Die Erfindung betrifft ein Verfahren bei dem elektrische Energie in Form von

Hochtemperaturwärme gespeichert wird und nach Bedarf ein Gas komprimiert, mit der gespeicherte Wärme aufgeheizt und einer Gasturbine zur Stromerzeugung zugeführt wird.

Es ist bekannt, dass die Stromspeicherung eine Möglichkeit zur Harmonisierung des

Verbrauchs und der Erzeugung von Strom ist. In Zeiten, in denen die Stromproduktion über dem Strombedarf liegt, wird überschüssiger Strom gespeichert, und wenn der

Stromverbrauch hoch ist, nimmt man die gespeicherte Strommenge wieder auf. Mit steigendem Anteil von Strom aus erneuerbare Energien, besonders aus Wind und Sonne, gewinnt diese Problematik an Bedeutung, weil die Stromerzeugung, und nicht nur der Stromverbrauch, sehr ungleichmäßig ist.

Stand der Technik

Eine bekannte Methode ist die Stromspeicherung mit reversiblen Wasserkraftwerken, auch als Pumpspeicherkraftwerke bekannt. Eine andere Variante ist, zwei unterirdischen Kavernen auf unterschiedlichen Tiefen als Wasserreservoir zu nutzen, wie in DE102011117785 beschrieben wird.

Eine andere Technologie, die auch für die großtechnische Stromspeicherung geeignet ist, ist die Druckluftspeicherung in Kavernen (englisch als„CAES - compressed air energy storage" bezeichnet). Luft wird durch einen elektrisch getriebenen Kompressor verdichtet und in unterirdischen Salzkavernen gespeichert. Um die Energie nachfolgend freizusetzen, nutzt man die komprimierte Luft zur Erdgasverbrennung in einer Gasturbine. Dies hat jedoch den Nachteil, dass hochwertige fossile Brennstoffe (wie Erdgas oder Kerosin) gebraucht werden und dass sich der Luftdruck während der Entnahme der Druckluft aus dem Druckluftspeicher verringert - was für den Gasturbineprozess unvorteilhaft ist. Der Gesamtwirkungsgrad des Prozesses wird dadurch verringert.

Es gibt zwei Verbesserungsmöglichkeiten für dieses Prinzip. Eine ist, dass man einen

Druckluftspeicher unterhalb einer Flüssigkeitssäule positioniert, um den Druck auf diese Weise konstant zu halten (isobare Speicher). Die andere ist ein adiabater Druckluftspeicher, der ohne zusätzlichen Brennstoff auskommt und einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweist. Dabei nutzt man einen regenerativen Wärmetauscher um die Luft nach der

Kompression zu kühlen und später, bei der Entladung, mit dieser gespeicherten Wärme die Luft vor dem Eintritt in die Turbine wieder aufzuheizen. Die Investitionskosten für solche Speicherwerke sind jedoch sehr hoch.

Eine neue Alternative für Stromspeicherung ist das so genannte Wind-Gas- Verfahren

(ursprünglich in Patentschrift DE102009018126A1 beschrieben). Überschüssiger Strom aus dem Netz (nicht nur Windstrom) wird genutzt für die Wasserelektrolyse und die Gewinnung von Wasserstoff. Wasserstoff wird dann mit Kohlendioxid für die Methanisierung verwendet und das gewonnene Methan wird im Gasnetz gespeichert. Beim Bedarf wird dieses Gas für die Stromerzeugung genutzt, z.B. mit einer Gasturbine oder einem GuD-Zyklus (Gas-und- Dampf). Dieses Verfahren ist sehr komplex und deswegen (es beinhaltet viele Prozessschritte l mit lokalen Verlusten) nicht effizient (Gesamtwirkungsgrad liegt zwischen 14 und 36%). Die Investitionskosten sind auch sehr hoch.

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine neue Stromspeicherungsanlage mit relativ niedrigen Investitionskosten und hohem Gesamtwirkungsgrad, bei der schon bekannte und preiswerte Komponenten und Technologien genutzt werden können.

Erfindungsgemäß wird elektrischer Strom in Hochtemperaturwärme umgewandelt, in einem thermischen Speicher gespeichert und nach Bedarf wird ein Gas komprimiert, mit der gespeicherte Wärme aufgeheizt und einer Gasturbine zur Stromerzeugung mit

Wärmerekuperation zugeführt.

