Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speiche ^¬ rung thermischer Energie, ein Verfahren zur Rückgewinnung thermischer Energie und eine Vorrichtung zur Speicherung und Rückgewinnung von thermischer Energie, mit einem in einer Bypassleitung zwischen einer WärmeträgerZuleitung und einer Wärmeträgerrückleitung zu bzw. von einer Dampfturbine, welcher ein Wärmetauscher zugeordnet ist, durch dessen Primärseite das Wärmeträgermedium geleitet wird, während durch die Sekundärseite ein Wärmespeichermedium zwischen einem Heißspeicher und einem Kaltspeicher hin- und hergeleitet werden kann .

Derartige Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind be ^¬ reits aus dem Stand der Technik in vielfacher Weise bekannt. Solche Systeme werden zum Beispiel in solarthermischen Kraft ^¬ werken wie Andasol 1, 2 und 3 in Spanien für die Stromerzeu ^¬ gung nach Sonnenuntergang eingesetzt.

Die grundsätzliche Funktionsweise einer derartigen Anlage besteht darin, dass bei einem Überschuss von thermischer Energie diese nicht direkt in die schwer speicherbare, elekt ^¬ rische Energie umgesetzt wird, sondern direkt in Form thermi ^¬ scher Energie gespeichert wird. Hierzu wird das Wärmeträger ^¬ medium, im Stand der Technik üblicherweise ein synthetisches Öl, mithilfe eines Wärmetauschers auf ein Wärmespeichermedium übertragen, welches im Zuge der Übertragung von einem Kaltspeicher in einen Heißspeicher überführt wird. Das Wärmespei ^¬ chermedium wird hierbei durch die Wärmeübertragung erhitzt und in dem Heißspeicher bis auf Weiteres vorgehalten. Sobald ein Bedarf an Energie entsteht, wird der umgekehrte Weg ge ^¬ fahren, also das heiße Wärmespeichermedium durch den Wärmetauscher zurück in den Kaltspeicher geführt und hierbei pri- märseitig durch den Wärmetauscher geführtes Wärmeträgermedium wieder erhitzt. Mit diesem erhitzten Wärmeträgermedium können dann wiederum beispielsweise Turbinen betrieben werden, welche die gewünschte elektrische Energie zur Verfügung stellen.

Der Einsatz eines solchen Systems für Wasser bzw. Dampf an- stelle der Verwendung von synthetischem Öl als Wärmeträgermedium ist derzeit noch in der Entwicklung und bringt verschie ^¬ dene technische und ökonomische Herausforderungen mit sich. Zum Beispiel würde bei dem skizzierten Vorgehen die maximal erreichbare Temperatur des Wärmespeichermediums bei einer Beladung des Heißspeichers mithilfe von überhitztem Dampf bei 450°C bei ca. 310°C liegen. Dies wiederum begrenzt die maxi ^¬ mal erreichbare Temperatur des bei der Entladung des Spei ^¬ chers, also der Rückgewinnung der Energie, entstehenden Dampfes auf etwa 305°C. Bei einem Kraftwerksprozess würde dies die Leistung sowie die Effizienz des Dampfkreislaufes stark begrenzen .

Der Hintergrund dieses Sachverhaltes liegt in dem typischen Verhalten von Dampf, welcher im Bereich seiner Siedetempera- tur in großem Maße Energie in Form von Wärmeenergie aufnehmen kann, bevor ein weiterer Anstieg der Temperatur, und damit ein Übertritt in den Bereich des überhitzten Dampfes, erfolgt. Nachdem gleichzeitig die Temperatur des Wärmespeichermediums in diesen Bereichen gleichmäßig ansteigt, gleichzei- tig aber stets niedriger ist als die Temperatur des energie ^¬ reichen Dampfes, ließe sich die hohe Energie des überhitzten Dampfes nur unzureichend nutzen. Vor diesem Hintergrund kennt der Stand der Technik Systeme, in denen für die verschiedenen Bereiche der Siedekurve des Dampfes verschiedene Wärmespeichermedien vorgesehen werden. Beispielsweise arbeitet das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt e.V. (DLR) an Zweistoff-Speicher-Systemen, um diese Probleme zu lösen. Derartige Systeme mit mehreren unter ^¬ schiedlichen Wärmespeichermedien werden jedoch als teuer und technisch aufwändig angesehen, so dass nach einer günstigeren Alternative zu suchen war.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Speicherung und Rückgewinnung von thermischer Energie, insbesondere in solarthermischen Kraftwerken, zu schaffen, welche die vorhandenen Lösungen mit Dampf als einzigem Wärmespeichermedium deutlich effizienter gestaltet als eine bloße Übernahme der bekannten Lö ^¬ sungen, und gleichzeitig auf den Einsatz weiterer, zusätzlicher Wärmespeichermedien verzichtet.

