ZUM SPEICHERN EINES SPEICHERFLUIDS

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speichern eines Speicherfluids, ein Energiespeicherverfahren sowie ein System zum Speichern eines Speicherfluids.

In industriellen Prozessen und Prozessen der Energiewirtschaft ist die Nutzung komprimierter Gase verbreitet. Die Bereitstellung ist mit einem hohen Energie- und Anlagenaufwand verbunden. Die Speicherung von Prozessmedien unter hohem Druck, insbesondere die Speicherung von Druckluft, bietet viele Vorteile, ist aber aufgrund der bisher geringen Anlagenwirkungsgrade nicht üblich.

Aus der EP 2 530 282 A1 und aus der DE 10 2010 050 428 A1 sind Druckspeicherkraftwerke bekannt. Problematisch sind bei herkömmlichen Speicherverfahren und Speichersystemen (a) mit den dort vorgesehenen Druckumwandlungsvorgängen im Zusammenhang stehende Wärmeverluste, (b) das Risiko der Eisbildung bei der Rückgewinnung der Energie auf Grund der Expansion der verwendeten Druckmedien und (c) die bisher notwendige Baugröße der Druckspeicher. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Speichern eines Speicherfluids, ein Energiespeicherverfahren sowie eine Vorrichtung zum Speichern eines Speicherfluids anzugeben, bei welchen mit besonders einfachen Mitteln in effizienter Art und Weise und mit einem hohen Maß an Sicherheit ein Speicherfluid in einem Druckspeicher ein- und ausgespeichert werden kann. Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Speichern eines Speicherfluids erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 , bei einem Energiespeicherverfahren erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 13 sowie bei einem System zum Speichern eines Speicherfluids erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Speichern eines Speicherfluids geschaffen, bei welchem das Speicherfluid zwischen einem ausgespeicherten Zustand bei einem niedrigeren Druck p1 a und einem eingespeicherten Zustand bei einem höheren Druck p1 e übertragen wird und beim Einspeichern der höhere Druck p1 e des Speicherfluids durch Kompression des Speicherfluids und beim Ausspeichern der niedrigere Druck p1 a des Speicherfluids durch adiabatische Expansion des Speicherfluids eingestellt werden, wobei beim Einspeichern bei der Kompression des Speicherfluids und beim Ausspeichern vor der Expansion des Speicherfluids eine Wärmemenge mit dem Wärmetauschfluid ganz oder teilweise ausgetauscht wird und indem das Wärmetauschfluid beim Einspeichern des Speicherfluids entsprechend - insbesondere simultan - expandiert und beim Ausspeichern des Speicherfluids entsprechend - insbesondere simultan - komprimiert wird.

Des Weiteren ist oder wird erfindungsgemäß die Kompression des Speicherfluids mit der Expansion des Wärmetauschfluids gekoppelt, die Expansion des Speicherfluids mit der Kompression des Wärmetauschfluids gekoppelt und/oder die Kopplung unter Austausch von Arbeit durchgeführt, wobei insbesondere bei einer Expansion freiwerdende Arbeit den Antrieb einer Kompression bewirkt.

Die Kompression und/oder die Expansion können jeweils adiabatisch oder im Wesentlichen adiabatisch durchgeführt werden.

Es ist also ein Kern der vorliegenden Erfindung, die beim Ein- und Ausspeichern des Speicherfluids erfolgenden Kompressionen und Expansionen durchzuführen und bei einer Kompression frei werdende Energie einem Wärmeaustauschfluid bereitzustellen beziehungsweise die für die entsprechende Expansion benötigte Wärmemenge diesem Wärmeaustauschfluid wieder zu entnehmen, um das bei der Expansion abgebaute Enthalpiegefälle zu kompensieren. Auf diese Weise bleibt die bei einer Kompression frei werdende Wärmemenge im System erhalten und geht nicht verloren. Die Wärmemenge wird von dem bei der Expansion sich abkühlenden Medium aus dem bei der Kompression sich erwärmenden Medium aufgenommen. Dies kann direkt in einem Wärmetauscher oder indirekt über ein wärmetransportierendes Zwischenmedium erfolgen. Des Weiteren wird eine Eisbildung beim Expandieren verhindert, weil auf Grund der bereitgestellten Wärmemenge ein Herunterkühlen des expandierten Mediums unter den Taupunkt oder den Eispunkt vermieden wird. Ein weiterer Kern der Erfindung ist die Kopplung von Kompression und Expansion des Speicherfluids mit einer Expansion bzw. Kompression eines Wärmetauschfluids unter Verrichtung bzw. Aufnahme von Arbeit.

Im Sinne der Erfindung sollen sämtliche Prozesse der Übertragung einer Wärmemenge zwischen dem Speicherfluid und dem Wärmetauschfluid umfasst sein. D.h., es kann eine positive Wärmemenge - also Wärme - übertragen werden, nämlich durch Energieübergang vom wärmeren Fluid zum kälteren Fluid. Andererseits kann das erfindungsgemäße Konzept auch aufgefasst werden im Zusammenhang mit der Übertragung einer negativen Wärmemenge - also von Kälte - vom kälteren Fluid zum wärmeren Fluid, nämlich physikalisch ebenfalls durch Energieübergang vom wärmeren Fluid zum kälteren Fluid.