Erfindungsgemäß speichert man Hochtemperaturwärme, die mit überschüssigem Strom erzeugt wird, in einem Regenerator im Bereich zwischen Eintritts- und Austrittstemperatur einer Gasturbine. Es wird also nicht die Gesamtwärmemenge, die notwendig wäre um die Eintrittstemperatur zu erreichen, benötigt. Die restliche Wärmemenge wird nur kurzzeitig in einem System von 2 oder mehrere Niedrigtemperaturwärmespeichern gespeichert und nur während der Zeit abgegeben, in der das Gasturbinensystem im Betrieb ist und Strom erzeugt. Auf diese Weise kann die Speicherkapazität für die Hochtemperaturwärme reduziert werden und so auch die Investitionskosten für die hochwertige Speichermasse und die entsprechende feuerfeste Isolierung. Gleichzeitig nutzt man den überschüssigen Strom nur für die

Hochtemperaturwärme und damit steigt der Gesamtwirkungsgrad des Speichersystems.

Für das System von 2 oder mehreren Niedrigtemperaturwärmespeichern kann man billige Wärmespeichermasse und Isolierung nutzen. Darüber hinaus ist die Speicherzeit in diesem System (mit 10 bis 60 Minuten) deutlicht kürzer, so dass die Speicherkapazität und damit auch die Investitionskosten niedrig gehalten werden können.

Um einen hohen Wirkungsrad der Speichersysteme zu erreichen, braucht man keine hoch entwickelte Gasturbine mit Schaufelkühlung, sonder lediglich eine einfache und robuste Turbine, eventuell sogar mit radialer Auslegung, welche für die Turboladertechnologie genutzt wird. Die optimalen Druckverhältnisse sind natürlich von der Eintrittstemperatur abhängig, aber sie liegen deutlich niedriger (im Bereich 2 bis 7) als beim klassischen Joule- Zyklus ohne Wärmerückgewinnung.

Abhängig von der Turbinenkonstruktion und den Prozessparametem, beträgt der

Gesamtwirkungsgrad 35% bis 65%. Mit den Modellen, die heutzutage auf dem Markt sind, kann man einen Gesamtwirkungsgrad bis zu 45% erreichen. Für noch bessere Werte braucht man eine angepasste Konstruktion und angepasste Prozessparameter, wie mehrfache

Zwischenkühlung und höhere Eintrittstemperaturen bei niedrigeren Druckverhältnissen.

Falls auch die Abwärme aus dem Speichersystem genutzt werden kann, steigt der

Wirkungsgrad bis auf 90%.

Ein weiterer Vorteil liegt in der schnellen Startfähigkeit einer solchen Anlage. Sobald man den Strom im Netz braucht, wird innerhalb weniger Minuten die volle Leistung erreichen. Eine Anlage für die vorliegende Erfindung besteht aus folgenden Komponenten und

Verfahrensschritten: - Kompressor für die Verdichtung des Arbeitsmediums (Gas)

Gasturbine für die Expansion von verdichtetem und vorgewärmtem Arbeitsmedium und Gewinnung von mechanischer Arbeit

Stromgenerator für die Stromerzeugung aus der netto-gewonnenen mechanischen Arbeit (Differenz zwischen der gewonnenen Leistung der Turbine und der

verbrauchten Leistung des Kompressors)

Mindestens zwei Niedrigtemperaturwärmespeicher für die Rekuperation / Ausnutzung des Wärmegehalts des Turbinenabgases

Entsprechende Umschaltorgane für den Wechsel zwischen den

Niedrigtemperaturspeichern

Hochtemperaturspeicher für die Speicherung der Wärme aus überschüssigem Strom Abgaskamin.

In Zeiten mit Stromüberschuss im Netz heizt man den Hochtemperaturspeicher mit diesem Strom vom Temperaturniveau am Turbinenaustritt auf das Temperaturniveau am

Turbineneintritt auf. Abhängig von dem Netzzustand und der Auslegungskapazität kann diese Phase von mehreren Minuten, über mehreren Stunden bis zu mehreren Tagen dauern. Wenn Strom wieder im Netz gebraucht wird, startet man das Gasturbinen-Set (Kompressor,

Expander, Stromgenerator). Dabei wird zunächst das komprimierte Gas in einem

Niedrigtemperaturspeicher bis auf Turbinenaustrittstemperatur vorgewärmt und anschließend im Hochtemperaturspeicher auf die Turbineneintrittstemperatur geheizt. Dieses heiße komprimierte Gas entspannt sich in der Turbine und der Stromerzeugung. Das entspannte Gas hat noch immer einen großen Wärmeinhalt und wird zunächst in einem zweiten

Niedrigtemperaturspeicher weiter abgekühlt. Nach einer gewissen Zeit wird der erste

Niedrigtemperaturspeicher abgekühlt und der zweite wieder aufgeheizt, so dass eine

Umschaltung stattfindet. Diese Zeiten liegen im Minuten- bis Stundenbereich (üblicherweise zwischen 10 und 60 Minuten), abhängig von den Auslegungs- und Betriebsparametern. Eine Stromüberschussphase und eine Stromerzeugungsphase müssen nicht direkt aufeinander folgen - zwischen ihnen können bis zu mehrere Tage liegen.

