Verfahren und Vorrichtung zur Energiespeicherung mittels eines kombinierten Wärme- und Druckspeichers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speichern von Energie mittels eines kombinierten Wärme- und Druckspeichers sowie eine nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung.

Elektrische Energie wird üblicherweise mittels Akkumulatoren oder Kondensatoren gespeichert, wobei deren Herstellung jedoch kostenintensiv ist. Daher ist deren Verwendung bei der Speicherung von vergleichsweise großen Mengen von elektrischer Energie nicht wirtschaftlich. Eine Alternative hierzu sind sogenannte Pumpspeicherkraftwerke. Hierbei wird üblicherweise Wasser aus einem Becken in ein räumlich höher gelegenes Becken gepumpt. Die Rückgewinnung der Energie erfolgt, indem das Wasser erneut in das niedriger gelegene Becken geführt wird. Herkömmlicherweise treibt in diesem Fall das Wasser eine Turbine und diese wiederum einen Generator zur Gewinnung von elektrischer Energie an. Nachteilig hierbei ist, dass zur Gewährleistung eines wirtschaftlichen Betriebs vergleichsweise großvolumige Becken, vorzugsweise in Form von Seen, sowie ein landschaftliches Gefälle vorhanden sein muss.

Eine weitere Möglichkeit zur Speicherung von Energie stellen pneumatische Energiespeicher, auch als Druckluftspeicherkraftwerke bezeichnet, dar. Hierbei wird mit Hilfe der Energie üblicherweise Luft komprimiert und in einen Druckspeicher, beispielsweise in Form einer natürlichen Kaverne, eingeleitet. Zur Rückgewinnung wird die Luft in eine Expansionsmaschine geleitet, welche wiederum einen elektrischen Generator antreibt.

Während der Komprimierung der Luft wird diese erwärmt. Falls diese Wärme nicht genutzt werden sollte, ist der Wirkungsgrad des Druckluftspeicherkraftwerks äußerst begrenzt. Zur Nutzung der Wärme werden daher herkömmlicherweise Wärmespeicher verwendet. Diese werden beispielsweise vor den Druckluftspeicher

BESTÄTIGUNGSKOPIE geschaltet, so dass die Druckluft abgekühlt wird, bevor diese in den Druckluftspeicher geleitet wird. Als Alternative hierzu werden die Wärmespeicher thermisch an den Druckiuftspeicher gekoppelt oder innerhalb dessen positioniert, wobei der Wärmespeicher druckfest ausgelegt sein muss.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effektives und insbesondere kostengünstiges Verfahren und eine hierzu besonders geeignete Vorrichtung zum Speichern von Energie mittels eines kombinierten Wärme- und Druckspeichers anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die das Verfahren betreffende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und die die Vorrichtung betreffende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Das Verfahren sieht vor, dass bei einem ersten Druck-/Temperaturpunkt eine erste Komponente und eine zweite Komponente zu einem Arbeitsmedium gemischt werden. Unter einem Druck-/Temperaturpunkt wird hierbei ein Punkt innerhalb eines sogenannten Phasendiagramms verstanden. Mit anderen Worten gibt ein Druck-/Temperaturpunkt eine bestimmte Temperatur und einen dazugehörigen Druck an. Beispielsweise beträgt die Temperatur des ersten Druck- /Temperaturpunkt zwischen 5°C und 30°C und insbesondere zwischen 10°C und 20°C. Der Druck des ersten Druck-/Temperaturpunkt beträgt geeigneterweise zwischen 0,5bar und 2bar und zweckmäßigerweise 1atm. Bei dem ersten Druck- ZTemperaturpunkt ist der Aggregatszustand der ersten Komponente gasförmig, der der zweiten Komponente flüssig.

