Kombianlage und Verfahren zum Betreiben einer Kombianlage

Die Erfindung betri f ft eine Kombianlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Kombianlage , wobei in einem ersten Betriebsmodus thermische Energie gespeichert und in einem zweiten Betriebsmodus thermische Energie in Rotationsenergie umgewandelt wird .

Die elektrische Energieerzeugung ist komplex und erfordert ein nachhaltiges Handeln, um den Einsatz begrenzter Energieträger zu optimieren . Es werden viele Anstrengungen unternommen, um den Einsatz fossiler Energieträger zu minimieren und den Einsatz erneuerbarer Energien zu vergrößern . Viele Nationen haben es sich als Ziel gesetzt , den Anteil von erneuerbaren Energien im Strom- und Wärmenetz zu erhöhen, um die Treibhausgas-Emissionen zu reduzieren . Jedoch kann der Anteil der gesicherten Leistung nur teilweise durch eine höhere installierte Leistung von erneuerbaren Energieerzeugern angehoben werden . Der Grund dafür ist die nicht verlässliche Planbarkeit der erneuerbaren Energie , wann sie bereitsteht und wie viel Energie sie liefert . Daher ist es notwendig eine zeitliche Entkopplung von Energieangebot und Energiebedarf gewährleisten zu können .

Ein weiterer Aspekt eines nachhaltigen Handelns in Bezug auf die elektrische Energieerzeugung ist das Speichern von Energie . Hier werden ebenfalls größere Anstrengungen unternommen, um die Erzeugung und den Bedarf elektrischer Energie zu entkoppeln . Übersteigt das aktuelle Angebot der elektrischen Energieerzeugung den Bedarf , ist es sinnvoll die Überkapazität zu speichern . Kommt es zu einem späteren Zeitpunkt zu einer Unterdeckung des Bedarfs , kann die Energie dem Speicher wieder entnommen werden .

Durch das zeitliche Ungleichgewicht an Angebot und Bedarf kommt es außerdem zu Schwankungen zwischen hohen und niedri- gen Strompreisen . Somit ist es auch aus wirtschaftlicher Sicht sinnvoll , in Phasen niedriger Strompreise Energie zu speichern und in Phasen hoher Strompreise Energie dem Speicher zu entnehmen .

Es gibt sehr unterschiedliche Technologien, um elektrische Energie bedarfsorientiert zu speichern . Dies können zum Beispiel Pumpspeicherkraftwerke oder chemische Batterien sein . Eine weitere Möglichkeit Energie zu speichern, wäre durch thermische Energiespeicher gegeben . Diese unterscheiden sich in der Wahl des Arbeitsmediums und der Gestaltung des thermodynamischen Kreislaufs .

Bei thermodynamischen Kreisläufen werden Arbeitsmedien eingesetzt wie zum Beispiel Luft , Argon oder Kohlenstof fdioxid (CO2 ) • Bei diesen Kreisläufen findet der so genannte Brayton- Kreisprozess Anwendung, bei dem das Arbeitsmedium in der Gas- Phase verbleibt . Bei einem Clausius-Rankine-Kreisprozess findet ein Phasenübergang zwischen gas förmig und flüssig statt und wird ebenfalls viel fach eingesetzt .

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht , eine verbesserte Kombianlage und ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem Energie zwischengespeichert werden kann .

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Anlage gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 11 .

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist , dass die Kombianlage durch zwei Betriebs zustände charakterisiert ist . In einem ersten Betriebs zustand wird thermische Energie gespeichert und in einem zweiten Betriebs zustand wird mit der thermischen Energie Rotationsenergie erzeugt .

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein thermischer Energiespeicher vorgeschlagen . Dabei wird elektrische Energie in Wärme umgewandelt und in den thermischen Energiespeicher übertragen . Im Bedarfs fall wird die Wärme dem thermischen Energiespeicher wieder entnommen und in elektrische Energie umgewandelt . Ein solcher Energiespeicher wird „Carnot Batterie" genannt .

Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen angegeben .