Weitere Ausgestaltung der Erfindung

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als Gas- Arbeitsmedium die

Umgebungsluft zu nutzen. In besonderen Fällen kann man auch ein anderes Gas nutzen, wie z.B. Stickstoff.

In einer Weiterentwicklung der Erfindung strömt die durch Verdichtung vorgewärmte Luft durch einen Gaskühler, der sich vor dem ersten Niedrigtemperaturspeicher befindet. Damit kann man die Abwärme für eine Heizung, Prozesswärme oder andere Zwecke gewinnen, und gleichzeitig die Abgastemperatur und die Abgasverluste am Kamin minimieren.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann man statt in einem rekuperativen Gaskühler das Gas durch eine evaporative Kühlung mit Wassereindüsung konditionieren. Damit steigen der Durchfluss durch die Turbine und ihre Leistung, so dass mehr Nettoleistung für die Stromerzeugung bleibt. Das hat einen erheblichen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad des Speicherprozesses.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform sind der Eintritt und der Austritt aus dem Hochtemperaturspeicher durch eine Bypass-Leitung mit einem steuerbaren Ventil miteinander verbunden, so dass man die Turbineneintrittstemperatur regeln kann. Das bringt zweierlei Vorteile: erstens kann man auf diese Weise die Turbinenleistung regeln, und zweitens kann man in dem Hochtemperaturspeicher Wärme mit höheren Temperatur als die

Turbineneintrittstemperatur speichern. Dieser zweite Vorteil bedeutet höhere

Speicherkapazität bei gleichen Abmessungen und Masse des Speichers und damit niedrigere spezifische Investitionskosten.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist am Austritt aus dem Hochtemperaturspeicher eine Brennstofizufuhr nachgeschaltet, so dass man eine relativ kleine Menge Erdgas oder einen anderen gasförmigen oder flüssigen Brennstoff zugeben kann, um die Gastemperatur vor dem Turbineneintritt zu erhöhen. Auf diese Weise kann man länger als geplant, falls die Netzbedingungen das verlangen, Strom erzeugen, trotz stärkeren

Temperaturabfalls des Gases am Austritt aus dem Hochtemperaturspeicher.

Vorteilhaft ist es, drei oder mehrere Niedrigtemperaturspeicher zu nutzen, um eine sanfte Umschaltung zwischen zwei Betriebsphasen, ohne Druckstoße, zu ermöglichen. Die Zahl von Speichern ist vom Betriebsdruck und der Kapazität der Anlage abhängig. Mit mehreren Speichern kann man den Druckverlust in beiden Betriebsphasen ausgleichen, so dass in der Phase mit niedrigerem Betriebsdruck mehr als eine Einheit eingeschaltet ist, mit der entsprechender Durchflussreduzierung durch jede Einheit und einer Verlängerung der Phasenzeit. Solche Umschaltprozesse sind schon aus der DE 100 39 246 C2 oder der DE 10 2009 038 322 AI bekannt.

Bei sehr großen Stromspeicherkapazitäten einer Anlage ist es vorteilhaft, mehrere

Hochtemperaturspeicher zu installieren, um die Abmessungen jeder Einheit zu reduzieren und die Investitionskosten zu minimieren. In diesem Falle braucht man zusätzliche

Umschaltorgane zwischen den Hochtemperaturspeichern. Vorteilhaft kann man diese

Umschaltorgane vor (und nicht nach) den einzelnen Hochtemperaturspeicher, wo die

Temperaturen deutlich niedriger sind, platzieren. Damit kann man Investitionskosten sparen und gleichzeitig die Lebenserwartung dieser Organe verlängern.

Niedrigtemperaturspeicher sind auch zur Abgabe der gespeicherten thermischen Energie, zum Beispiel in Form von warmer Luft, geeignet. Wegen der niedrigeren Investitionskosten und dem sehr guten Wärmeübergang sind Schüttgutregeneratoren als Niedrigtemperaturspeicher besonders zweckmäßig. Insbesondere können Schüttgutregeneratoren eingesetzt werden, die aus der EP 0620 909 Bl oder der DE 42 36 619 C2 bekannt sind. Naturbelassenes Material, wie Kies, Eifel-Lava oder Kalksplitt, wird als Wärmespeichermasse für die

Niedrigtemperaturspeicher als Schüttgut verwendet.

