Verfahren zum Betrieb eines thermochemischen Wärmespeichers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb, insbesonde ^¬ re zum Beladen und Entladen, eines thermochemischen Wärmespeichers .

Die Arbeit, die zu dieser Erfindung geführt hat, wurde von dem Siebten Rahmenprogramm der Europäischen Union [FP7/2007- 2013] unter der Fördervereinbarung n° 282889 gefördert.

In solarthermischen Kraftwerken kann, beispielsweise mittels Parabolrinnenreceivern oder Turmreceivern, thermische Energie aus Sonneneinstrahlung gewonnen werden. Hierbei wird die thermische Energie auf ein Fluid übertragen, welches ther ^¬ misch mit einem Dampfkreislauf gekoppelt ist. Mittels des Dampfkreislaufes kann folglich die thermische Energie, das heißt Hochtemperaturwärme, in elektrische Energie gewandelt werden .

Allerdings ist die Erzeugung der elektrischen Energie direkt mit der Sonneneinstrahlung gekoppelt. Um die Erzeugung der elektrischen Energie von der Sonneneinstrahlung zu entkoppeln, werden nach dem Stand der Technik thermische Wärmespeicher im Dampfkreislauf des solarthermischen Kraftwerkes inte ^¬ griert. Die thermischen Wärmespeicher können, je nach Art und Größe, kurzfristige (Wolken) und/oder mittelfristige (Nacht) Pausen der Sonneneinstrahlung kompensieren. Nach dem Stand der Technik sind beispielsweise Betonspeicher, Salzspeicher oder Hochdruckwasserspeicher als thermische Wärmespeicher vorgesehen .

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effiziente Speicherung von thermischer Energie mittels eines thermochemischen Wärmespeichers zu ermöglichen. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. In den abhängigen Pa ^¬ tentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines thermo- chemischen Wärmespeichers wird in einem ersten Schritt durch ein Beladen des thermochemischen Wärmespeichers ein erster Wasserdampf erzeugt. In einem zweiten Schritt wird der erste Wasserdampf einem Wärmetauscher zugeführt. In einem dritten

Schritt wird der erste Wasserdampf mittels des Wärmetauschers unter einer wenigstens teilweisen Abgabe seiner thermischen Energie wenigstens teilweise zu Wasser kondensiert. In einem anschließenden vierten Schritt wird das Wasser unter Druck gesetzt. Mit anderen Worten erfolgt im vierten Schritt eine Erhöhung des Druckes des Wassers. Weiterhin wird erfindungs ^¬ gemäß in einem fünften Schritt das unter Druck gesetzte Was ^¬ ser zum Wärmetauscher rückgeführt. In einem sechsten Schritt erfolgt unter einer wenigstens teilweisen Aufnahme der im dritten Schritt vorher abgegeben thermischen Energie wenigstens eine teilweise Verdampfung des unter Druck gesetzten Wassers zu zweiten Wasserdampf. In einem siebten Schritt wird der zweite Wasserdampf wenigstens teilweise in einem Dampfspeicher gespeichert.

Es erfolgt somit eine rekuperative Abkühlung des beim Beladen entstehenden Wasserdampfes (erster Wasserdampf) . Der dadurch wenigstens teilweise verflüssigte erste Wasserdampf wird an ^¬ schließend unter Druck gesetzt, das heißt der Druck wird er- höht, und weiterhin rekuperativ unter der wenigstens teilwei ^¬ sen Aufnahme der bei der rekuperativen Abkühlung abgegeben thermischen Energie wieder erhitzt oder überhitzt. Dadurch wird erfindungsgemäß Wasserdampf (zweiter Wasserdampf) auf einem gegenüber dem ersten Wasserdampf erhöhten Druckniveau erzeugt.