Insbesondere kann beim Einspeichern bei der Kompression des Speicherfluids eine frei werdende Wärmemenge an das Wärmetauschfluid abgegeben und beim Ausspeichern bei der Expansion des Speicherfluids eine benötigte Wärmemenge aus dem Wärmetauschfluid entnommen werden. Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Speichern eines Speicherfluids ist oder wird die Kompression des Speicherfluids mit der Expansion des Wärmetauschfluids gekoppelt, die Expansion des Speicherfluids mit der Kompression des Wärmetauschfluids gekoppelt und/oder die Kopplung unter Austausch von Arbeit durchgeführt, insbesondere von mechanischer Arbeit. Insbesondere wird bei einer Expansion freiwerdende mechanische Arbeit verwendet, um den Antrieb einer Kompression zu bewirken. Durch die Kopplung über den Austausch von Arbeit kann ein besonders effizienter Prozessverlauf erzielt werden, weil die für die Kompression benötigte Energie aus einer jeweils parallel stattfindenden Expansion gewonnen werden kann. Ausschließlich etwaig auftretende Verluste wären durch den Betrieb eines zusätzlichen Aggregats, zum Beispiel eines Motors oder dergleichen, zu kompensieren.

Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung können die Kopplung und/oder der Austausch von Arbeit direkt oder indirekt, hydraulisch und/oder elektrisch erfolgen.

Insbesondere kann der Austausch einer Wärmemenge indirekt über ein weiteres Wärmeträgermedium erfolgen. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltungsform wird beim Einspeichern des Speicherfluids das Wärmetauschfluid von einem Zustand bei einem höheren Druck p2a in einen Zustand bei einem niedrigeren Druck p2e überführt und/oder beim Ausspeichern des Speicherfluids das Wärmetauschfluid von einem Zustand bei einem niedrigeren Druck p2e in einen Zustand bei einem höheren Druck p2a überführt. Auf Grund der internen Wärmerückführung und den damit verbundenen hohen Wirkungsgraden können auch weitaus höhere Enddrücke als bisher beim Speicherfluid erzeugt werden, so dass sich auch eine mögliche Verringerung des Bauvolumens einer dem Verfahren zu Grunde liegenden Speicheranlage auf Grund der höheren Kompressionsrate ergibt.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der niedrigere Druck p2e des Wärmetauschfluids niedriger ist als der niedrigere Druck p1 a des Speicherfluids im ausgespeicherten Zustand und entspricht vorzugsweise einem Atmosphären- oder Umgebungsdruck. Es sind auch niedrigere Drücke möglich, z.B. wenn es sich bei dem Wärmetauschfluid um einen Dampf handelt.

Alternativ oder zusätzlich dazu kann es bei einer anderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass der höhere Druck p2a des Wärmetauschfluids dem niedrigeren Druck p1 a des Speicherfluids im ausgespeicherten Zustand entspricht. Besonders einfache Verhältnisse stellen sich ein, wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Speicherfluid und das Wärmeaustauschfluid von demselben kompressiblen Fluid gebildet werden. Dabei kann insbesondere Luft verwendet werden. Ferner können alternativ oder zusätzlich das Speicherfluid und das Wärmeaustauschfluid aus derselben Quelle entnommen sein.

Es lassen sich weitere prozesstechnische Vorteile und ein besonders geeigneter konstruktiver Aufbau für eine dem Verfahren zu Grunde liegende Anlage erreichen, wenn das das Einspeichern und/oder das Ausspeichern des Speicherfluids mit einer Mehrzahl auf einander folgender adiabatischer Kompressions- bzw. Expansionsschritte am Speicherfluid erfolgen, insbesondere mit einer entsprechenden Anzahl von thermisch, mechanisch und/oder elektrisch gekoppelten adiabatischen Expansions- bzw. Kompressionsschritten am Wärmetauschfluid und/oder mit isobaren Wärmetauschschritten mit dem Wärmetauschfluid. Bei hohen Druckverhältnissen zwischen p1 e und p1 a bzw. zwischen p2e und p2a können durch die mehrstufige Ausführung hohe Temperaturen und damit verbundene Verluste und höhere Materialanforderungen - insbesondere in den Kompressoren und in den Wärmetauschern - vermieden werden.

Allgemein können für maximale Effizienz die Massenströme so gewählt werden, dass jeweils die Wärmekapazitäten der Wärme tauschenden Ströme gleich sind. Dies geschieht über die Wahl eines zumindest rationalen Massenstromverhältnisses, welches besonders einfach zu 1 :1 gewählt werden kann, und gegebenenfalls durch Aufteilung der Massenströme auf verschiedene Wärmetauscher. _c

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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere dann einen besonders einfachen Ablauf und eine besonders ökonomische Struktur für eine dem Verfahren zu Grunde liegende Anlage, wenn das Speicherfluid und das Warmetauschfluid (A) beim Einspeichern des Speicherfluids aus einer gemeinsamen Quelle entnommen werden, insbesondere durch Aufspalten eines Quellenstroms, vorzugsweise in einem rationalen Massenstromverhältnis und weiter bevorzugt im Verhältnis 1 :1 , und/oder (B) beim Ausspeichern des Speicherfluids an eine gemeinsame Senke abgegeben werden, insbesondere zurück an eine Quelle.

Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden am Speicherfluid und/oder am Wärmetauschfluid eine Trocknung über Adsorption oder Absorption und/oder eine Regenerierung mit trockenem und/oder warmem Fluid durchgeführt.

Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass Wärme und/oder Kälte entnommen werden, insbesondere für eine externe Nutzung, in Form von Hochtemperaturwärme und/oder bis zu einer Verdichtungsendtemperatur. Ferner ist es alternativ oder zusätzlich denkbar eine Wärmemenge in Form von Kälte zu übertragen, wobei insbesondere vor einer Kompression des Speicherfluids dieses abgekühlt wird, vorzugsweise durch die Kälte, die durch eine Expansion des Wärmetauschfluids erzeugt wird, wobei das Wärmetauschfluid vor der Expansion insbesondere nicht erwärmt wird. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Energiespeicherverfahren geschaffen, bei welchem Energie einer ersten Form, insbesondere mechanische Energie und/oder elektrische Energie, in Druckenergie eines kompressiblen Speicherfluids gewandelt oder aus Druckenergie des Speicherfluids gewonnen wird. Dabei wird das Speicherfluid insbesondere gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Speichern eines Speicherfluids gespeichert, das heißt eingespeichert oder ausgespeichert im Hinblick auf ein Reservoir für das Speicherfluid.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein System zum Speichern eines Speicherfluids geschaffen. Dieses ist insbesondere dazu ausgebildet und weist Mittel auf, ein Verfahren zum Speichern eines Speicherfluids gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen oder in einem solchen Verfahren verwendet zu werden.

Das erfindungsgemäße System zum Speichern eines Speicherfluids ist insbesondere ausgebildet mit einer Transfereinheit zum Übertragen des Speicherfluids zwischen einem ausgespeicherten Zustand bei einem niedrigerem Druck p1 a und einem eingespeicherten Zustand bei einem höherem Druck p1 e. Die Transfereinheit weist eine Kompressions-Expansions-Einheit auf, welche eingerichtet ist zur Kompression des Speicherfluids zum höheren Druck p1 e und zur entsprechenden - insbesondere simultanen - Expansion des Warmetauschfluids beim Einspeichern des Speicherfluids und zur adiabatischen Expansion des Speicherfluids zum niedrigeren Druck p1 a und zur entsprechenden - insbesondere simultanen - Kompression des Warmetauschfluids beim Ausspeichern des Speicherfluids.

Ferner ist eine für das Speicherfluid und für das Wärmetauschfluid gemeinsame Wärmetauscheinheit ausgebildet, welche eingerichtet ist, beim Einspeichern bei der Kompression des Speicherfluids eine frei werdende Wärmemenge an das Wärmetauschfluid abzugeben und beim Ausspeichern bei der Expansion des Speicherfluids eine benötigte Wärmemenge aus dem Wärmetauschfluid zu entnehmen.

Das System ist ferner dazu eingerichtet, die Kompression des Speicherfluids mit der Expansion des Wärmetauschfluids zu koppeln, die Expansion des Speicherfluids mit der Kompression des Wärmetauschfluids zu koppeln und die Kopplung unter Austausch von Arbeit zu bewirken, wobei insbesondere bei einer Expansion gewonnene Arbeit zum Antreiben einer Kompression verwendet wird.

Ein Kernaspekt des erfindungsgemäßen Systems zum Speichern eines Speicherfluids ist somit das Vorsehen einer Kompressions-Expansions-Einheit und einer für das Speicherfluid und das Wärmetauschfluid gemeinsamen Wärmetauscheinheit innerhalb einer Transfereinheit.

Dabei bewirkt die erfindungsgemäß vorgesehene gemeinsame Wärmetauscheinheit den Austausch eine Wärmemenge zwischen dem Wärmetauschfluid und dem Speicherfluid im Zusammenhang mit den von der Kompressions-Expansions-Einheit geführten Kompressionen und Expansionen am Speicherfluid einerseits und am Wärmetauschfluid andererseits.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems weist die Kompressions-Expansions-Einheit eine erste Kompressions-Expansions-Einrichtung für das Speicherfluid und eine zweite Kompressions-Expansions-Einrichtung für das Wärmetauschfluid auf. Die erste und die zweite Kompressions-Expansions-Einrichtung sind miteinander zum Austausch von Arbeit - insbesondere über eine gemeinsame Welle und/oder ein Getriebe - und derart gekoppelt sind, dass bei einer Expansion freiwerdende Arbeit den Antrieb einer Kompression bewirkt. Alternativ kann die Arbeit auch in einem elektrischen Generator in elektrische Energie umgewandelt und in Form von elektrischem Strom an einem elektrischen Motor abgegeben werden, der den Kompressor antreibt.

Gemäß dieser Ausgestaltungsform findet eine Kopplung der Kompressions-Expansions- Einrichtungen des Speicherfluids und des Warmetauschfluids über den Austausch von Arbeit statt, so dass eine jegliche Kompression energetisch von einer Expansion - zumindest teilweise - betreibbar ist.

Im Idealfall wird somit nur ein höchstens geringer zusätzlicher mechanischer Antrieb benötigt, nämlich um Verluste auszugleichen.

Der Austausch von Wärme vom Speicherfluid an das Wärmetauschfluid kann auch indirekt über ein drittes Wärmeübertragerfluid erfolgen.

Für die Kompression sind alle üblichen Kompressorarten geeignet, insbesondere können aber auch Turbolader mit der vorhandenen mechanischen Kopplung genutzt werden.