In einem sich daran anschließenden Arbeitsschritt wird das Arbeitsmedium komprimiert. Die während der Kompression der ersten Komponente entstehende Wärme wird zumindest teilweise von der zweiten Komponente insofern absorbiert, als dass diese zumindest teilweise verdampft. Insbesondere wird während dieser Phase das Arbeitsmedium isotherm verdichtet. Das Arbeitsmedium wird über einen solchen Zeitraum komprimiert, bis dieses einen zweiten Druck- /Temperaturpunkt aufweist. Geeigneterweise liegen bei dem zweiten Druck- /Temperaturpunkt sowohl die erste Komponente als auch die zweite Komponente vollständig als Gas vor. Die Temperatur beträgt beispielsweise zwischen 250°C und 350°C und insbesondere 300°C. Der Druck liegt zweckmäßigerweise zwischen 50bar und 150bar, insbesondere zwischen 50bar und 80bar, vorzugsweise bei 60bar.

In einem darauffolgenden Arbeitsschritt wird das komprimierte Arbeitsmedium in einen kombinierten Wärme- und. Druckspeicher geleitet. Vorteilhafterweise ist der Wärme- bzw. Druckspeicher thermisch isoliert und weist ein relativ großes Fassungsvolumen, insbesondere > 1m ³ , geeigneterweise zwischen 20m ³ und 500m ³ und vorzugsweise zwischen 50m ³ und 200m ³ auf. Das komprimierte Arbeitsmedium und somit die in dem Arbeitsmedium enthaltene Energie wird in dem kombinierten Wärme- und Druckspeicher gespeichert. Während der Speicherung gibt trotz der Isolierung des kombinierten Wärme- und Druckspeichers das Arbeitsmedium Temperatur an die Umgebung oder den kombinierten Wärme- und Druckspeicher selbst ab. Infolge der Temperaturabgabe und somit aufgrund der Temperatursenkung des Arbeitsmediums kondensiert die zweite Komponente teilweise aus. Aufgrund dieser Kondensation wird die innerhalb des kondensierten Teils der zweiten Komponente gespeicherte Verdampfungsenergie freigesetzt, weswegen die Temperatur des Arbeitsmediums wiederum ansteigt.

Bei einer geeigneten Wahl der ersten und zweiten Komponente sowie des ersten und zweiten Druck-/Temperaturpunktes ist es möglich, über einen vergleichsweise langen Zeitraum die Temperatur des Arbeitsmediums innerhalb des kombinierten Wärme- und Druckspeichers konstant zu halten, wobei sich der Mischgrad des Arbeitsmediums kontinuierlich verändert. Die Konzentration der zweiten Komponente innerhalb des gasförmigen Teils des Arbeitsmediums nimmt nämlich ab, wobei sich der auskondensierte Anteil der zweiten Komponente am Boden des kombinierten Wärme- und Druckspeichers sammelt.

Falls die innerhalb des Wärme- / Druckspeichers gespeicherte Energie in Form des komprimierten Arbeitsmediums zurückgewonnen werden soll, wird das Ar- beitsmedium expandiert. Vorteilhafterweise findet die Expansion kontrolliert innerhalb einer geeigneten Maschine statt, wobei das expandierende Arbeitsmedium Arbeit verrichtet. Nach der Expansion weist das Arbeitsmedium eine (geringfügig) oberhalb des ersten Druck-/Temperaturpunktes liegende Temperatur, beispielsweise 50°C, auf. Zumindest ist die Temperatur des Arbeitsmediums derart, dass die zweite Komponente teilweise flüssig ist. Geeigneterweise liegt nach der Expansion der gasförmige Teil des Arbeitsmediums als ein gesättigtes oder teilgesättigtes Gas vor, jedoch nicht als ein übersättigtes Gas. Mit anderen Worten ist von der zweiten Komponente lediglich höchstens der Anteil gasförmig, der, mit den weiteren Komponenten des Arbeitsmediums vermischt, ein Gas ergibt, dessen sogenannter Sättigungsdampfdruck oberhalb oder gleich dem Druck des gasförmigen Teils des Arbeitsmediums nach der Expansion ist. Der andere Teil der zweiten Komponente hingegen ist flüssig.