So wird in einer vorteilhaften Weiterbildung Wasser als Arbeitsmedium für das Einspeichern und Entnehmen von Wärme in einem Clausius-Rankine-Kreisprozess verwendet . Der Ladekreislauf , der auch als erster Betriebsmodus bezeichnet werden kann, ist vergleichbar mit einem Wärmepumpenprozess , der Entladekreislauf , der auch als zweiter Betriebsmodus bezeichnet werden kann, ist vergleichbar mit einem Wärmekraftmaschinenprozess .

Im ersten Betriebsmodus ( Ladekreislauf ) werden Verdichter, Verdampfer, Wärmepumpen, Drosseln, Wärmeübertrager sowie Wärmespeicher eingesetzt .

Im zweiten Betriebsmodus (Entladekreislauf ) werden Turbinen, Kondensatoren, Pumpen, Wärmeübertrager sowie Wärmespeicher eingesetzt .

Beim Ladekreislauf ( erster Betriebsmodus ) wird das Arbeitsmedium zunächst mittels Wärmebereitstellung durch eine Wärmepumpe oder der Wärmeentnahme aus einem Speicher verdampft . Danach wird das Arbeitsmedium einfach oder mehrfach verdichtet .

Nach j edem Verdichtungsvorgang wird die entstandene Wärme in einen Hochtemperaturspeicher als sensible Wärme abgegeben .

Dabei befindet sich das Arbeitsmedium nach dem letzten Verdichter vorzugsweise , aber nicht unbedingt , im überkritischen Bereich, wodurch die Speicherung von sensibler Wärme nach den Verdichterstufen möglich ist . Die dem Arbeitsmedium entzogene Wärme bei einer möglichen, aber bevorzugten Abkühlung wird auch in einen Wärmespeicher trans feriert , bevor das Arbeitsmedium gedrosselt oder expandiert wird . Die Drosselung beziehungsweise die Expansion schließt den Ladekreislauf .

Beim Entladekreislauf ( zweiter Betriebsmodus ) wird das Medium idealerweise im flüssigen Zustand mittels einer Pumpe auf ein höheres Druckniveau gebracht und durch die Wärme , die bei der möglichen Abkühlung im Ladekreislauf abgegeben wurde , vorgewärmt .

Anschließend wird das Arbeitsmedium entsprechend der Verdichterstufen im Ladekreislauf , aber nicht zwangsläufig, abwechselnd mit der Wärme aus dem Hochtemperaturspeicher überhitzt und in einer oder mehreren Turbinen entspannt .

Um den Entladekreislauf zu schließen, wird das Arbeitsmedium nach der letzten Entspannung gegebenenfalls enthitzt und durch Wärmeabgabe , eventuell in einen Speicher, komplett kondensiert .

Mit der Erfindung wird der Vorteil erzielt , dass ein Clausi- us-Rankine Kreisprozess zum Laden und Entladen einer Carnot- Batterie verwendet wird und das Beladen und Entladen von Wärmespeichern mit Wärmetauschern erfolgt .

Die Wärme wird in ein- oder mehrmaligen Verdichtungsschritten erzeugt und beim Entladen über ein- oder mehrmalige Überhitzungsschritte dem Kreislauf zugeführt .

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist , dass die bei der Zwischenkühlung abzuführende Wärme nicht abgespritzt wird, sondern mit Hil fe von sensiblen Speichermedien eingespeichert wird .

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist , dass der Prozess so gestaltet wird ( im so genannten überkritischen Betrieb ) , dass alle thermischen Energien sensibel eingespeichert werden können .

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in dem sehr hohen Gesamtwirkungsgrad, der erzielt werden kann . Dies liegt daran, dass bei Nutzung des Clausius-Rankine-Kreisprozesses Wärme sehr ef fi zient in mechanische Energie umgesetzt werden kann . Der hohe Wirkungsgrad führt mit der erfindungsgemäßen Anordnung zum Einsatz nur kleiner spezi fischer Wärmeenergiemengen, die eingespeichert werden .