Erfindungsgemäß erfolgt eine Speicherung des ersten Wasser ^¬ dampfes in Form des zweiten Wasserdampfes, welcher zweite Wasserdampf einen höheren Druck als der erste Wasserdampf aufweist. Dadurch wird vorteilhafterweise das Speichervolumen des DampfSpeichers gegenüber einer direkten Speicherung des ersten Wasserdampfes verringert. Je höher der Druck des zwei- ten Wasserdampfes, desto geringer das benötigte Speichervolu ^¬ men des DampfSpeichers .

Erfindungsgemäß wird vor dem unter Druck setzen (Erhöhung des Druckes) des kondensierten ersten Wasserdampfes (Wasser) ein Teil der thermischen Energie des ersten Wasserdampfes mittels des Wärmetauschers zurückgewonnen und auf das unter Druck ge ^¬ setzte Wasser zur Erzeugung des zweiten Wasserdampfes übertragen. Dadurch wird die energetische Effizienz des Verfahrens verbessert. Zudem wird vorteilhafterweise die für die Erhöhung des Druckes des Wassers benötigte Energie verringert und eine speichervolumensparende Speicherung des ersten Was ^¬ serdampfes, in Form des zweiten Wasserdampfes, ermöglicht.

Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Speicherung von Hochtemperaturwärme, beispielsweise eines so ^¬ larthermischen Kraftwerkes.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der zweite Wasserdampf dem thermochemischen Wärmespei- eher beim Entladen des thermochemischen Wärmespeichers wieder zugeführt .

Dadurch wird vorteilhafterweise der Wasserdampf, welcher zum Entladen des thermochemischen Wärmespeichers notwendig ist, durch den zweiten Wasserdampf bereitgestellt. Typischerweise muss der dem thermochemischen Wärmespeicher beim Entladen zugeführte Wasserdampf (zweiter Wasserdampf) einen größeren Druck als der beim Beladen erzeugte Wasserdampf (erster Wasserdampf) aufweisen. Vorteilhafterweise wird der größere Druck durch die Erhöhung des Druckes des Wassers und somit durch den zweiten Wasserdampf ermöglicht. Dadurch wird vorteilhafterweise die Speicherung des bei Beladen erzeugten Wasserdampfes (erster Wasserdampf) mit den Anforderungen an den Druck des Wasserdampfes (zweiter Wasserdampf) beim Entladen synergetisch kombiniert.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Ruths-DampfSpeicher als DampfSpeicher verwendet.

Bei der vorteilhaften Verwendung eines Ruths-DampfSpeicher wird der zweite Wasserdampf im Zustand der Sättigung gespeichert. Dadurch wird vorteilhafterweise ein besonders kompak- ter DampfSpeicher bereitgestellt.

Bevorzugt wird das Wasser unter einen Druck von wenigstens 0,5 MPa (Megapascal) gesetzt. Es erfolgt folglich bevorzugt eine Erhöhung des Druckes auf 0,5 MPa. Insbesondere ist eine Erhöhung des Druckes des Was ^¬ sers auf wenigstens 0,5 MPa und höchstens 2,0 MPa, insbeson ^¬ dere höchstens 1,6 MPa, von Vorteil. Bei der Verwendung eines Ruths-DampfSpeichers ist eine Erhöhung des Druckes des Was- sers auf wenigstens 1,5 MPa vorgesehen. Die genannten Druck ^¬ bereiche sind deshalb von Vorteil, da dadurch bekannte Dampf ^¬ speicher verwendet werden können. Generell kann aber der Druck des Wassers an den verwendeten DampfSpeicher angepasst sein .

