleistende Entspannung von Luft gewonnen. Dazu wird mindestens ein Teil (der "erste Teilstrom") des ersten Druckluftstroms in eine Luftturbine eingeleitet. Diese treibt einen "zweiten Nachverdichter" für mindestens einen Teil (den "zweiten

Teilstrom") des ersten Druckluftstroms an. Vorzugsweise umfasst der zweite Teilstrom den ersten Teilstrom, das heißt der Nachverdichter erhöht den Eintrittsdruck der Luftturbine und damit die dort erzeugte Kälteleistung, ohne dass zusätzliche Energie von außen eingebracht werden muss. Es können ein oder mehrere weitere

Nachverdichter vorgesehen sein, die mit dem zweiten Nachverdichter parallel oder seriell verbunden sind und ebenfalls durch arbeitsleistende Entspannung von Luft in einer Luftturbine oder durch von außen eingebrachte Energie (beispielsweise einen Elektromotor) angetrieben werden. Beispielsweise kann das Kältespeichersystem zwei Turbinen-Nachverdichter-Kombinationen und zusätzlich einen extern angetriebenen Nachverdichter aufweisen; letzterer kann auch als Kreislaufverdichter ausgebildet sein. In vielen Fällen ist es bei der Erfindung möglich, in der ersten Betriebsweise ohne einen weiteren extern angetriebenen Verdichter auszukommen; die gesamte externe Energie, die in das Kältespeichersystem fließt, stammt dann aus dem Hauptluftverdichter. Ein Beispiel hierfür ist ein Kältespeichersystem, bei dem in der ersten Betriebsweise nur ein einziger Nachverdichter für Luft läuft, der von einer Luftturbine angetrieben wird. Das Kältespeichersystem der Erfindung kann insbesondere als Flüssigluft- Speichersystem gemäß Patentanspruch 5 ausgebildet sein. Hier bei wird die gespeicherte Flüssigluft in der zweiten Betriebsweise auf einen hohen Druck gebracht, der mindestens auf dem zweiten Druckniveau liegt, und unter diesem hohen Druck verdampft oder pseudo-verdampft. Derartige Kältespeichersysteme sind an sich in den älteren europäischen Patentanmeldungen EP 2604824 A1 , EP 2662552 A1 ,

12004833.5 und den dazu korrespondierenden Patentanmeldungen beschrieben.

Bei dem Flüssigluft-Speichersystem sind die "Mittel zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft" als Luftverflüssiger ausgebildet, die "Mittel zur Erzeugung eines

Druckluftstroms auf dem zweiten Druckniveau" als Luftverdampfer.

Die Flüssigluft kann bei der Erfindung drucklos (also unter Umgebungsdruck) gespeichert werden. Alternativ wird sie bei eine erhöhten Druck gespeichert, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 25 bar, beispielsweise bei 4, 6, 8 oder 16 bar.

Im Rahmen der Erfindung kann der Luftverdampfer eine Luftturbine aufweisen, in der in der zweiten Betriebsweise mindestens ein Teil der (pseudo-)verdampften Luft von einem vierten Druckniveau auf das zweite Druckniveau arbeitsleistend entspannt wird, wobei die Luftturbine insbesondere an einen elektrischen Generator oder an eine kalte Maschine zur Erhöhung des Drucks eines Luftstroms in der zweiten Betriebsweise mechanisch gekoppelt ist. Es können bei der Erfindung auch zwei oder mehr

Luftturbinen eingesetzt werden.

Dazu wird die Flüssigluft vor ihrer (Pseudo-)Verdampfung auf ein viertes Druckniveau gebracht, das auf mehr als 42 bar, vorzugsweise auf mehr als 63 bar liegt. Eine obere Grenze für das vierte Druckniveau wird durch die Betriebsparameter der Luftturbine gebildet. Die Luftturbine kann auch als heiße Turbine ausgebildet sein, deren

Eintrittstemperatur über der Umgebungstemperatur liegt (hot gas expander). Es können auch mehrere derartige Luftturbinen im Luftverdampfer vorgesehen sein, beispielsweise für jede kalte Maschine einer. Unter "kalter Maschine" wird hier eine Maschine zur Druckerhöhung eines Luftstroms verstanden, deren Eintrittstemperatur deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, insbesondere unterhalb von 240 K. Dabei kann es sich um einen Kaltverdichter für gasförmige Luft oder um eine Pumpe für Flüssigluft handeln.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird in dem Kältespeichersystem in der ersten Betriebsweise ein flüssiges Speicherfluid abgekühlt und in einen kalten Tank eingeleitet wird und in der zweiten Betriebsweise flüssiges Speicherfluid aus dem kalten Tank entnommen und angewärmt. Dabei ist es sinnvoll, das angewärmte flüssige Speicherfluid in einem zweiten, warmen Tank zu speichern. Auf das beziehungsweise von dem Speicherfluid wird dabei lediglich fühlbare Wärme übertragen, das heißt es erfährt weder beim Abkühlen noch beim Anwärmen einen Phasenübergang.