Dies löst die vorliegende Erfindung durch ein Verfahren zur Speicherung thermischer Energie gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Rückgewinnung thermischer Energie gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 5 sowie durch eine Vorrichtung zur Speicherung und Rückgewinnung von thermischer Energie gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 9. Weitere sinnvolle Ausgestaltungen der Verfahren und der Vorrichtung können den jeweils zugeordneten Unteransprüchen entnommen werden.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Lösung des Standes der Technik um einen so genannten Intermediärspeicher, also einen zusätzlichen, im mittleren Temperaturbereich angeordneten Speicher zu ergänzen, in welchen das bei der Speicherung thermischer Energie erhitzte Wärmespeichermedium eingeleitet wird. Ein Teil dieses Wärmespeichermediums wird jedoch erfin ^¬ dungsgemäß abgezweigt und nochmals über einen weiteren, als Hochtemperaturwärmetauscher ausgeführten zusätzlichen Wärmetauscher nochmals weiter erhitzt. Aufgrund des Umstandes, dass die Erhitzung sich bei diesem zweiten Wärmetauscher lediglich auf einen Teilstrom des Wärmespeichermediums bezieht, ist eine deutlich stärkere Erhitzung möglich. Darüber hinaus ist vorgesehen, Wärmeträgermedium (Dampf) und Wärmespeichermedium (üblicherweise ein Medium aus flüssigem Salz) in entgegengesetzter Richtung aneinander vorbei zu führen, so dass die erste Erhitzungsstufe des Wärmespeichermediums gleichzei ^¬ tig die zweite Abkühlungsstufe des Dampfes ist. Hierdurch kann das bereits durch den abgekühlten Dampf vorgewärmte Wärmespeichermedium in der zweiten Stufe mithilfe des überhitzten Dampfes, welcher zur Wärmespeicherung bereitgestellt wird, besonders stark erhitzt werden, wobei aufgrund der ge ^¬ ringeren Menge an Wärmespeichermedium eine sehr hohe Erwärmung dieses Teilstroms des Wärmespeichermediums ermöglicht wird .

Somit werden gemäß der Erfindung sämtliche Bereiche der Sie ^¬ dekurve des Dampfes effizient genutzt, nämlich die hohen Tem ^¬ peraturen des überhitzten Dampfes zur starken Erhitzung eines Anteils des Wärmespeichermediums und nach dem Abkühlen des überhitzten Dampfes zu normalem Dampf die Ausnutzung der lange Zeit konstanten Temperatur dieses Dampfes zur Erhitzung der großen Masse des Wärmespeichermediums in einen Bereich von ca. 310°C.

Die Nutzung des Wärmeträgermediums in einer Dampfturbine stellt in diesen Ausführungen eine mögliche, keinesfalls aber die einz ige Einsatzmöglichkeit dar . Die vorliegende Patentan- meidung bezieht sich ausdrücklich auf alle möglichen Anwendungen .

Auf dem umgekehrten Wege funktioniert die Rückgewinnung der Energie, welche im Falle eines Bedarfs an Energie erfolgen kann. In diesem Fall wird das Prozesswasser, das normalerweise etwa in einen solaren Dampferzeuger gepumpt wird, als Wärmeträgermedium mithilfe des Wärmespeichermediums aus dem In ^¬ termediärspeicher erhitzt, und der dabei aus dem Prozesswas- ser entstehende Dampf über den Hochtemperaturwärmetauscher mithilfe des stark erhitzten Wärmespeichermediums aus dem Heißspeicher überhitzt. Hierdurch ist eine wesentlich effizientere Nutzung der Dampfturbinen ermöglicht, welche anschließend mit der zurück gewonnenen Energie arbeiten müssen.

In einer Weiterführung dieses Gedankens kann auch ein vierter Speicher, also ein zweiter Intermediärspeicher, hinzugefügt werden, ebenso wie ein dritter Wärmetauscher. Hierdurch ist es möglich, den Anstieg der Siedekurve bereits vor dem Siede- punkt ebenfalls effektiver zu nutzen, indem eine entsprechende Vorerhitzung von dem Gros der Erhitzung im Siedebereich des Dampfes vorweggenommen wird.