Des Weiteren können Kolbenkompressoren eingesetzt werden, insbesondere auch Freikolbenmaschinen, indem gleichzeitig ein Fluid komprimiert und ein anderes Fluid expandiert werden kann, oder mechanisch angetriebene Doppelkolben.

Die für die Kompensation der Verluste notwendige Leistung kann auch über einen separaten elektrisch oder mechanisch angetriebenen Kompressor erfolgen.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Figuren 1 und 2 sind schematische Blockdiagramme, die eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zum Speichern eines Speicherfluids im Zusammenhang mit einem Prozess des Einspeicherns beziehungsweise des Ausspeicherns des Speicherfluids zeigen.

Figuren 3A bis 4B zeigen ebenfalls nach Art schematischer Blockdiagramme andere

Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems zum Speichern eines Speicherfluids, und zwar im Zusammenhang mit Vorgängen des Einspeichern und des Ausspeicherns unter Verwendung zweistufiger Kompressions- und Expansionsprozesse.

Figuren 5 bis 8 zeigen schematische p-V- sowie T-S-Diagramme zu entsprechenden idealisierten Prozessen des Einspeicherns und Ausspeicherns für Ausführungsformen erfindungsgemäßer Systeme zum Speichern eines o

Speicherfluids auf der Grundlage zweistufiger Expansions- und Kompressionsprozesse.

Figuren 9 bis 16 zeigen schematische Blockdiagramme zu anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems zum Speichern eines Speicherfluids. Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 16 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben. Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 wird eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 100 zum Speichern eines Speicherfluids 1 beschrieben. Das in den Figuren 1 und 2 gezeigte System 100 zum Speichern eines Speicherfluids 1 beruht auf einem einstufigen Prozess der Kompression und Expansion. Die grundsätzliche Konzeption kann von den Figuren 1 und 2 auch auf die Darstellung der weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems 100 zum Speichern eines Speicherfluids 1 gemäß den weiteren Figuren 3A bis 4B übertragen werden. Im Sinne der Erfindung wird das erfindungsgemäße System 100 zum Speichern eines Speicherfluids 1 auch als Speichersystem oder Druckspeichersystem bezeichnet. Nachfolgend werden diese Begriffe synonym verwendet.

Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße System 100 zum Speichern eines Speicherfluids 1 besteht dem Kern nach aus einer Quelle 10, die auch als Quelleneinheit bezeichnet wird, und einer Speichereinheit 50, die auch als Speicher bezeichnet wird und der Aufnahme des Speicherfluids 1 mit erhöhtem Druck p1 e dient.

Zur Übertragung des Speicherfluids 1 von der Quelle 10 mit geringerem Druck p1 a zum Speicher 50 mit höherem Druck p1 e ist eine Transfereinheit 20 ausgebildet.

Die Transfereinheit 20 besteht aus einer Kompressions-Expansionseinheit 30, einer Wärmetauscheinheit 40 sowie Leitungssystemen 60 und 70 für das Speicherfluid 1 bzw. für das Wärmetauschfluid 2. Die Leitungssysteme 60 und 70 werden jeweils von mehreren Leitungen 61 bis 63 beziehungsweise 71 bis 73 gebildet. Bei der Quelle 10 kann es sich um eine übliche Druckluftquelle handeln, zum Beispiel um einen Drucklufttank, oder um den Ausgang eines Kompressors. Es sind jedoch beliebige andere Quellen oder Teilquellen in Kombination miteinander denkbar.

Über eine Leitung 61 wird das Speicherfluid 1 aus einer Druckfluidquelle 1 1 der Quelleneinheit 10 einer ersten Kompressions-Expansions-Einrichtung 31 der Kompressions-Expansions-Einheit 30 zugeführt.

Dadurch wird das Speicherfluid 1 von einem Zustand mit einem vergleichsweise niedrigeren Druck p1 a zu einem Zustand mit einem vergleichsweise höheren Druck p1 e komprimiert. Dadurch erhöht sich zunächst auch die Temperatur von einem vergleichsweise niedrigeren Wert T1 a zu einem vergleichsweise höheren Zwischenwert Ti e'. Jedoch wird die Kompression in der ersten Kompressions-Expansions-Einrichtung 31 durch Nachschalten eines Wärmetauschers 41 der Wärmetauscheinheit 40 in einem adiabatischen und insgesamt isothermen Prozess geführt, indem im Wärmetauscher 41 eine Wärmemenge vom komprimierten Speicherfluid 1 ausgekoppelt wird, so dass nach Durchlaufen des Wärmetauschers 41 im Bereich der zur Speichereinheit 50 führenden Leitung 63 sich eine zur Temperatur Ti e' vergleichsweise geringere Temperatur Ti e im Speicherfluid 1 einstellt, insbesondere nach Einspeicherung in der Speichereinheit 50.

Diese Speichertemperatur Ti e kann insbesondere mit der ersten und vergleichsweise niedrigeren Ausgangstemperatur T1 a übereinstimmen oder nahezu übereinstimmen.

Erfindungsgemäß geht die im Wärmetauscher 41 vom Speicherfluid 1 abgegebene Wärmemenge nicht verloren, sondern wird dazu genutzt, das Wärmetauschfluid 2 zu erwärmen.

Das Wärmetauschfluid 2 wird in der Ausführungsform der Figur 1 über eine Leitung 71 als abgezweigter Volumenstrom aus der Druckfluidquelle 1 1 der Quelleneinheit 10 abgezweigt, durchläuft den Wärmetauscher 41 , nimmt dort die Wärmemenge vom komprimierten Speicherfluid 1 auf und gelangt dann über die Leitung 72 in die zweite Kompressions- Expansions-Einrichtung 32 der Kompressions-Expansions-Einheit 30.