Die Nutzung des Clausius-Rankine-Kreisprozesses hat erheblichen Einfluss auf die Volumetrik der Kreislauf komponenten .

Die hohe Wärmekapazität von Wasser und der teilweise flüssige Aggregat zustand bewirken, dass die Rohrleitungen, die Wärmeübertrager und die rotierenden Maschinen kompakter ausgeführt werden können als bei Kreisläufen vergleichbarer Leistungen, die auf einem Brayton-Kreisprozess basieren .

Durch die mögliche überkritische Wärmeabgabe nach dem letzten Verdichter erreicht man eine ef fektivere Wärmeübertragung . Dies hat zur Folge , dass die notwendigen, treibenden Temperaturdi f ferenzen und damit die Grädigkeiten bei der Wärmeübertragung kleiner aus fallen .

Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich für die Ergänzung oder den Umbau existierender fossiler Kraftwerke mit Dampfturbinen, da die vorliegende Infrastruktur für den Betrieb mit Wasserdampf bereits vorhanden ist .

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Aus führungsbeispiele , die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden . Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit gleichen Bezugs zeichen gekennzeichnet .

Aus führungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben . Diese sollen die Aus führungsbeispiele nicht maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt . Im Hinblick auf Ergänzungen der in den Zeichnungen unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen .

Es zeigen :

Figur 1 eine schematische Darstellung der Kombianlage in einem ersten Betriebsmodus ( Ladebetrieb )

Figur 2 eine schematische Darstellung der Kombianlage in einem zweiten Betriebsmodus (Entladebetrieb )

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Kombianlage 1 in zwei verschieden Betriebsmodi , wobei die Figur 1 einen Lademodus und die Figur 2 einen Entlademodus zeigt .

Die Kombianlage 1 ist zum Speichern thermischer Energie in einem ersten Betriebsmodus ausgebildet . Die Kombianlage 1 umfasst einen gegen den Uhrzeigersinn laufenden thermodynamischen Kreislauf , das in der Figur 1 durch die Pfeile symbolisiert wird .

Ein erster Thermospeicher 2 ist mit einem Speichermedium be- füllbar . Das Speichermedium kann ein Sal z oder ein ähnliches Medium sein . Eine Wärmequelle 3 ist eingangsseitig 4 mit einer Drossel 5 und ausgangsseitig 6 mit einem Verdichter 7 strömungstechnisch verbunden . Die Wärmequelle 3 ist zum Verdampfen des Mediums ausgebildet , wobei die Wärmequelle 3 als Wärmepumpe oder als Wärmespeicher ausgebildet sein kann . Das Arbeitsmedium, hier Wasser wird zunächst mittels Wärmebereitstellung durch die Wärmequelle 3 ( eine Wärmepumpe oder Wärmeentnahme aus einem Speicher ) verdampft ( Schritt 1-c 2a-c ) .

Anschließend wird das Medium einfach oder mehrfach verdichtet ( Schritt 2-c 3-c ) . Nach j edem Verdichtungsvorgang wird die entstandene Wärme in einen Hochtemperaturspeicher 2 als sensible Wärme abgegeben . ( Schritt 3-c 2-c beziehungsweise

Schritt 3-c 4-c ) .

Dazu ist der Verdichter 7 mit einem ersten Wärmetauscher 8 gekoppelt , wobei der Verdichter 7 derart ausgebildet ist , dass der Druck und die Temperatur des Mediums erhöht wird, wobei der erste Wärmetauscher 8 derart ausgebildet ist , dass die thermische Energie des Mediums auf das erste Speichermedium 2 übertragbar ist .

Dabei befindet sich das Medium nach dem letzten Verdichter 9 vorzugsweise , aber nicht unbedingt , im überkritischen Bereich, wodurch die Speicherung von sensibler Wärme nach den Verdichterstufen möglich ist .

Die dem Medium entzogene Wärme wird bei einer möglichen, aber bevorzugten Abkühlung in einen zweiten Thermospeicher 10 trans feriert ( Schritt 4-c 5-c ) . Der zweite Thermospeicher

10 ist mit einem zweiten Speichermedium gefüllt , wobei die Übertragung der thermischen Energie über einen zweiten Wärmetauscher 11 erfolgt .