Rein baulich ist es möglich, die Speicher sowohl als separa- te, einzelne Behälter vorzusehen, wie auch eine Art Schicht ^¬ wärmespeicher vorzusehen, in welcher jede separierbare

Schicht als einzelner Speicher angesehen werden kann.

Erfindungsgemäß ist es ebenfalls möglich, die einzelnen

Erhitzungs- bzw. Abkühlungsstufen in zwei oder drei getrennten Sekundärkreisläufen mit unterschiedlichen Masseströmen zu betreiben, so dass sich hierdurch eine vereinfachte Handha ^¬ bung, aber auch eine etwas geringere Effizienz ergibt. Die Lösung mit den zusammengeführten Stufen stellt jedoch die im Folgenden beschriebene, bevorzugte Ausführung dar.

Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden an- hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen eine schematische Darstellung eines Zwei tank-Salzspeichersystems gemäß dem Stand der Technik,

Figur 2 ein Schaubild betreffend die Kurven zur

Be- und Entladung des Dampfstroms und zum Vergleich die Kurve des Salzschmelze ^¬ stroms bei einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik und gleichzeitiger Verwendung von Dampf als Wärmeträgermedium, Figur 3 eine schematische Darstellung eines er ^¬ findungsgemäßen Speichersystems, sowie

Figur 4 ein Schaubild betreffend die Kurven zur

Be- und Entladung des Dampfstroms sowie die Kurve des Salzschmelzestroms bei ei ^¬ ner Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung .

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Bypasses zwischen einer Leitung, welche von einer solaren Dampferzeuger 1 hin zu einer Dampfturbine 2 führt. Eine solche Anordnung wird üblicherweise mit synthetischem Ol und nicht mit Dampf betrieben. Es soll nunmehr jedoch der Effekt eines Betriebs mit Dampf als Wärmeträgermedium be ^¬ schrieben werden, um anschließend die Wirkungsweise der Er ^¬ findung zu verdeutlichen.

Die Bypassleitung 8 beinhaltet einen Wärmetauscher 12, durch dessen Primärseite 9 der eingangs überhitzte Dampf von dem solaren Dampferzeuger 1 seine Wärmeenergie in dem Wärmetau ^¬ scher 12 an ein Wärmespeichermedium abgibt. Das Wärmespeichermedium wird gleichzeitig in Gegenrichtung von einem Kaltspeicher 6 durch die Sekundärseite 10 des Wärmetauschers 12 in einen Heißspeicher 5 gepumpt, wobei es im Wärmetauscher 12 Wärmeenergie des Wärmeträgermediums, also des Dampfes, auf ^¬ nimmt .

Bei der Entladung des Heißspeichers 5 fließt also das Wärme ^¬ speichermedium durch den Wärmetauscher 12 in den Kaltspeicher 6 und gibt dabei die enthaltene Wärme an das Wärmeträgermedi ^¬ um ab. Das aufgeheizte Wärmeträgermedium fließt anschließend der Dampfturbine 2 zu und wird zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet. Um bei der Beladung des Heißspeichers 5 den Wärmeübergang im Wärmetauscher 12 zu gewährleisten, muss das Wärmeträgermedium eine höhere Temperatur haben als das Wärmespeichermedium. Bei der Entladung des Heißspeichers 5 ist dies genau umgekehrt. Demnach sind die Temperaturen des Wärmeträgermediums vor der Be- und nach der Entladung immer unterschiedlich .

Dies wirkt sich gemäß dem Schaubild in Figur 2 aus. Die Kurve der Entladung des Dampfstroms gibt die Temperatur des Dampfstroms über der übertragenen thermischen Energie wieder, wobei eine deutliche Knick-Form zu erkennen ist. Im vorliegen- den Beispiel im Bereich zwischen ca. 3000 und 4000 kW handelt es sich um überhitzten Dampf, welche bei der Abgabe von Energie zu einem Temperaturrückgang führt. Im Bereich von ca. 300 bis 3000 kW ist eine Temperaturänderung praktisch nicht zu verzeichnen, während unterhalb von 300 kW die Temperatur weiter absinkt.

Ahnlich, aber mit etwas anderen Eckpunkten verhält sich die Kurve betreffend die Beladung des DampfStroms 14. Zwischen diesen beiden Kuren ist die korrespondierende Kurve des Salz ^¬ schmelzestroms 15, also die Kennlinie des Wärmespeichermedi ^¬ ums, dargestellt. Diese liegt zwischen den beiden anderen Kurven, nachdem einerseits das Wärmespeichermedium vom Wärmeträgermedium nicht stärker erhitzt werden kann als dessen eigene Temperatur und umgekehrt dies auch bei der Rückgewinnung von Energie ebenfalls gilt.