Dieses Vorgehen ist jedoch nicht zwingend. Vielmehr kann das Wärmetauschfluid 2 alternativ ganz oder teilweise aus einer separaten Quelle zugeführt werden.

Das Wärmetauschfluid 2 besitzt dem Ursprung nach zunächst einen vergleichsweise niedrigeren Druck p2a, welcher in diesem speziellen Fall auf Grund der Abzweigung des Wärmetauschfluids 2 aus derselben Fluidquelle 1 1 identisch ist mit dem ersten vergleichsweise niedrigeren Druck p1 a des Speicherfluids 1 im ausgespeicherten Zustand.

Nach dem Durchlaufen des Wärmetauschers 41 ist die Temperatur des Warmetauschfluids vom vergleichsweise niedrigen Wert T2a auf einen vergleichsweise höheren Zwischenwert T2a' angehoben.

Jedoch erfolgt in der zweiten Kompressions-Expansions-Einrichtung 32 für das Warmetauschfluid 2 in adiabatischer Form eine Expansion, so dass die aus der Kompression des Speicherfluids 1 übernommene Wärmemenge unter Gewinn von mechanischer Arbeit zum Antrieb der Kompression in der ersten Kompressions- Expansions-Einrichtung 31 für das Speicherfluid 1 und unter Abkühlung des Wärmetauschfluids 2 erneut auf einen vergleichsweise niedrigeren Wert T2e abgesenkt wird, der insbesondere identisch sein kann mit dem Wert der ursprünglichen ersten und niedrigeren Temperatur T2a.

Nach der adiabatischen Expansion in der zweiten Kompressions-Expansions- Einrichtung 32 für das Wärmetauschfluid 2, geht das Wärmetauschfluid 2 über die Leitung 73 zurück in die Quelleneinheit 10 und dort zum Beispiel in die Umgebung 13 oder alternativ in ein Reservoir mit höherem Druckniveau.

Der in der zweiten Kompressions-Expansionseinrichtung 32 eingerichtete zweite und vergleichsweise niedrigere Druck p2e des Wärmetauschfluids 2 kann hier dem Atmosphärendruck entsprechen und zum Beispiel auch tiefer liegen als der erste und niedrigere Druck p1 a des Speicherfluids 1 im ursprünglichen oder ausgespeicherten Zustand in der Druckfluidquelle 1 1.

Figur 2 zeigt das in Figur 1 im Hinblick auf das Einspeichern dargestellte System 100 zum Speichern eines Speicherfluids 1 im Zusammenhang mit einem Vorgang des Ausspeicherns. Das Ausspeichern geschieht im Zusammenhang mit einem einstufigen Kompressions-Expansions-Prozess.

Dabei wird aus der Speichereinheit 50 das Speicherfluid 1 , welches sich in einem Zustand mit einem zweiten und vergleichsweise höheren Druck p1 e befindet, über die Leitung 63 abgelassen, durchläuft den Wärmetauscher 41 der Wärmetauscheinheit 40 und nimmt dabei eine Wärmemenge aus dem Wärmetauschfluid 2 auf, um so temporär von einer niedrigeren Temperatur Ti e auf eine höhere Zwischentemperatur T1 a' zu gelangen. Es wird dann über die Leitung 62 der ersten Kompressions-Expansions- Einrichtung 31 für das Speicherfluid 1 zugeführt, die nunmehr als Expander fungiert. Es wird dort einer Expansion unterzogen, wobei das Speicherfluid 1 einen Zustand mit einem vergleichsweise niedrigeren Druck p1 a einnimmt, welcher dem ursprünglichen Druckzustand aus der Quelleneinheit 10 entspricht, und gelangt dann über die Leitung 61 zurück in die Quelleneinheit 10, die in diesem Zusammenhang als Senke 12 für das Speicherfluid 1 fungiert. Andererseits wird der Quelleneinheit 10 und dort zum Beispiel der Umgebung 13 über die Leitung 73 das Wärmeaustauschfluid 2 entnommen. Es wird der zweiten Kompressions-Expansions-Einrichtung 32 für das Wärmetauschfluid 2 zur Kompression zugeführt, welche über die aus der Expansion des Speicherfluids 1 gewonnene Arbeit gespeist wird, und gelangt mit gesteigerter Temperatur T2a' über die Leitung 72 zum Wärmetauscher 41 , um dort die Wärmemenge an das Druckfluid 1 für die adiabatische Expansion bereitzustellen. Über die Leitung 71 gelangt es vereint mit der Leitung 61 nach Durchlaufen des Wärmetauschers 41 zurück in den expandierten Strom des Speicherfluids 1 und mithin zurück in die Quelleneinheit 10, die als Druckfluidsenke 12 fungiert. In beiden Anordnungen der Figuren 1 und 2 werden die Motoren 33 und 33 ^' genutzt, um in nicht idealen Prozessen auftretende Exergieverluste - z.B. Verlust an Arbeitsfähigkeit und/oder potentieller Energie - durch irreversible Prozesse auszugleichen.

Die Figuren 15 und 16 zeigen jeweils für den Einspeichervorgang Verallgemeinerungen der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Druckspeichersystems 100 aus den Figuren 1 und 2.