In einer geeigneten Ausführungsform der Erfindung wird während der Vermischung der ersten Komponente mit der zweiten Komponente diese als Schwebstoff in die erste Komponente eingebracht. Insbesondere weist das Arbeitsmedium nach der Vermischung vollständig, zumindest jedoch teilweise, die Form eines Aerosols auf. Auf diese Weise ist eine vergleichsweise gute Vermischung der beiden Komponenten miteinander ermöglicht, wobei sich während der anschließenden Verdichtung des Arbeitsmediums im Wesentlichen kein Temperaturgefälle innerhalb dessen einstellt.

Vorteilhafterweise wird die Menge der zweiten Komponente im Vergleich zu der Menge der weiteren Bestandteile des Arbeitsmediums derart gewählt, dass während der Speicherung des Arbeitsmediums der gasförmige Teil des Arbeitsmediums als ein gesättigtes oder teilgesättigtes Gas vorliegt. Wie im Zusammenhang mit der Expansion des Arbeitsmediums bereits erläutert, ist während der Speicherung daher lediglich ein Anteil der zweiten Komponente gasförmig. Hierbei wird insbesondere der erste und der zweite Druck-/Temperaturpunkte sowie die Menge der zweiten Komponente derart gewählt, dass während einer vergleichsweise langen Speicherung des Arbeitsmediums innerhalb des kombinierten Wärme- und Druckspeichers dieser Anteil maximal ist. Es findet demgemäß vorzugsweise keine Auskondensation der zweiten Komponente stattfindet.

Geeigneterweise besteht das Arbeitsmedium aus der ersten und der zweiten Komponente. Insbesondere wird Umgebungsluft als erste Komponente und/oder Wasser als zweite Komponente gewählt. Hierdurch ist eine kostengünstige Durchführung des Verfahrens gewährleistet. Weiterhin müssen auf diese Weise keine Maßnahmen getroffen werden, die bei einer Fehlfunktion des kombinierten Wärme- und Druckspeichers ein Entweichen der ersten oder zweiten Komponente in die Umwelt verhindern, wie es beispielsweise bei der Verwendung einer giftigen Substanz der Fall wäre. Ebenso kann insbesondere bei der Verwendung von Wasser und Umgebungsluft eine mögliche chemische Reaktion zwischen den beiden Komponenten bei einer geeigneten Wahl des ersten und des zweiten Druck-/Temperaturpunkts vermieden werden.

Zweckdienlicherweise wird das Arbeitsmedium durch einen Verdichtereinlass eines Kolbenverdichters in diesen geleitet und innerhalb dessen komprimiert. Vorteilhafterweise wird hierbei die erste Komponente und die zweite Komponente im Bereich des Verdichtereinlasses des Kolbenverdichters vermischt. Hierdurch ist es ermöglicht, den zeitlichen Abstand zwischen der Komprimierung des Arbeitsmediums und dessen Erstellung durch die Vermischung der ersten und der zweiten Komponente vergleichsweise gering zu halten. Auf diese Weise bleiben die beiden Komponenten vergleichsweise gut vermischt, insbesondere, falls bei dem ersten Druck-/Temperaturpunkt das Arbeitsmedium in Form eines Aerosols vorliegt.

Zur Rückgewinnung der Energie aus dem Arbeitsmedium kann eine Dampfturbine verwendet werden. In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung findet die Expansion des Arbeitsmediums innerhalb einer Kolbenmaschine statt. Auf diese Weise ist es möglich eine Beschädigung der Maschine aufgrund eines Wasserschlags vergleichsweise einfach zu vermeiden. Ferner begünstigt die im Vergleich zu einer Turbine langsame Arbeitsgeschwindigkeit die vollständige Rückgewinnung der innerhalb der zweiten Komponente gespeicherten Verdampfungsenergie.