Figur 3 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung, welche zwischen dem Heißspeicher 5 und dem Kaltspeicher 6 einen zusätzlichen Intermediärspeicher 7 vorsieht. Ebenfalls handelt es sich hierbei nicht mehr um eine Lösung mit einem Wärmetauscher 12, sondern vielmehr mit zwei Wärmetauschern 3 und 4. In Bezug auf das Wärmeträgermedium wird bei dessen Entladung bzw. der Beladung des Wärmespeichermediums zunächst der überhitzte Dampf über die Bypassleitung 8 in den Hochtemperaturwärmetau ^¬ scher 4 eintreten. Nach dessen Durchquerung wird der mittlerweile abgekühlte Dampf dann im Niedertemperaturwärmetauscher 3 nochmals Wärme an das Wärmespeichermedium übertragen und kondensieren. In umgekehrter Richtung wird bei der Beladung des Wärmespeichermediums dieses zunächst aus dem Kaltspeicher 6 in den Niedertemperaturwärmetauscher 3 gepumpt und anschließend in zwei Masseströme aufgeteilt. Ein Massestrom führt in den Intermediärspeicher 7, in welchem das durch den Niedertemperaturwärmetauscher 3 vorgewärmte Wärmespeichermedium gespeichert wird. Ein Anteil wird jedoch weiter in den Hochtemperaturwärmetauscher 4 geleitet, in welchem es mit dem überhitzten Dampf in der Leitung der Primärseite 9 die Wärme tauschen kann, so dass dieser Anteil des Wärmespeichermediums deutlich weiter aufgeheizt werden kann. Dieses deutlich weiter erhitzte Wärmespeichermedium wird sodann im Heißspeicher 5 gespeichert.

Entsprechend funktioniert die Rückgewinnung von Energie, in ^¬ dem das nunmehr in Gegenrichtung laufende und zuerst in den Niedertemperaturwärmetauscher 3 eintretende Wasser auf der Primärseite 9 verdampft wird und dann im weiteren Verlauf im Hochtemperaturwärmetauscher 4 überhitzt werden kann. Dies gelingt dadurch, dass die Überhitzung aufgrund des Wärmespei ^¬ chermediums aus dem Heißspeicher 5 erfolgen kann, wobei sich das im Zuge dieser Wärmeübertragung abkühlende Wärmespeichermedium dann mit einem zweiten Massestrom aus dem Intermediärspeicher 7 verbindet und dann den Niedertemperaturwärmetau ^¬ scher 3 versorgt.

Dementsprechend kann die Effizienz der Gesamtanordnung gemäß dem Schaubild in Figur 4 verbessert werden, nachdem es mög ^¬ lich ist, die Kurve des Salzschmelzestroms im Bereich ab ca. 3500 kW nach oben abzuknicken, also mit dem Eintritt in den Wärmetauscher 4 eine deutlich stärkere Erhitzung zu realisieren. Dies wirkt sich deutlich auf die Kurve der Beladung des Dampfstroms aus, so dass diese Anordnung im Ergebnis zu einer deutlich höheren Dampftemperatur führt, was die Effizienz der Dampfturbinen 2 merklich verbessert Im Schaubild trennt eine senkrechte Linie bei 3500 kW den Bereich, welcher durch den Wärmetauscher 3 erreicht wird von dem Bereich des Wärmetauschers 4. Vorstehend beschrieben ist somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Speicherung und Rückgewinnung von thermischer Energie, welche im Ergebnis durch eine Aufspaltung des Masse ^¬ stroms des Wärmespeichermediums und der nochmaligen Weiterer ^¬ hitzung lediglich eines Anteils dieses Massestroms mit über ^¬ hitztem Dampf deutlich mehr Wärme zu speichern und dadurch eine deutlich bessere Effizienz bei der Rückgewinnung von Energie zu erzielen vermag.

B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E

1 Solarer Dampferzeuger

2 Dampfturbine

3 Niedertemperaturwärmetauscher

4 Hochtemperaturwärmetauscher

5 Heißspeicher

6 KaltSpeicher

7 Intermediärspeieher

8 Bypassleitung

9 Primärseite

10 Sekundärseite

11 Verteiler

12 Wärmetauscher

13 Kurve Entladung des Dampfstroms

14 Kurve Beladung des Dampfstroms

15 Kurve Salzschmelzestrom