Bei diesen Verallgemeinerungen besteht die Quelleneinheit 10 aus drei Quellenkomponenten 10-1 , 10-2 und 10-3, über welche im Zusammenwirken mit der Speichereinheit 50 die Druck- und Temperaturniveaus p1 a, p1 e; T1 a, Ti e sowie p2a, p2e; T2a, T2e des Speicherfluids 1 und des Wärmetauschfluids 2 im ausgespeicherten und im eingespeicherten Zustand des Speicherfluids 1 realisiert werden.

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 15 wird Kompressionswärme aus der Kompression des Speicherfluids 1 an das zu expandierende Wärmetauschfluid 2 übertragen. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 16 wird Expansionskälte aus der Expansion des Wärmetauschfluids 2 an das zu komprimierende Speicherfluid 1 übertragen.

Die Figuren 3A, 3B und 4A, 4B zeigen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 100 zum Speichern eines Speicherfluids 1 , welche auf der Grundlage eines zweistufigen Kompressions-Expansions-Prozesses aufgebaut ist und welche mithin zwei Kompressions-Expansions-Einrichtungen 31 , 31 ' und 32, 32' für das Speicherfluid 1 bzw. für das Wärmetauschfluid 2 und entsprechend erste und zweite gemeinsame Wärmetauscher 41 beziehungsweise 42 in der Wärmetauscheinheit 40 aufweist. Zur Verbindung sind entsprechende zusätzliche Leitungen 61 ^' , 62 ^' , 72', 73' in den Leitungssystemen 60 bzw. 70 ausgebildet.

Die Figuren 3B und 4B zeigen dabei jeweils konkrete Ausführungsformen mit speziellen Werten für Druck und Temperatur.

Die Figuren 5 bis 8 zeigen in der Form von p-V- und T-S-Diagrammen thermodynamische Aspekte des Betriebs der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 100 zum Speichern eines Speicherfluids 1 gemäß den Figuren 1 und 2.

Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann z.B. ein Anteil von 2 kg/s eines Stroms an Druckluft mithilfe des neu entwickelten Konzepts als Speicherfluid 1 ein- und wieder ausgespeichert werden. In einem Verhältnis von z.B. 1 :1 wird die Druckluft aufgeteilt. Ein erster Teilstrom - von z.B. 1 kg/s und in den Figuren 1 bis 4B mit 1 gekennzeichnet - wird unter Aufwendung von mechanischer Arbeit auf ein hohes Druckniveau von z.B. p1 e = 100 bar verdichtet, wobei er sich erwärmt.

Die anfallende Wärme wird in einem Wärmeübertrager 40, 41 an den zweiten Teilstromstrom, in den Figuren 1 bis 4B mit 2 bezeichnet, übertragen, wonach der erste Strom 1 wieder nahezu die Ausgangstemperatur Ti e = T1 a erreicht. Anschließend wird der erste Teilstrom 1 auf dem hohen Druck p1 e eingespeichert. Der zweite Teilstrom 2 - z.B. mit 1 kg/s - wird nach Erwärmung auf die Temperatur T2e' unter Gewinnung von Arbeit auf ein niedrigeres Druckniveau von z.B. p2e = 1 bar entspannt, wobei er sich abkühlt und ebenfalls wieder nahezu die Ausgangstemperatur T2e = T2a erreicht. Diese Luft wird dann in die Umgebung entlassen.

Die Figuren 3A und 3B zeigen den beschriebenen Prozess des Einspeicherns in einer besonders effizienten zweistufigen Variante.

Soll die Druckluft als Speicherfluid 1 wieder ausgespeichert werden, so kann 1 kg/s Luft als Wärmetauschfluid 2 aus der Umgebung bei einem Druck p1 e = 1 bar unter Aufwendung von Arbeit auf das mittlere Druckniveau p2a' = 10 bar verdichtet werden. Gleichzeitig wird 1 kg/s Hochdruckluft als Speicherfluid mit p1 e = 100 bar aus dem Speicher 50 entnommen. Die Abwärme der Verdichtung der Umgebungsluft wird an die Hochdruckluft übertragen, worauf diese auf das mittlere Druckniveau p1 a' = 10 bar unter Gewinnung von Arbeit entspannt wird. Es stehen am Ende des Zyklus damit wieder 2 kg/s Druckluft aus dem Prozessdruck zur Verfügung.

Die Figuren 4A und 4B zeigen den Ausspeicherprozess mit zweistufiger Verdichtung und Expansion. Das System 100 speichert anstelle von 2 kg/s Druckluft bei 10 bar die potentielle Energie der Druckluft als Speicherfluid 2 in Form von 1 kg/s Druckluft bei 100 bar. Das benötigte Speichervolumen wird somit im Beispiel um einen Faktor 20 reduziert.

Wenn ideale Wärmetauscher 40, 41 und Verdichter 30, 31 , 31 ', 32, 32' ohne Wärmeverluste zur Verfügung stünden, so wäre das System 100 vollständig reversibel und es würde zur Speicherung keine Arbeit benötigt.

Mit realen Komponenten muss zur Kompensation von Verlusten sowohl während des Ein- wie Ausspeicherns zusätzliche Arbeit aufgewendet werden, z.B. durch den Einsatz eines Antriebs 33, 33'.