Hochtemperaturspeicher sind auch zur Abgabe der gespeicherten thermischen Energie, zum Beispiel in Form von Heißluft, geeignet. Besonders Schüttgutregeneratoren sind als

Hochtemperaturspeicher geeignet. Es können auch Schüttgutregeneratoren eingesetzt werden, die aus der EP 0620 909 Bl oder der DE 42 36 619 C2 bekannt sind. Aber wegen der höheren Temperaturen, auch an den kalten Seiten des Regenerators, ist eine einfachere Auslegung, beispielsweise in Form von axial durchgeströmten vertikalen Zylindern, besser geeignet.

Für die Hochtemperaturspeicher wird als Wärmespeichermasse ein Schüttgut bevorzugt, das ausreichend gegenüber hohen Temperaturen beständig ist, wie Alumina (AI2O3), Schamotte, Kalk, SiC oder Zirkonium.

Vorzugsweise werden die Heizelemente für die Umwandlung elektrischer Energie in Wärme, die im Hochtemperaturspeicher erfolgt, direkt in die Schüttung eingesetzt, z.B. in Form von übereinander liegenden Spiralen. Der horizontale Abstand zwischen dem Draht in einer Spirale muss ungefähr der gleiche sein wie der vertikale Abstand zwischen zwei Spiralen, um einen gleichmäßigen Wärmetransport zu ermöglichen.

Um die gewünschte elektrische Leistung und einen nominalen Wärmeabfluss von der Drahtoberfläche zu bekommen, muss man ein optimales Verhältnis zwischen spezifischem Drahtwiderstand, Drahtdurchmesser und Gesamtlänge der Spirale erreichen. Es wird vorteilhaft sein, mehrere oder alle Spiralen in einem Hochtemperaturspeicher miteinander zu verbinden, um die Leitungslänge zu erhöhen.

Als Heizdraht kann man einen Draht aus Edelstahl oder hitzebeständigem Stahl wählen, anhängig von der Temperatur und dem eingesetztem Gas / Arbeitsmedium.

Vorteile der Erfindung sind als Ausfuhrungsbeispiele in den Zeichnungen dargestellt und nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm mit allen Hauptkomponenten der Anlage und ihren Verbindungen;

Fig. 2a und Fig. 2b das gleiche Blockdiagramm wie Fig. 1, aber mit angezeigten

Strömungswegen des Gases während der Stromerzeugungsphasen;

Fig. 3 Bypass-Leitung mit Bypass- Ventil 9;

Fig. 4 Zuführung von Erdgas NG oder von anderen gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen 10; und

Fig. 5 die Heizelemente im Hochtemperaturspeicher 5 in Form von übereinander liegenden und miteinander verbundenen Spiralen.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm des Systems für die thermische Speicherung überschüssigen Stroms, und seine Wiedererzeugung bei Strommangel im Netz. Dieses System beinhalten ein Gasturbinenset mit Kompressor 1, Turbine 6 und Stromgenerator 8, einen Hochtemperaturspeicher 5, zwei kleinere Niedrigtemperaturspeicher 3, 4 mit entsprechenden Umschaltorganen 31-34 und 41-44, sowie einen Gaskühler 2 und Ablasskamin 7.

Während einer Stromspeicherphase wird der Hochtemperarurspeicher 5 mit Strom von der Turbinenaustrittstemperatur TOT auf mindestens Turbineneintrittstemperatur TIT geheizt. Dabei kann diese Umwandlung von elektrischer in thermische Energie durch

Stromwiderstand oder durch Induktion erfolgen. Diese Phase kann mehrere Minuten, Stunden oder Tagen dauern, abhängig von dem Stromnetzbedarf und den entsprechenden Auslegung der Komponenten.

Fig. 2a zeigt die Strömungswege des Gases während einer Stromerzeugungsphase. Im Kompressor 1 wird die Umgebungsluft auf einen Druck PC verdichtet und dadurch auf eine Temperatur TC aufgeheizt, die deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Um diese Wärme auszunutzen und gleichzeitig die Kaminverluste zu rninimieren, wird die

komprimierte Luft im Gaskühler 2 gekühlt und die gewonnene Wärme für Heizung oder andere Zwecke genutzt. Wenn die Umschaltorgane 33 und 34 geöffnet sind, strömt die abgekühlte Luft durch einen ersten Niedrigtemperaturspeicher 3, wo sie durch gespeicherte Wärme auf eine Temperatur nahe Turbmenaustrittstemperatur TOT, aber deutlich höher als TC, aufgeheizt wird. Die so vorgewärmte Luft strömt durch den Hochtemperarurspeicher 5, wo ihre Temperatur durch die gespeicherte Hochtemperaturwärme elektrischer Herkunft weiter auf mindestens Turbineneintrittstemperatur TIT steigt. Komprimierte Luft mit der Temperatur TIT tritt in die Turbine 6 ein, wo die Expansion auf den Umgebungsdruck stattfindet, wodurch die Temperatur auf den Wert TOT sinkt. Da die Umschaltorgane 41 und 42 ebenso geöffnet sind, strömt die entspannte Luft durch einen zweiten