Insbesondere steht mit der Kolbenmaschine ein elektrischer Generator in Wirkverbindung. Somit wird die innerhalb des komprimierten Arbeitsmediums gespeicherte Energie in elektrische Energie umgewandelt und kann beispielsweise bei einem Engpass in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Geeigneterweise wird die mittels einer Solarzelle oder einem Windkraftwerk erzeugte Energie zur Kompression des Arbeitsmediums verwendet. Diese Energielieferanten weisen über einen Tag gesehen üblicherweise keine konstante Leistungsabgabe auf. Falls die mittels einer Solarzelle oder einem Windkraftwerk erzeugte Energie zur Kompression des Arbeitsmediums verwendet wird und bei der Expansion des Arbeitsmediums elektrische Energie erzeugt wird, ist es möglich, einen über einen Tag gesehen möglichst konstanten Strom in das Stromnetz einzuspeisen oder Spitzen von Leistungsanforderungen innerhalb des Stromnetzes abzufangen.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst einen kombinierten Wärme- und Druckspeicher mit einem Einlass und mit einem Auslass, wobei dessen Fassungsvolumen vorteilhafterweise zwischen 20m ³ und 500m ³ und insbesondere zwischen 50m ³ und 200m ³ aufweist. Hierbei kann der Einlass mit dem Auslass zusammenfallen, also übernimmt beispielsweise lediglich ein Ventil die Aufgabe des Einlasses und des Auslasses. Geeigneterweise ist jedoch der Einlass von dem Auslass räumlich getrennt und insbesondere jeweils mittels eines Absperrventils verschließbar.

Auf der Einlassseite des kombinierten Wärme- und Druckspeichers befindet sich ein Verdichter und diesem vorgeschaltet eine Einspritzvorrichtung. Mittels der Einspritzvorrichtung wird eine flüssige zweite Komponente in eine gasförmige erste Komponente eingebracht, so dass diese beiden Komponenten zu einem Arbeitsmedium vermischt werden. Die Einspritzvorrichtung ist derart mit dem Verdichter verbunden, dass das Arbeitsmedium von der Einspritzvorrichtung zu dem Verdichter geleitet wird. Dies erfolgt beispielweise mittels von dem Verdichter erzeugten, vergleichsweise geringen Unterdrucks und/oder von der Einspritzvorrichtung erzeugten, vergleichsweise geringen Überdrucks.

Der Verdichter wiederum ist insbesondere druckfest mit dem Einlass des kombinierten Wärme- und Druckspeichers verbunden. Mittels des Verdichters kann das Arbeitsmedium komprimiert werden, wobei die zweite Komponente zumindest teilweise verdampft. Das verdichtete Arbeitsmedium wird durch den Einlass in den Wärme- bzw. Druckspeicher geleitet und dort gespeichert.

Auslassseitig ist mit dem kombinierten Wärme- und Druckspeicher eine Expansionsmaschine verbunden, die darauf ausgelegt ist, die in der komprimierten ersten Komponente und die in der komprimierten und verdampften zweiten Komponente enthaltene Energie zurückzugewinnen. Insbesondere ist zumindest entweder der Verdichter oder die Expansionsmaschine, vorzugsweise jedoch beide, als Kolbenmaschine ausgeführt. Auf diese Weise ist sowohl ein kostengünstiger Betrieb der Vorrichtung als auch eine vergleichsweise einfache Beherrschung eines eventuellen Wasserschlages ermöglicht. Insbesondere wird der Verdichter mittels eines elektrischen Motors betrieben. Geeigneterweise treibt die Expansionsmaschine einen elektrischen Generator an. Auf diese Weise ist, falls die Vorrichtung sowohl den elektrischen Motor als auch den elektrischen Generator umfasst, eine vergleichsweise kostengünstige Speicherung von elektrischer Energie ermöglicht.