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das unter Druck gesetzte Wasser vor seiner Rückführung zum Wärmetauscher erhitzt. Dadurch wird vorteilhafterweise das Verdampfen des Wassers zu zweiten Wasserdampf unterstützt. Beispielsweise kann die Er ^¬ hitzung des unter Druck gesetzten Wassers rekuperativ mittels eines weiteren Wärmetauschers erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird dem unter Druck gesetzten Wasser vor seiner Rückführung zum Wärmetauscher Frischwasser zugeführt. Vorteilhafterweise wird dadurch das Speichern des zweiten Wasserdampfes unterstützt und verbessert. Insbesondere am An ^¬ fang des Beiadens, das heißt bei einer ersten und/oder geringen Erzeugung des ersten Wasserdampfes, wird dadurch die rekuperative Abkühlung des ersten Wasserdampfes und die Er ^¬ zeugung des zweiten Wasserdampfes sichergestellt. Hierbei kann eine vorangehende Erhitzung des zugeführten Frischwas ^¬ sers, beispielsweise rekuperativ, vorgesehen sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann im

DampfSpeicher gespeicherter zweiter Wasserdampf zur Erzeugung von Frischwasser verwendet werden.

Insbesondere kann das dadurch erzeugte Frischwasser in einem Wasserspeicher gespeichert und dem unter Druck gesetzten Wasser, beispielsweise zeitversetzt, zugeführt werden. Eine rekuperative Abkühlung des zweiten Wasserdampfes zur Erzeu ^¬ gung des Frischwassers kann vorgesehen sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er ^¬ geben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Figur 1 ein schematisches Schaltbild für ein Beladen oder ein Entladen eines thermochemischen Wärmespeichers, wobei ein beim Beladen erzeugter Wasserdampf auf einem erhöhten Druckniveau in einem DampfSpeicher gespeichert wird; und Figur 2 ein weiteres schematisches Schaltbild für ein Bela ^¬ den oder ein Entladen eines thermochemischen Wärmespeichers, wobei ein beim Beladen erzeugter Wasserdampf auf einem erhöhten Druckniveau in einem

Ruths-DampfSpeicher gespeichert wird.

Gleichartige oder äquivalente Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Figur 1 zeigt ein schematisches Schaltbild für ein Beladen 100 oder Entladen 101 eines thermochemischen Wärmespeichers 2 gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei der thermochemische Wärmespeicher 2 auf CaO und Ca (OH) ₂ basiert.

Beim Beladen 100 des thermochemischen Wärmespeichers 2 wird ein erster Wasserdampf 40 erzeugt. Hierbei weist der erste Wasserdampf 40 eine Temperatur von 420 °C und einen Druck von 0,01 MPa auf. Der erste Wasserdampf 40 wird anschließend ei- nem Wärmetaucher 4 zur rekuperativen Abkühlung zugeführt. Dadurch kondensiert der erste Wasserdampf 40 wenigstens teil ^¬ weise zu Wasser 41. Das Wasser 41 weist hierbei eine Tempera ^¬ tur von 46 °C und einen Druck von 0,01 MPa auf. Zur Erhöhung des Druckes des Wassers 41, gegenüber dem Druck des konden- sierten Wasserdampfes 40, ist eine Pumpe 6 vorgesehen, die das Wasser 41 unter einen gegenüber 0,01 MPa erhöhten Druck von 0,5 MPa setzt. Die Temperatur des Wassers 41 bleibt bei der Erhöhung des Druckes mittels der Pumpe 6 annähernd kon ^¬ stant .

Das unter Druck gesetzte Wasser 41 wird wieder zum Wärmetauscher 4 rückgeführt. Im Wärmetauscher 4 wird die thermische Energie des ersten Wasserdampfes 40 auf das unter Druck ge ^¬ setzte Wasser 41 übertagen. Dadurch erfolgt eine Erhitzung oder Überhitzung des unter Druck gesetzten Wassers 41, sodass eine Verdampfung des unter Druck gesetzten Wassers 41 zu zweitem Wasserdampf 42 erfolgt. Der zweite Wasserdampf 42 weist eine Temperatur von annähernd 420 °C und einen Druck von 0,5 MPa auf. Folglich ist der Druck des zweiten Wasser- dampfes 42 gegenüber dem Druck des ersten Wasserdampfes 40 erhöht. Die Temperatur des zweiten Wasserdampfes 42 ent ^¬ spricht annähernd der Temperatur des ersten Wasserdampfes 40, wobei sich durch die Grädigkeit des Wärmetauschers 4 ein Tem ^¬ peraturunterschied ergeben kann.