Das Abkühlen und Anwärmen des Speicherfluids wird dabei zwischen zwei

Temperaturniveaus durchgeführt. Das erste, niedrigere Temperaturniveau T1 kann dabei im Bereich von 78 bis 120 K, vorzugsweise 78 bis 100 K liegen, das zweite, höhere Temperaturniveau T2 im Bereich von 130 bis 200 K, vorzugsweise

130 bis180 K.

In einer speziellen Ausführungsform dieser Variante der Erfindung wird ein

Kältespeichersystem, in dem zwei Speicherfluide eingesetzt werden, wie es zum Beispiel in WO 2014026738 A1 und den dazu korrespondierenden Patentanmeldungen beschrieben ist.

Eine weitere, bevorzugte Alternative nutzt einen Regenerator als

Kältespeichereinrichtung (Patentanspruch 8). Auch hier wird in der ersten

Betriebsweise (A) der "erste Druckluftstrom" nicht verflüssigt, sondern lediglich abgekühlt. Diese Kälte wird nicht als tiefkalte Flüssigluft, sondern in einem Feststoff, der Speichermasse des Regenerators gespeichert. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 1 . Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch Vorrichtungsmerkmale ergänzt werden, die den Merkmalen der abhängigen Verfahrensansprüche entsprechen.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 das Grundprinzip der Erfindung mit mindestens drei - hier fünf -

Betriebsweisen,

Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das

Kältespeichersystem als Luftverflüssigungs- und

-Verdampfungssystem ausgebildet ist,

Figuren 3 bis 5 drei alternative Ausführungsformen eines Luftverdampfers zum

Einsatz in einem System nach Figur 2,

Figuren 6 bis 12 weitere Ausführungsbeispiele mit abweichenden

Kältespeichersystemen,

Figuren 13 bis 17 drei alternative Ausführungsformen eines Kraftwerks zum Einsatz in jedem der vorangegangenen Ausführungsbeispiele und Figur 18 eine alternative Ausführungsform eines Luftverdampfers.

In den verschiedenen Zeichnungen tragen einander entsprechende Bauteile und Verfahrensschritte dieselben Bezugszeichen. Die jeweils nicht in Betrieb befindlichen Teile des Systems sind durchgestrichen. Zwar wird in allen Ausführungsbeispielen kein weiterer größerer Luftverbraucher von der Luftverdichtungseinheit versorgt (was ohne Weiteres möglich wäre), allerdings liefert die Luftverdichtungseinheit kleinere

Luftmengen zu anderen Zwecken (beispielsweise Instrumentenluft). In den

Zeichnungen ist aber nur der "Hauptdruckluftstrom" dargestellt, der das Kraftwerk und/oder das Kältespeichersystem versorgt. Das "erste Druckniveau" liegt bei den Ausführungsbeispielen bei ca. 5 bar, das "zweite Druckniveau" bei ca. 17 bar.

Das in der Figur 1 grob schematisch dargestellte kombinierte System gemäß der Erfindung weist ein Luftverdichtungssystem 100, ein Kältespeichersystem 200 und ein Kraftwerk 300 auf. Das Luftverdichtungssystem 100 umfasst einen Hauptluftverdichter 2 und einen ersten Nachverdichter 10, das Kältespeichersystem 200 Mittel 201 zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft, Mittel 202 zum Speichern von dabei erzeugter Kälte und Mittel 203 zur Erzeugung eines Druckluftstroms auf einem zweiten, höheren Druckniveau. Das Kraftwerk 300 weist eine Verbrennungseinheit und eine

Verbrennungsturbine auf, die mit einem elektrischen Generator verbunden ist (in Figur 1 nicht im Einzelnen dargestellt).

In Figur 1 sind drei Betriebsweisen dargestellt:

A: eine "erste Betriebsweise" (reiner Ladebetrieb),

B: eine "zweite Betriebsweise" (reiner Entladebetrieb) und

C: eine "dritte Betriebsweise" (Normalbetrieb - reine Energieerzeugung)

A': eine modifizierte "erste Betriebsweise" (Ladebetrieb kombiniert mit

Energieerzeugung)

B': eine modifizierte "zweite Betriebsweise" (Entladebetrieb kombiniert mit

Verbrennungsluft direkt aus dem Hauptluftverdichter)

In der ersten Betriebsweise A sind der erste Nachverdichter 10, das Kraftwerk 300 und die Mittel 203 zur Erzeugung eines Druckluftstroms außer Betrieb. Es wird

ausschließlich der Kältespeicher 202 aufgeladen. Atmosphärische Luft 99 wird in dem Hauptluftverdichter 2 auf das erste Druckniveau verdichtet. Der "Hauptdruckluftstrom" 101 , wird vollständig als "erster Druckluftstrom" in die Mittel 201 zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft eingeleitet, wobei dort erzeugte Kälte in dem Kältespeichermittel 202 gespeichert wird. In der zweiten Betriebsweise B sind der erste Nachverdichter 10, und die Mittel 201 zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft außer Betrieb. Es wird ausschließlich der