In einer geeigneten Ausführungsform der Erfindung ist der Expansionsmaschine ein Kondensatabscheider nachgeschaltet. Somit sind nach der erfolgten Expansion des Arbeitsmediums die beiden Komponenten wieder getrennt und können erneut wiederverwendet werden. Insbesondere bei der Verwendung von Umgebungsluft und/oder Wasser als erste bzw. zweite Komponente kann bzw. können diese nach der erfolgten Expansion wieder an die Umwelt abgegeben werden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Figur schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die gezeigte Vorrichtung 2 umfasst einen kombinierten Wärme- und Druckspeicher 4 mit einem Einlass 6 und mit einem Auslass 8, wobei diese jeweils mittels eines Ventils 10 bzw. 12 absperrbar sind. Der kombinierte Wärme- und Druckspeicher 4 weist beispielsweise eine zylinder- oder kapseiförmig Form auf. Der Durchmesser des kombinierten Wärme- und Druckspeichers 4 beträgt zwischen 2m und 6m, wobei dessen Länge zwischen 5m und 20m beträgt. Der kombinierte Wärme- und Druckspeicher 4 ist vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) gefertigt und von einer Isolationsschicht 14 umgeben. Die Isolationsschicht 14 dient der thermischen Isolation des kombinierten Wärme- und Druckspeichers 4 von der Umgebung und kann ferner die Aufgabe eines Schutzes vor mechanischer Beschädigung übernehmen. Als Material der Isolationsschicht 14 sind beispielsweise herkömmliche Dämmstoffe aus Mineralwolle oder Polystyrol denkbar.

Mit dem dem Einlass 6 vorgeschalteten Ventil 10 ist über ein druckstabiles Rohr 16 ein Verdichter 18 pneumatisch verbunden. Der Verdichter 18 ist als ein Kolbenverdichter 20 ausgeführt und wird mittels eines elektrischen Motors 22 angetrieben. Der elektrische Motor 22 wird mittels der mit einer Solarzelle 24 erzeugten elektrischen Energie betrieben. Der Verdichter 18 weist einen Einlass 26 auf, in den eine Einspritzvorrichtung 28 einmündet.

Über ein weiteres druckstabiles Rohr 30 ist eine Expansionsmaschine 32 mit dem dem Auslass 8 des kombinierten Wärme- und Druckspeichers 4 nachgeschalteten Ventil 12 pneumatisch verbunden. Die Expansionsmaschine 32 weist die Form einer Kolbenmaschine 34 auf und treibt einen elektrischer Generator 36 an. Der Expansionsmaschine 32 ist ein Kondensatabscheider 38 nachgeschaltet.

Mittels der Vorrichtung 2 wird ein Verfahren zum Speichern von Energie umgesetzt. Die Energie wird mittels der Solarzelle 24 erzeugt und dient dazu, den Verdichter 18 anzutreiben. Der Verdichter 18 saugt eine erste Komponente 42 an, welche Umgebungsluft ist. In diese wird in dem Bereich des Verdichtereinlasses 26 mittels der Einspritzvorrichtung 28 eine flüssige zweite Komponente 44 als Schwebstoff eingebracht, so dass ein Arbeitsmedium 45 gebildet wird, das die Form eines Aerosols aufweist. Die zweite Komponente 44 ist Wasser.

Das Verhältnis der ersten Komponente 42 zur zweiten Komponente 44 innerhalb des Arbeitsmediums 45 beträgt vorzugsweise 5:2. Dies bedeutet, dass in ein Kilogramm angesaugter Luft 200g Wasser eingespritzt wird. Die erste Komponente 42, die zweite Komponente 44 und das erstellte Arbeitsmedium 45 weisen einen ersten Druck-/T emperaturpunkt 46 auf. In anderen Worten ist die Temperatur der ersten Komponente 42, der zweiten Komponente 44 und des erstellte Arbeitsmedium 45 im Wesentlichen gleich und beträgt zwischen 10°C und 30°C, wobei der Druck der in der Umgebung der Vorrichtung 2 herrschende Luftdruck, also der Atmosphärendruck, ist.