Der zweite Wasserdampf 42 wird in einem DampfSpeicher 8 gespeichert. Aufgrund des gegenüber dem ersten Wasserdampf 41 erhöhten Druckes wird ein geringeres Speichervolumen zur Speicherung des zweiten Wasserdampfes 42 benötigt. Beispiels ^¬ weise ist ein Speichervolumen des DampfSpeichers 8 von etwa 2-10 ⁶ m ³ vorgesehen. Dadurch kann der zweite Wasserdampf 42 mit einem Massenstrom von etwa 100 kg/s über einen Zeitraum von 8 h gespeichert werden.

Beim Entladen 101 des thermochemischen Wärmespeichers 2 wird der mittels des DampfSpeichers 2 gespeicherte zweite Wasser ^¬ dampf 42 dem thermochemischen Wärmespeicher wieder zugeführt. Allerdings erfolgt die Zuführung des zweiten Wasserdampfes 42 unter einem Druck, welcher Druck gegenüber dem Druck des ersten Wasserdampfes 40 erhöht ist. Beispielsweise wird dem thermochemischen Wärmespeicher 2 der zweite Wasserdampf 42 mit einer Temperatur von 420 °C und einem Druck von 0,5 MPa zugeführt. Der Massenstrom des zweiten Wasserdampfes 42 kann hierbei etwa 50 kg/s, beispielsweise über einen Zeitraum von 16 h, betragen.

Wenigstens ein Teil des gespeicherten zweiten Wasserdampfes 42 kann mittels einer weiteren Pumpe 14 über einen weiteren Wärmetauscher 12 einem Wasserspeicher 10 zugeführt werden. Hierbei erfolgt eine rekuperative Abkühlung des zweiten Was ^¬ serdampfes 42 innerhalb des weiteren Wärmetauschers 12. Da ^¬ durch erfolgt eine wenigstens teilweise Kondensation des zweiten Wasserdampfes 42. Der kondensierte zweite Wasserdampf 42 wird im Wasserspeicher 10 gespeichert und kann im flüssi ^¬ gen Aggregatzustand dem unter Druck gesetzten Wasser 41 wieder zugeführt werden. In Figur 2 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des in Figur 1 gezeigten schematisierten Schaltbildes dargestellt. Hierbei zeigt Figur 2 im Wesentlichen dieselben Elemente wie bereits Figur 1. In Figur 2 wird der zweite Wasserdampf 42 in einem Ruths- DampfSpeicher 9 gespeichert. Hierzu erfolgt eine gegenüber Figur 1 erhöhte Erhöhung des Druckes des Wassers 41, bei der das Wasser 41 unter einen Druck von 1,55 MPa gesetzt wird. Hierbei weist das unter Druck gesetzte Wasser 41 eine Tempe ^¬ ratur von 46 °C auf.

Weiterhin ist beim Entladen des thermochemischen Wärmespei- chers 2 eine Leitung des gespeicherten zweiten Wasserdampfes 42 durch ein Expansionsventil 16 vorgesehen. Mit anderen Worten wird der Druck des gespeicherten zweiten Wasserdampfes 42 mittels des Expansionsventils 16, beispielsweise von 1,55 MPa auf 0,5 MPa, verringert. Nach dem Expansionsventil 16 weist der zweite Wasserdampf 42 eine Temperatur im Bereich von 150 °C und 200 °C auf.

Ferner ist aufgrund der Verwendung eines Ruths-DampfSpeichers 9 eine rekuperative Abkühlung des zweiten Wasserdampfes 42 zur Erzeugung von Frischwasser 43 nicht notwendig, sodass der weitere Wärmetauscher 12 aus Figur 1 entfallen kann.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.