Die Integration eines solchen Systems 100 in ein bestehendes Druckluftnetz bietet dem Industriebetrieb die Möglichkeit, seinen Strombedarf zeitlich zu verschieben. Damit können die Stromkosten reduziert werden. Aber es lassen sich auch die Entgelte für die Netznutzung reduzieren, wenn Strombezugsspitzen vermieden werden können. Ein weiterer Vorteil kann die zusätzliche Absicherung der Druckluftversorgung mithilfe des Speichers sein. Back-Up- Kompressoren werden also überflüssig. Verallgemeinerung und Erweiterungen

(1 ) Allgemeiner formuliert können mehrere Kompressions-/Expansionsstufen mit rationalen Verhältnissen der Massenströme eingesetzt werden, z.B. 2:3, d.h. es werden von 5 kg/s Druckluft als Speicherfluid 1 am Eintritt 2 kg/s in drei Stufen verdichtet und 3 kg/s in zwei Stufen entspannt. Entscheidend hierbei ist, dass die Effizienz der Anlage am höchsten ist, wenn die bei der

Verdichtung anfallende Wärme exakt dem Wärmebedarf des zu expandierenden Luftstroms entspricht, sodass weder kalte, noch warme Luft in die Umgebung oder an den Speicher abgegeben wird. Wird einer der beiden Massenströme erhöht, muss somit dessen Druckverhältnis abgesenkt werden. (2) Weiterhin können zwei verschiedene Medien, z.B. Luft und Erdgas, Dampf und Luft, etc., eingesetzt werden. Auch hierbei ist die Effizienz optimal, wenn die kumulierte Wärmekapazität beider Ströme gleich ist. Dies kann beispielsweise bei einer Erdgasspeicheranlage (Kaverne) genutzt werden, wo für das Einspeichern eine Druckerhöhung und für das Ausspeichern eine Druckerniedrigung notwendig ist. Dabei kann Energie eingespart werden, wenn die potentielle Energie der Verdichtung z.B. in Form von Druckluft gespeichert wird.

(3) Entsprechende Anlagen können zudem prinzipiell für noch höhere Drücke kaskadiert werden.

(4) Die entspannte Druckluft weist eine geringe relative Feuchte auf und kann in Druckluftsystemen als Spülluft für einen Membrantrockner genutzt werden.

(5) Überschüssiger Dampf auf niedrigem Druckniveau (z.B. 1 bar) kann in Industrieanlagen zur Drucklufterzeugung genutzt werden oder zur Rückverstromung der Druckluftabwärme dienen.

(6) Besonders vorteilhaft kann die Anlagenkonfiguration zur Hochdruckspeicherung in Druckluftspeicherkraftwerken mit Hochdruckspeicherung (200 bar bis 500 bar) genutzt werden, wobei der Vorteil in dem verringerten Speichervolumen und der Rückverstromung der Wärme besteht. (7) Anfallende Restwärme mit Fluidtemperaturen von z.B. 50 °C bis 100 °C kann für Heizzwecke verwendet werden.

Ein Kern einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die gleichzeitige Kompression und Expansion von Medien mit Wärmetausch, wodurch vorteilhaft der Exergiegehalt der Kompressionswärme, das heißt der nutzbare Anteil der Energie, größtenteils wieder in Arbeit umgesetzt wird.

Aus den Figuren 5, 6 und 7, 8 ergeben sich für das Einspeichern bzw. das Ausspeichern folgende Zusammenhänge:

Das Einspeichern des Speicherfluids 1 umfasst gemäß den Figuren 5 und 6 folgende Vorgänge der adiabatischen Verdichtung 1 => 2, der isobaren Abkühlung 2 => 3, der isobaren Erwärmung 1 ^' => 2 ^' und er adiabatischen Expansion 2 ^' => 3 ^' .

Das Ausspeichern der Speicherfluids 1 ist die Umkehrung von 3 und 3 ^' nach 1 und 1 ^' . Dabei entspricht das Niveau 3 ^' dem Umgebungsdruck und der Umgebungstemperatur.

Das optimale Massenstromverhältnis zwischen Speicherfluid 1 zu Wärmetauschfluid 2 ist abhängig von den gewählten Druckniveaus. Im gezeigten Beispiel der Figuren 3A bis 4B sind die Druckniveaus mit 1 bar, 10 bar und 100 bar so gewählt, dass das Druckverhältnis der Verdichtung bei 10 gleich dem Druckverhältnis der Entspannung bei 10 ist. In diesem Fall sind Einspeicher- und Kühlgasstrom gleich groß _c

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zu wählen, damit der Anteil an rekuperierter Wärme und damit auch der Systemwirkungsgrad maximal werden. Ist das Druckverhältnis bei der Verdichtung z.B. 100 (2x Verdichtung um Faktor 10 mit anschließender Abkühlung), sollte möglichst nur halb so viel Massenstrom verdichtet werden wie entspannt wird (der zu entspannende Massenstrom wird vor der Expansion in 2 Teile geteilt, welche je einmal die Wärme der komprimierten Luft aufnehmen).

Das Massenstromverhältnis bei identischen Medien für Kompression und Expansion folgt im Idealfall dem folgenden Potenzgesetz: wobei für x prinzipiell beliebige rationelle Zahlen eingesetzt werden können. Dabei wird die Wärmetauscheranordnung ggf. etwas komplizierter.