Kältespeicher 202 entladen. Atmosphärische Luft 99 wird in dem Hauptluftverdichter 2 auf das erste Druckniveau verdichtet. Der "Hauptdruckluftstrom" 101 , wird vollständig als "erster Druckluftstrom" in die Mittel 203 zur Erzeugung zur Erzeugung eines Druckluftstroms mit Hilfe der in dem Kältespeicher 202 gespeicherten Kälte eingeleitet. Der dabei erzeugte "dritte Druckluftstrom" 204 befindet sich auf dem zweiten

Druckniveau und wird als Verbrennungsluft in das Kraftwerk (300) eingeleitet. Das arbeitsleistend entspannte Verbrennungsgas 301 wird in die Atmosphäre (amb) abgeblasen, nach entsprechender Reinigung, falls erforderlich, beziehungsweise nach Abtrennung von Kohlendioxid. In der dritten Betriebsweise C ist das Kältespeichersystem 200 komplett außer Betrieb. (Natürlich bleibt die im Kältespeicher 202 gespeicherte Kälte bis auf natürliche Verluste erhalten; der Kältespeicher wird allerdings weder aufgeladen noch gezielt entladen.) Es wird nur das Kraftwerk betrieben, der Hauptluftverdichter 2, läuft jedoch weiter. Der gesamte Hauptdruckluftstrom 101 wird als "zweiter Druckluftstrom" 103 in dem ersten Nachverdichter 10 auf das zweite Druckniveau nachverdichtet und in dem Kraftwerk 300 als Verbrennungsluft 104 eingesetzt. Der Luftstrom 104 stellt in dieser

Betriebsweise vorzugsweise die einzige Quelle für Verbrennungsluft des Kraftwerks 300 dar.

In der modifizierten ersten Betriebsweise A' sind lediglich die Mittel 203 zur Erzeugung eines Druckluftstroms außer Betrieb. Der Hauptdruckluftstrom 101 wird zwischen dem Kältespeichersystem 200 (erster Druckluftstrom 102) und dem Kraftwerk (zweiter Druckluftstrom 103) aufgeteilt. Damit wird gleichzeitig der Kältespeicher 202

aufgeladen und im Kraftwerk 300 elektrische Energie erzeugt. Grundsätzlich kann jeder beliebige Anteil des Hauptdruckluftstroms 101 als erster Druckluftstrom 102 in das Kältespeichersystem 200 eingeleitet werden. Für längere Zeit werden

vorzugsweise 50 bis 100 % in das Kältespeichersystem eingeleitet. Werte außerhalb dieses Zahlenbereichs werden in der Regel nur kurzzeitig beim Übergang zum

Normalbetrieb C oder zum reinen Ladebetrieb A erreicht.

In der modifizierten zweiten Betriebsweise B' sind lediglich die Mittel 201 zur

Erzeugung von Kälte aus Druckluft außer Betrieb. Der Hauptdruckluftstrom 101 wird ebenfalls zwischen dem Kältespeichersystem 200 (erster Druckluftstrom 102 - hier nach 203) und dem Kraftwerk (zweiter Druckluftstrom 103) aufgeteilt. Damit wird gleichzeitig der Kältespeicher 202 entladen und das Kraftwerk 300 mit zusätzlicher Verbrennungsluft 104 beaufschlagt, die (bis auf die Nachverdichtung 10) direkt auf dem Hauptluftverdichter 2 kommt. Grundsätzlich kann jeder beliebige Anteil des Hauptdruckluftstroms 101 als erster Druckluftstrom 102 in das Kältespeichersystem 200 eingeleitet werden. Für längere Zeit werden vorzugsweise 50 bis 100 % in das Kältespeichersystem eingeleitet. Werte außerhalb dieses Zahlenbereichs werden in der Regel nur kurzzeitig beim Übergang zum Normalbetrieb C oder zum reinen

Entladebetrieb B erreicht. Die Mittel 201 zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft und die Mittel 203 zur Erzeugung eines Druckluftstroms können, wie in Figur 1 dargestellt, durch getrennte

Apparategruppen gebildet werden. Vorzugsweise sind jedoch ein, mehrere oder alle Apparateteile der Mittel 201 zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft gleichzeitig

Bestandteil der Mittel 203 zur Erzeugung eines Druckluftstroms; diese Apparateteile werden dann sowohl in der ersten wie in der zweiten Betriebsweise genutzt. Damit verringert sich der apparative Aufwand weiter.

Die Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das

Kältespeichersystem 200 als Luftverflüssigungs- und -Verdampfungssystem

ausgebildet ist. Es sind die Betriebsfälle A bis C aus Figur 1 dargestellt; die

Betriebsfälle A' und B' sind hier natürlich ebenfalls möglich. Auch Figur 2 ist noch schematisch; es sind aber wesentlich mehr Einzelheiten dargestellt, die in Figur 1 weggelassen wurden oder nur pauschal gezeigt sind. In Figur 2 sind für alle drei dargestellten Betriebsfälle alle vorhandenen Leitungen eingezeichnet; es werden aber jeweils nur die fett dargestellten durchflössen, die übrigen sind in dem jeweiligen Betriebsfall außer Betrieb.