Niedrigtemperaturspeicher 4, gibt seine Wärme an der Speichermasse ab, kühlt sich auf Temperatur TS ab und verlässt das System durch einen Kamin 7.

Nach einer gewissen Zeit, die in der Regel zwischen 10 und 60 Minuten beträgt, schließen sich die Umschaltorgane 33, 34, 41 und 42 und öffnen sich die Umschaltorgane 31, 32, 43 und 44, so dass die Niedrigtemperaturspeichern 3 und 4 ihre Rollen wechseln, wie in Fig. 2b gezeigt.

Statt die komprimierte Luft in einem konvektiven Wärmetauscher 2 zu kühlen, kann man Wasser eindüsen und durch Wasserverdampfung kühlen. Damit verliert man die Möglichkeit, die anfallende Abwärme zu nutzen, aber gleichzeitig steigt der Massenstrom durch die Turbine 6 und damit die Leistung und besonders der Gesamtwirkungsgrad des Prozesses.

Fig. 3 zeigt eine Bypass-Leitung mit einem Bypass- Ventil 9 um den Hochtemperaturspeicher 5 mit einem Teilstrom zu umgehen, um eine Turbineneintrittstemperatur TIT zu bekommen, die niedriger als die Austrittstemperatur aus dem Hochtemperaturspeicher 5 ist. Auf diese Weise kann man im Hochtemperaturspeicher 5 noch höhere Temperaturen speichern und so seine Wärmekapazität erhöhen. Darüber hinaus kann man mit Bypass- Ventil 9 die Leistung der Turbine 6 regeln.

Fig. 4 stellt die Möglichkeit dar, durch eine Leitung 10 eine Menge Erdgas NG oder anderen gasförmigen oder flüssigen Brennstoff in die Leitung zwischen den Hochtemperaturspeicher 5 und die Turbine 6 zuzugeben, um eine höhere Turbmeneintrittstemperatur TIT zu erreichen. Das ist vom Interesse, falls die Entladungszeit wegen der Bedingungen im Stromnetz länger als geplant dauert und die Lufttemperatur aus dem Hochtemperaturspeicher unter die nominale Turbineneintrittstemperatur TIT sinkt.

Eine mögliche vorteilhafte Ausführung der elektrischen Heizelemente in Form übereinander liegender und miteinander verbundener Spiralen ist in Fig. 5 dargestellt. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft für das Schüttgut als Wärmespeichermasse, weil es sich frei und gleichmäßig rund um die Spiralen verteilen kann. Um die Gesamtlänge der Heizleitungen zu erhöhen sind die Spiralen in der Mitte, bzw. am Ende miteinander verbunden. Hier sind beispielsweise vier Spiralen in drei verschiedenen Perspektiven gezeigt, um die genannten Verbindungsstellen besser darzustellen.

Sämtliche Merkmale, die in den Anmeldungsunterlagen offenbart sind, werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination neu gegenüber dem Stand der Technik sind. Bezugszeichenliste

1 Kompressor

2 Wärmetauscher, Gaskühler

3 Erster Niedrigtemperaturspeicher

4 Zweiter Niedrigtemperaturspeicher

5 Hochtemperaturspeicher, elektrisch beheizt

6 Turbine, Gasexpander

7 Kamin

8 Stromgenerator

9 Bypass-Leitung mit Bypass- Ventil

10 Zufuhrung von Erdgas oder eines anderen gasförmigen oder flüssigen Brennstoffes

31, 32, 33, 34 Umschaltorgane am ersten Niedrigtemperaturspeicher

41, 42, 43, 44 Umschaltorgane am zweiten Niedrigtemperaturspeicher

PH-E Elektrisch beheizter Hochtemperaturspeicher

PH Niedrigtemperaturspeicher

PC Druck nach dem Kompressor

TC Temperatur nach dem Kompressor

TIT Turbineneintrittstemperatur

TOT Turbinenaustrittstemperatur

TS Temperatur am Kamin

NG Erdgas oder ein anderer gasförmiger oder flüssiger Brennstoff