Allgemeiner formuliert müssen bei verschiedenen Medien die Wärmekapazitäten Ci, C ₂ der Stoffströme in den Wärmetauschern 40, 41 gleich sein, damit möglichst geringe Exergieverluste auftreten. Gegebenenfalls müssen dann für einen möglichst idealen Prozess unterschiedliche Druckverhältnisse gewählt werden (damit der„Temperaturhub" gleich ist). Die Überlegenheit der Erfindung resultiert aber nicht nur aus der Energiebilanz mit weniger Verlusten sondern wesentlich aus den kleineren Komponenten, der je nach Systemaufbau mindestens halbierten Speichergasmenge im Vergleich zum konventionellen Speicherprozess usw.

Eine Flüssigkeitsabscheidung fällt bei der Einspeicherung erfindungsgemäß nicht an, da nur schon trockene Netz-Druckluft entspannt/komprimiert wird. Ggf. fällt je nach Trocknungsgüte etwas Kondensat in der Hochdruckluft an, welches abgeführt wird. Vielmehr muss beim Ausspeichern Flüssigkeit abgeschieden werden, da dabei Frischluft aus der Umgebung angesaugt wird. Diese wird dann auf den Netzdruck verdichtet und im Wärmetauscher abgekühlt. Dabei kondensiert überschüssiger Wassergehalt aus. Es kann hier zusätzlicher Bedarf zur Nachtrocknung bestehen, wobei zum Zeitpunkt des Ausspeicherns die Hauptkompressoren des Druckluftnetzes aber nicht in Betrieb sind und daher deren Trocknungsanlagen genutzt werden können.

Als Nebeneffekt kann die Druckluft, die aus dem Hochdruckspeicher ins das normale Druckluftnetz abgegeben wird, eine sehr geringe relative Feuchte haben und sie verbessert somit die Druckluftqualität und verringert wiederum den Trocknungsbedarf.

Gemäß einem weiteren Aspekt können - wie dies im Zusammenhang mit den Figuren 9 und 10 dargestellt ist - eine Entfeuchtung oder Entwässerung, insbesondere beim Ausspeichern, Ί D

von aus der Umgebung angesaugter Luft z.B. mittels Adsorption oder Absorption und/oder eine Regeneration mit warmer trockener Abluft, insbesondere beim Einspeichern realisiert sein. Dabei treten geringe Temperaturänderungen auf.

Die Figuren 1 1 und 12 zeigen für den Einspeicherzustand bzw. für den Ausspeicherzustand ein erfindungsgemäßes Speichersystem 100, bei welchem ein nicht extern angetriebener Turbolader 35 mit Kompressions-Expansions-Einrichtungen 31 , 32 und ein angetriebener Boosterkompressor 36 als Komponenten der Kompressions-Expansions-Einheit 30 ausgebildet sind.

Figur 13 zeigt für den Einspeicherzustand eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speichersystems 100 mit einem direkt angetriebenen Doppelkolbendruckverstärker 37 als Komponente der Kompressions-Expansions-Einheit 30.

Figur 14 zeigt für den Einspeicherzustand eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speichersystems 100 mit einem einfachen Druckverstärker 38 und einem Boosterkompressor 36 als Komponenten der Kompressions-Expansions-Einheit 30. Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den Fig. 1 bis 16 Bezug genommen.

Bezugszeichenliste

1 Speicherfluid

2 Wärmetauschfluid

10 Quelleinheit, Quelle

10-1 Quellenkomponente

10-2 Quellenkomponente

10-3 Quellenkomponente

1 1 Druckfluidquelle

12 Druckfluidsenke

13 Umgebung

20 Transfereinheit 30 Kompressions-Expansions-Einheit

31 (erste) Kompressions-Expansions-Einrichtung (für das Speicherfluid 1 ) 31 ' weitere Kompressions-Expansions-Einrichtung (für das Speicherfluid 1 )

32 (zweite) Kompressions-Expansions-Einrichtung (für das Wärmetauschfluid 2) 32' weitere Kompressions-Expansions-Einrichtung (für das Wärmetauschfluid 2) 33 Motor

33' Motor

34 mechanische Kopplung, Achse

35 Turbolader

36 Boosterkompressor

37 Doppelkolbendruckverstärker

38 (einfacher) Druckverstärker

40 Wärmetauscheinheit

41 Wärmetauscher

41 ' Wärmetauscher

50 Speicher, Speichereinheit

60 Leitungssystem für das Speicherfluid 1

61 Leitung

62 Leitung

62' Leitung 63 Leitung

63' Leitung

70 Leitungssystem für das Warmetauschfluid 2

71 Leitung

72 Leitung

72' Leitung

73 Leitung

73' Leitung

Speichersystem, Druckspeichersystem p1 e Druckwert Speicherfluid 1

p1 e' Druckwert Speicherfluid 1

p1 a Druckwert Speicherfluid 1

p1 a' Druckwert Speicherfluid 1 p2e Druckwert Warmetauschfluid 2

p2e' Druckwert Warmetauschfluid 2

p2a Druckwert Warmetauschfluid 2

p2a' Druckwert Warmetauschfluid 2

Ti e Temperaturwert Speicherfluid 1

Ti e' Temperaturwert Speicherfluid 1

T1 a Temperaturwert Speicherfluid 1

T1 a' Temperaturwert Speicherfluid 1

T2e Temperaturwert Warmetauschfluid 2

T2e' Temperaturwert Warmetauschfluid 2 T2a Temperaturwert Warmetauschfluid 2

T2a' Temperaturwert Warmetauschfluid 2