Das Luftverdichtungssystem 100 weist - neben der Luftansaugleitung 99 und dem eigentlichen Hauptluftverdichter 2 für die Gesamtluft - ein Filter 1 , eine Vorkühlung 3 und einen Nachkühler 98 für den Nachverdichter 10 auf. Hauptluftverdichter 2 und Nachverdichter 10 sind jeweils einsträngig ausgebildet. Der Hauptluftverdichter 2 weist drei bis vier Stufen, der Nachverdichter 10 ein bis drei Stufen auf. In die Leitung 102/102a für den "ersten Druckluftstrom" ist eine Reinigungsvorrichtung 4 eingebaut, die insbesondere Wasser und Kohlendioxid entfernt, bevor dieser Luftstrom in den kalten Teil des Kältespeichersystems 200 eintritt. Diese Anlagenteile wie auch die im Folgenden beschriebenen Elemente des Kältespeichersystems sind bei dem

Ausführungsbeispiel so ausgebildet, wie es in der Luftverflüssigungstechnologie und bei Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlagen üblich ist.

In dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 sind die "Mittel zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft" als Luftverflüssiger 201 ausgebildet, die "Mittel zum Speichern von dabei erzeugter Kälte" als Flüssiglufttank 202 und die "Mittel zur Erzeugung eines

Druckluftstroms auf dem zweiten Druckniveau" als Luftverdampfer 203. In dem Beispiel von Figur 2 sind Luftverflüssiger 201 und Luftverdampfer 203 vollkommen separat. In der ersten Betriebsweise A (reiner Ladebetrieb) wird wiederum ausschließlich der Kältespeicher 202 aufgeladen und es ist nur der Luftverflüssiger 201 in Betrieb. Der Hauptdruckluftstrom 101 wird hier vollständig als erster Druckluftstrom 102 durch die Reinigungsvorrichtung 4 und über Leitung 102a dem Luftverflüssiger 201 zugeführt.

Ein erster Teil 210 (der gleichzeitig den "ersten Teilstrom" und den "zweiten Teilstrom" im Sinne der Patentansprüche bilden kann) wird in einem zweiten Nachverdichter 5a mit Nachkühler 5b auf einen Druck von 6 bis 10 bar nachverdichtet, in einem

Nebenwärmetauscher 26 abgekühlt und in einer ersten Luftturbine 5 arbeitsleistend auf knapp über Atmosphärendruck entspannt. Die erste Luftturbine 5 ist mit dem zweiten Nachverdichter 5a mechanisch gekoppelt. Die arbeitsleistend entspannte Luft wird im kalten Teil eines Hauptwärmetauschers 21 und weiter im Nebenwärmetauscher 26 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich über Leitung 211 in die Atmosphäre abgeblasen oder für Trocknungszwecke verwendet.

Der Rest 212 des gereinigten ersten Druckluftstroms 102a wird in einem extern von einem Elektromotor angetriebenen Kreislaufverdichter 11 mit Nachkühler 1 1 b und in einem dritten Nachverdichter 12a mit Nachkühler 12b auf einen noch höheres drittes Druckniveau von 30 bis 60 bar weiterverdichtet und schließlich zu einem ersten Teil in einer zweiten Luftturbine 12, die den dritten Nachverdichter 12a antreibt,

arbeitsleistend auf das zweite Druckniveau entspannt, im Hauptwärmetauscher 21 wieder angewärmt und zum Eintritt des Kreisiaufverdichters 11 zurückgeführt. Der Rest der Druckluft auf dem dritten Druckniveau wird in dem Hauptwärmetauscher 21 abgekühlt und pseudo-verflüssigt, in einem ersten Drosselventil 22 auf das zweite Druckniveau entspannt und in einen Abscheider (Phasentrenner) 23 eingeleitet. Die Flüssigluft aus dem Abscheider 23 wird in einem Unterkühler 24 weiter abgekühlt und zum größten Teil in den Flüssiglufttank 202 eingeleitet, der in diesem

Ausführungsbeispiel unter Überdruck steht (zweites Druckniveau). Flashgas 213 aus dem Abscheider 23 wird im Hauptwärmetauscher 21 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und zum Eintritt des Kreisiaufverdichters 1 zurückgeführt. Ein kleiner Teil der unterkühlten Flüssigluft wird in einem zweiten Drosselventil 25 weiter auf etwa Atmosphärendruck entspannt, im Unterkühler 24 angewärmt und mit dem Abgas der ersten Luftturbine 5 vermischt. In der zweiten Betriebsweise B (reiner Entladebetrieb) werden das Kraftwerk 300 und der Luftverdampfer 203, wobei das Kraftwerk seine Verbrennungsluft ausschließlich aus dem Luftverdampfer erhält. Der Hauptdruckluftstrom 101 wird hier vollständig als erster Druckluftstrom 102 durch die Reinigungsvorrichtung 4 und über Leitung 102a dem Luftverdampfer 203 zugeführt und liefert die Wärme für die Verdampfung und Anwärmung der gespeicherten Flüssigluft und bildet außerdem selbst einen Teil der Verbrennungsluft.