Mittels des Verdichters 18 wird das Arbeitsmedium 45 auf 60bar komprimiert. Die Temperatur des Arbeitsmediums 45 steigt aufgrund der Kompression auf etwa 300°C an, sodass das Arbeitsmedium 45 einen zweiten Druck-/Temperaturpunkt 48 aufweist. Aufgrund des im Vergleich zum ersten Druck-/Temperaturpunkt 46 erhöhten Drucks bzw. Temperatur ist die zweite Komponente 44 vollständig verdampft. Innerhalb des Arbeitsmediums 45 ist somit bei dem zweiten Druck- /Temperaturpunkt 48 im Vergleich zu dem zweiten Druck-/Temperaturpunkt 46 Energie unter anderem in Form von Verdampfungsenergie gespeichert.

Das komprimierte Arbeitsmedium 45 wird durch das Rohr 16 und das Ventil 10 in den kombinierten Wärme- und Druckspeicher 4 geleitet, wobei das Ventil 12 verriegelt ist. Anschließend wird das Ventil 10 geschlossen und das komprimierte Arbeitsmedium 45 und die darin enthaltene Energie innerhalb des kombinierten Wärme- und Druckspeichers 4 gespeichert. Während der Speicherung wird Verlustwärme von dem Arbeitsmedium 45 an den kombinierten Wärme- und Druckspeicher 4 und durch dessen Isolationsschicht 14 an die Umgebung abgegeben. Aufgrund dessen sinkt die Temperatur des Arbeitsmediums 45 unter den Siedepunkt der zweiten Komponente 44 bei dem innerhalb des kombinierten Wärme- und Druckspeichers 4 herrschenden Druck. Die zweite Komponente 44 beginnt daher teilweise zu kondensieren, wobei Verdampfungsenergie in Form von einer Temperaturerhöhung des Arbeitsmediums 45 frei wird. Auf diese Weise stabilisiert sich die Temperatur des Arbeitsmediums 45 bei etwa 275°C, wobei die zweite Komponente 44 zunehmend auskondensiert, sich an den Wänden des kombinierten Wärme- und Druckspeichers 4 niederschlägt und in dessen Bodenbereich sammelt.

Zur Rückverstromung der gespeicherten Energie wird das Ventil 12 geöffnet und das Arbeitsmedium 45 durch den Auslass 6 und das Rohr 30 in die Expansionsmaschine 32 geleitet. Dort wird das Arbeitsmedium 45 expandiert, wobei an der Kolbenmaschine 34 Arbeit verrichtet wird. Der mit der Expansionsmaschine 32 in Wirkverbindung stehende Generator wandelt die Arbeit in elektrische Energie um. Während der Expansion des Arbeitsmediums 45 innerhalb der Expansionsmaschine 32 kühlt das Arbeitsmedium 45 ab und dessen Druck sinkt. Die zweite Komponente 44 verflüssigt sich somit und kondensiert einerseits innerhalb der Expansionsmaschine 32 sowie liegt andererseits als Schwebstoff innerhalb der ersten Komponente 42 vor. Dieses Aerosol wird in den Kondensatabscheider 38 geleitet, und die erste Komponente 42 wird von der zweiten Komponente 44 getrennt. Die erste Komponente 42 wird daraufhin in die Umgebung geleitet, wohingegen die zweite Komponente 44 gesammelt wird, um für einen weiteren Speicherzyklus zur Verfügung zu stehen. Ebenso wäre jedoch auch denkbar, die zweite Komponente 44 ebenfalls in die Umgebung, beispielsweise in einen Abfluss zu leiten.

Bezugszeichenliste

2 Vorrichtung

4 kombinierter Wärme- und Druckspeicher

6 Einlass

8 Auslass

10 Ventil

12 Ventil

14 Isolationsschicht

16 Rohr

18 Verdichter

20 Kolbenverdichter

22 elektrischer Motor

24 Solarzelle

26 Verdichtereinlass

28 Einspritzvorrichtung

30 Rohr

32 Expansionsmaschine

34 Kolbenmaschine

36 elektrischer Generator

38 Kondensatabscheider

42 erste Komponente

44 zweite Komponente

45 Arbeitsmedium

46 erster Druck-/Temperaturpunkt

48 zweiter Druck-/Temperaturpunkt