Das zweite Speichermedium kann ein Öl , ein Sal z oder ein ähnliches Medium sein .

Die Kombianlage 1 weist zumindest einen weiteren Verdichter 14 auf , der eingangsseitig mit dem ersten Wärmetauscher 8 und ausgangsseitig mit einem weiteren Wärmetauscher 15 strömungstechnisch verbunden ist . Der weitere Verdichter 15 ist derart ausgebildet , dass der Druck und die Temperatur des Mediums erhöht wird, wobei der weitere Wärmetauscher 15 derart ausgebildet ist , dass die thermische Energie des Mediums auf das erste Speichermedium 2 übertragbar ist .

Der zweite Wärmetauscher 11 ist eingangsseitig 12 mit dem ersten Wärmetauscher 8 und ausgangsseitig 13 mit der Drossel 5 strömungstechnisch verbunden .

Die Drossel 5 ist zum Verflüssigen des Mediums ausgebildet .

Im Schritt 5-c 1-c wird das Medium gedrosselt oder expandiert . Die Drosselung beziehungsweise die Expansion schließt den Ladekreislauf .

Die Figur 2 zeigt den zweiten Betriebsmodus , der auch als Entladekreislauf bezeichnet werden kann . Der Entladekreislauf läuft im Uhrzeigersinn und wird durch die Pfeile symbolisiert .

Beim Entladekreislauf wird das Medium idealerweise im flüssigen Zustand mittels einer Speisewasserpumpe 16 auf ein höheres Druckniveau gebracht ( Schritt 1-g 2-g) und durch die

Wärme , die bei der möglichen Abkühlung im Ladekreislauf abgegeben wurde , vorgewärmt ( Schritt 2-g 3-g) .

Die Kombianlage im Entladekreislauf ist zum Erzeugen von Energie ausgebildet .

Die Speisewasserpumpe 16 ist zum Pumpen des Mediums zu dem zweiten Wärmetauscher 11 ausgebildet ist , wobei der zweite Wärmetauscher 11 im zweiten Betriebsmodus dazu ausgebildet ist , die thermische Energie des zweiten Speichermediums auf das Medium zu übertragen . Anschließend wird das Medium entsprechend der Verdichterstufen im Ladekreislauf , aber nicht zwangsläufig, abwechselnd mit der Wärme aus dem ersten Thermospeicher überhitzt

( Schritt 3-g 4-g beziehungsweise Schritt 5-g 4-g) und in einer oder mehreren Teilturbinen entspannt ( Schritt 4-g 5-g) .

Die erste Teilturbine 19 ist eingangsseitig 17 mit dem Wärmetauscher 18 strömungstechnisch verbunden, wobei die erste Teilturbine 19 derart ausgebildet ist , dass die thermische Energie des Mediums in Rotationsenergie umgewandelt wird .

Die erste Teilturbine 19 ist hierzu ausgangsseitig mit dem ersten Wärmetauscher 8 strömungstechnisch verbunden ist , wobei der erste Wärmetauscher 8 zum Übertragen der thermischen Energie des ersten Speichermediums 2 auf das Medium im zweiten Betriebsmodus ausgebildet ist .

In Strömungsrichtung des Mediums sind weitere Teilturbine 20 , 21 angeordnet .

Die Kombianlage umfasst ferner einen Kondensator 22 der strömungstechnisch mit der Teilturbine 21 gekoppelt ist , wobei der Kondensator 22 zum Kondensieren des Mediums ausgebildet ist . Ausgangsseitig ist der Kondensator 22 mit der Speisewasserpumpe 16 strömungstechnisch verbunden .

Um den Entladekreislauf zu schließen, wird das Medium nach der letzten Entspannung gegebenenfalls enthitzt und durch Wärmeabgabe , eventuell in einen Speicher, komplett kondensiert ( Schritt 5-g 1-g) .