Ein erster Teil des gereinigten ersten Druckluftstroms102a wird in einem weiteren Nebenwärmetauscher 29 und einem weiteren Hauptwärmetauscher 28 abgekühlt, ohne verflüssigt zu werden, in einem ersten Kaltverdichter 31 auf das zweite

Druckniveau gebracht, in dem Nebenwärmetauscher 29 wieder auf

Umgebungstemperatur angewärmt und in die Verbrennungsluftleitung 204 eingespeist. Ein zweiter Teil wird in dem Hauptwärmetauscher 28 auf eine Zwischentemperatur (in dem Beispiel 150 K) abgekühlt und in einem zweiten Kaltverdichter 32 auf das zweite Druckniveau gebracht und in die Verbrennungsluftleitung 204 eingespeist.

Flüssigluft wird aus dem Flüssiglufttank 202 entnommen, in einer Pumpe 27 auf das zweite Druckniveau gebracht und der Verdampfung und Anwärmung im

Hauptwärmetauscher 28 zugeführt.

Das Kraftwerk enthält eine Verbrennungsturbine, die eine Brennkammer

(Verbrennungseinheit) 42, einen Expander 44 für Verbrennungsgas 303 und einen Generator 43 zur Erzeugung elektrischer Energie aufweist, aber keinen Verdichter für Verbrennungsluft. Vielmehr wird die gesamte mechanische Energie, die in dem

Expander 44 gewonnen wird über eine mechanische Kopplung auf den Generator 43 übertragen.

Die Verbrennungsluft 204 wird in einem Erhitzer 41 gegen entspanntes

Verbrennungsgas 304 angewärmt und tritt in eine Brennkammer (Verbrennungseinheit) 42 ein, in der ein Brennstoff (Fuel) 302 verbrannt wird, der insbesondere durch Erdgas gebildet wird. Das heiße Verbrennungsgas 303 wird in der Verbrennungsturbine arbeitsleistend auf etwa Atmosphärendruck entspannt. Seine Abwärme wird in dem Erhitzer 41 genutzt; eine Dampferzeugung ist nicht vorgesehen. In der dritten Betriebsweise C (Normalbetrieb - reiner Kraftwerksbetrieb) ist das Kältespeichersystem 200 außer Betrieb, wobei der Flüssiglufttank 202 seine

Speicherfunktion natürlich weiterhin erfüllt. Die Verbrennungsluft für das Kraftwerk 300 kommt hier ausschließlich über die Leitung 104 von dem Luftverdichtungssystem 100. Dort wird die gesamte Hauptdruckstrom 101 in dem ersten Nachverdichter 10 auf das zweite Druckniveau nachverdichtet.

Selbstverständlich sind mit dem in Figur 2 dargestellten kombinierten System auch die in Figur 1 dargestellten gemischten Betriebsweise A' und B' möglich.

In den fett dargestellten Pfeilen werden die Energieflüsse in das kombinierte System sowie aus dem kombinierten System heraus angedeutet. In allen drei Betriebsweisen kommt die Antriebsenergie für das Luftverdichtungssystem von außen. Der

Hauptluftverdichter 2 und der erste Nachverdichter 10 (und auch der

Kreislaufverdichter 1) können auf die gleiche oder auf verschiedene Weise

angetrieben werden über eine Dampfturbine, eine Gasturbine, einen Elektromotor oder einen anderen Motor, beispielsweise einen Dieselmotor.

In einer Betriebsweise mit Ladebetrieb (A, A') werden die beiden Nachverdichter 5a und 12a von Luftturbinen angetrieben (also indirekt vom Hauptluftverdichter 2 und dessen Antrieb), benötigen also keinen zusätzlichen Energieimport. In den

Kreislaufverdichter 11 muss allerdings weitere Energie von außen gesteckt werden.

Der Entladebetrieb (B, B') kommt regelmäßig bei erhöhtem Strompreis zum Einsatz. Auf den ersten Blick erscheint es widersinnig, dazu drei Maschinen 27, 31 , 32 zu verwenden, die mit externer Energie angetrieben werden. Diese Maschinen werden jedoch alle im Kalten betrieben. Die Ströme, deren Druck erhöht wird, weisen ein wesentlich geringeres Volumen als im Warmen auf. Daher wird hier nur eine sehr geringe Energiemenge importiert, wie in Figur 2 durch die entsprechend kleineren Pfeile angedeutet ist.

Beim Entladebetrieb und beim Normalbetrieb wird Energie in Form der im Generator gewonnenen elektrischen Energie exportiert, also das eigentliche Endprodukt des kombinierten Systems zur Erzeugung elektrischer Energie. In Figur 2 sind die Paare 12/26 beziehungsweise 28/29 aus Nebenwärmetauscher und Hauptwärmetauscher jeweils durch ein Paar von separaten

Plattenwärmetauscherblöcken realisiert. Die beiden Paare können jeweils durch einen integrierten Hauptwärmetauscher realisiert werden, der beide Funktionen in sich vereint.

In den Figuren 3 bis 5 sind drei weitere Ausführungsform eines Luftverdampfers dargestellt, die jeweils den Luftverdampfer in Figur 2 ersetzen können. Figur 3 zeigt eine Ausführungsform des Luftverdampfers, die ohne eine externe Energiezufuhr auskommt, die über den Hauptluftverdichter hinausgeht. Die kalten Maschinen 27, 31 , 32 werden jeweils von einer Luftturbine 27t, 31t beziehungsweise 32t angetrieben. Dazu wird die Flüssigluft in der Pumpe 27 auf ein viertes Druckniveau gebracht, das deutlich höher als das zweite Druckniveau ist und in diesem und den folgenden Ausführungsbeispielen bei 65 bar liegt. Die dabei erzeugte Luft besonders hohen Drucks wird nach Anwärmung im Hauptwärmetauscher 28 auf die drei parallel geschalteten Turbinen 27t, 31t, 32t verteilt und dort auf das zweite Druckniveau arbeitsleistend entspannt. Die arbeitsleistend entspannte Luft wird wieder

zusammengeführt, im Hauptwärmetauscher 28 angewärmt und schließlich in die Verbrennungsluftleitung 204 eingespeist.

Selbstverständlich sind auch Zwischenformen zwischen den Varianten des

Luftverdampfers der Figuren 2 und 3 möglich, indem beispielsweise nur eine oder zwei der kalten Maschinen 27, 31 und 32 der Figur 2 mit Turbinenantrieb gemäß Figur 3 ausgestattet sind.

In Figur 4 wird die Flüssigluft in der Pumpe ebenfalls auf das oben erwähnte vierte Druckniveau gebracht. Die dabei erzeugte Luft besonders hohen Drucks wird nach Anwärmung im Hauptwärmetauscher 28 auf etwa Umgebungstemperatur in der Turbine 204 auf das zweite Druckniveau arbeitsleistend entspannt. Die arbeitsleistend entspannte Luft wird im Hauptwärmetauscher 28 angewärmt und schließlich in die Verbrennungsluftleitung 204 eingespeist. Die Luftturbine 204 ist in Figur 4 mit einem Generator gekoppelt, der in der zweiten Betriebsweise (Entladebetrieb) zusätzliche elektrische Energie liefert. Die kalten Maschinen 27, 31 und 32 verbrauchen analog zu Figur 2 Energie. Figur 5 entspricht weitgehend Figur 4, allerdings wird die Luft auf dem vierten

Druckniveau vor der arbeitsleistenden Entspannung 240 lediglich auf eine

Zwischentemperatur von 140 bis 290 K, vorzugsweise 200 bis 290 K angewärmt. Die Luftturbine 240 weist also eine niedrigere Eintrittstemperatur (und auch eine niedrigere Austrittstemperatur) als in Figur 4 auf.

Alternativ kann bei der Erfindung auch ein System als Kältespeichersystem eingesetzt werden, in dem Luftverflüssigung und Luftverdampfung mindestens teilweise in denselben Apparaten durchgeführt wird. Ein solches System ist beispielsweise in der älteren Patentanmeldung EP 12004833.5 und den dazu korrespondierenden

Patentanmeldungen beschrieben.

In dem Ausführungsbeispiel von Figur 6 wird in dem Kältespeichersystem ähnlich wie in den Figuren 2 bis 5 in der ersten Betriebsweise (A) durch arbeitsleistende

Entspannung eines Teils des "ersten Druckluftstroms" 102 erzeugt. Auf eine Reinigung (Trocknung) des ersten Druckluftstroms in der ersten Betriebsweise kann in diesem Beispiel verzichtet werden.

Die "Mittel 201 zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft" weisen eine Luftturbine 13t und einen Nachverdichter 13a mit Nachkühler 13b auf. Die "Mittel 203 zur Erzeugung eines Druckluftstroms auf dem zweiten Druckniveau" enthalten einen extern angetriebenen Nachverdichter 31. Ein warmer Wärmetauscher 21 und ein kalter Wärmetauscher 26 sind Bestandteil beider "Mittel" 201 , 203. Der Kältespeicher 202 ist im Gegensatz zu den Figuren 2 bis 5 nicht als Flüssiglufttank ausgebildet, sondern als Paar von

Flüssigtanks 73/74 zur Speicherung eines flüssigen Speicherfluids bei zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus T1 und T2 mit T2 > T1.

In der ersten Betriebsweise (A) wird Speicherfluid aus dem warmen Tank 73 auf etwa T1 abgekühlt und in den kalten Tank 74 eingeleitet. Als Speicherfluid wird in dem Beispiel Flüssigpropan eingesetzt, T1 beträgt ungefähr 90 K, T2 ungefähr 150 K. Die dazu benötigte (fühlbare) Kälte wird in der Luftturbine 13t erzeugt. Der erste Druckluftstrom 102 wird zunächst in dem Nachverdichter 13a mit Nachkühler 13b von dem zweiten auf das dritte Druckniveau nachverdichtet, anschließend im warmen Wärmetauscher 21 auf eine Temperatur von beispielsweise 155 K abgekühlt und in der Luftturbine 13t arbeitsleistend entspannt auf etwa Atmosphärendruck. Die Luft tritt bei einer Temperatur von etwa 85 K in den kalten Wärmetauscher 26 ein und wird dort und weiter im warmen Wärmetauscher 21 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Sie kann in die dann in die Atmosphäre abgelassen oder, wie in Figur 6 dargestellt, zum Eintritt des Hauptluftverdichters 2 zurückgeführt werden; im Extremfall wird die Luft lediglich im Kreis gefahren und der gesamte Hauptdruckluftstrom 101 wird als erster Druckluftstrom 102 in das Kältespeichersystem geleitet (reiner Ladebetrieb).

Gleichzeitig wird in der ersten Betriebsweise Speicherfluid aus dem warmen Tank 73 mittels einer Pumpe 71 zum kalten Wärmetauscher 26 gefördert, dort von etwa T2 auf etwa T1 abgekühlt und schließlich in den kalten Tank 74 eingeleitet.

In der zweiten Betriebsweise (B - reiner Entladebetrieb) wird der gesamte

Hauptdruckluftstrom 101 als erster Druckluftstrom 102 durch die Reinigungsvorrichtung 4 geschickt und tritt als gereinigter erster Druckluftstrom 102a in das

Kältespeichersystem ein. Dort wird er in den beiden Wärmetauschern 21 und 26 abgekühlt, in einem Kaltverdichter 31 auf das zweite Druckniveau gebracht, im

Wärmetauscher 21 angewärmt und schließlich als "dritter Druckluftstrom" in die Verbrennungsluftleitung 204 eingeleitet. Ein kleiner Teil 206 kann gegebenenfalls einen Umweg über einen Regeneriergaserhitzer 6 und die Reinigungsvorrichtung 4 nehmen, wo er als Regeneriergas eingesetzt wird.

Gleichzeitig wird in der zweiten Betriebsweise Speicherfluid aus dem kalten Tank 74 mittels der Pumpe 71 zum kalten Wärmetauscher 26 gefördert, dort von etwa T1 auf etwa T2 angewärmt und schließlich in den warmen Tank 73 eingeleitet. Der "dritte Druckluftstrom" bildet in dem Betriebsfall B die gesamte Verbrennungsluft für das Kraftwerk 300.

Das System von Figur 6 kann auch in den modifizierten ersten und zweiten

Betriebsweise A' und B' der Figur 1 gefahren werden. In der dritten Betriebsweise C (Normalbetrieb - reiner Kraftwerksbetrieb) ist das Kältespeichersystem 200 außer Betrieb und der Flüssigkeitsstand in den Tanks 73, 74 bleibt konstant. Die Verbrennungsluft für das Kraftwerk 300 kommt hier ausschließlich über die Leitung 104 von dem Luftverdichtungssystem 100. Dort wird die gesamte Hauptdruckstrom 101 in dem ersten Nachverdichter 10 auf das zweite Druckniveau nachverdichtet.

Figur 7 zeigt ein kombiniertes System, das nur leicht von demjenigen der Figur 6 abweicht. Es ist hier lediglich der reine Ladebetrieb (A) dargestellt. Hier wird anstelle des Hauptluftverdichters 2 der erste Nachverdichter 10 zur Erzeugung des ersten Druckluftstroms 102 eingesetzt. Am Eintritt des ersten Nachverdichters 10 herrscht Atmosphärendruck. Hier wird der Kältespeicher quasi vom Nachverdichter aufgeladen.

Figur 8 unterscheidet sich ebenfalls nur im Ladebetrieb (A) von den Figuren 6 und 7, und zwar dadurch, dass sowohl der Hauptluftverdichter 2 als auch der erste

Nachverdichter 10 zur Erzeugung des ersten Druckluftstroms 102 eingesetzt werden. Hier wird der Kältekreislauf von beiden Verdichtern 2, 10 betrieben. Die Turbinen weisen gleiche Eintritts- und Austrittstemperaturen auf. Außerdem weisen die "Mittel 201 zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft" eine zweite Turbinen-Nachverdichter-Kombination 12 auf. Diese ist turbinenseitig parallel und verdichterseitig seriell mit der ersten Turbinen-Nachverdichter-Kombination 13 verschaltet. Figur 9 unterscheidet sich von Figur 8 dadurch, dass die beiden Turbinen- Nachverdichter-Kombinationen 12, 13 auch verdichterseitig parallel geschaltet sind.

Figur 10 entspricht weitgehend Figur 6. Allerdings ist der Kältespeicher 200 als Regenerator-Kältespeicher ausgebildet. Die Speichermasse des Regenerators 28 wird in der ersten Betriebsweise (A) abgekühlt und in der zweiten Betriebsweise (B) wieder angewärmt. Kälteerzeugung und Erzeugung des dritten Druckluftstroms funktionieren analog zu Figur 6. Der Normalbetrieb unterscheidet sich nicht von Figur 6 (C).

Analog zu der Verdichterkonfiguration in den Figuren 7, 8 und 9 kann auch das Ausführungsbeispiel der Figur 10 dadurch abgewandelt werden, dass in der ersten Betriebsweise nur der erste Nachverdichter 10 oder sowohl der Hauptluftverdichter als auch der Nachverdichter 2 den "ersten Druckluftstrom" erzeugen, der in das

Kältespeichersystem eingeleitet wird. Werden dabei zwei Turbinen-Nachverdichter- Kombinationen eingesetzt, müssen dann auch zwei parallel geschaltete Regeneratoren beziehungsweise ein Regenerator mit zwei Durchgängen eingesetzt werden.

In Figur 11 ist der Kältespeicher 202 der Figuren 6 bis 9 im Detail dargestellt, und zwar in der ersten Betriebsweise (A) (mit Einspeisung kalter Luft in den Wärmetauscher 26) und in der zweiten Betriebsweise (B) (mit Einspeisung warmer Luft in den

Wärmetauscher 26). Während die Flüssigkeit aus einem Behälter 73/74 in den anderen 74/73 umgepumpt wird, wird der Dampf beziehungsweise das Gas aus dem Gasraum oberhalb der Flüssigkeit aus dem Empfängerbehälter 74/73 in den

Quellbehälter 73/74 geleitet. Der Gasraum der beiden Behälter 73/74 kann

beispielsweise mit einem nicht kondensierbaren Gas wie Stickstoff gefüllt sein.

Weitere Details des Regenerators 28 aus Figur 10 sind in Figur 12 gezeigt. Er weist Außenbehälter 120, eine Wärmeisolation 121 und einen Innenbehälter 122 auf, der mit einer porösen Masse 123 gefüllt ist, die eine hohe Wärmekapazität aufweist. In allen bisher gezeigten Ausführungsbeispielen kann eine der alternativen

Ausführungen des Kraftwerks 300 eingesetzt werden, wie sie in den Figuren 13 bis 18 dargestellt sind.

In Figur 13 wird auf den Wärmetauscher (Rekuperator) 41 der Figur 2 verzichtet und stattdessen ein Dampferzeugungssystem 46eingesetzt (HSRG = heat recovery steam generator - manchmal auch als Abhitzekessel bezeichnet), um weitere elektrische Energie mittels einer Dampfturbine zu erzeugen.

In Figur 14 wird über einen zusätzlichen Erhitzer 45 weitere Wärme in die

Verbrennungsluft eingekoppelt. Die Quelle dieser weiteren Wärme kann beliebig sein, beispielsweise Restwärme aus einem anderen Prozess, Wärme aus einem

Wärmespeicher oder einer Solaranlage. Dadurch kann bei gleicher

Energieerzeugungsrate gegenüber dem Kraftwerk 300 von Figur 2 Brennstoff gespart werden. Figur 15 zeigt drei Varianten eines Systems mit zwei Verbrennungsturbinen 44a, 44b, die beide an den Generator 43 gekoppelt sind.

In Figur 16 wird der Rekuperator 41 gleichzeitig für die Erhitzung von Regeneriergas 206 für die Reinigungseinrichtung 4 eingesetzt. Links ist ein Variante mit einem kombinierten Wärmetauscher 41 gezeigt, rechts ein andere, in der ausschließlich Zweistrom-Hochtemperaturwärmetauscher 41 , 41a und 41b eingesetzt werden.

Außerdem ist es möglich, während der zweiten Betriebsweise (Entladebetrieb)

Kompressionswärme 1700 des Hauptiuftverdichters über einen weiteren Erhitzer 47 die Verbrennungsluft einzukoppeln, wie es in Figur 17 skizziert ist.

Figur 18 zeigt eine Variante der Erfindung in der zweiten Betriebsweise, die auf die Systeme der Figuren 2 bis 5 angewendet werden kann. Dabei wird die Flüssigluft in der Pumpe 27 auf ein viertes Druckniveau von 40 bis 200 bar gebracht, in dem Erhitzer 41 durch indirekten Wärmeaustausch mit Verbrennungsgas auf eine Temperatur von beispielsweise 600°C erhitzt und mittels einer arbeitsleistenden Entspannung in einer heißen Luftturbine 1800 auf das zweite Druckniveau des Verbrennungsprozesses gebracht, wodurch zusätzliche elektrische Energie erzeugt wird.