Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer regenerativen Wärmespei- cheranordnung, wobei die Wärmespeicheranordnung wenigstens einen Gaserhit zer zur Erhitzung eines Trägergases, insbesondere zur Erhitzung von Luft, eine Wärmespeicherreihe mit einer Mehrzahl von Wärmespeichermodulen und wenigs tens einen Verdichter aufweist, wobei während eines Beladungszyklus wenigstens ein Wärmespeichermodul, vorzugsweise eine Mehrzahl von nachfolgenden Wär- mespeichermodulen der Wärmespeicherreihe, von im Gaserhitzer erhitztem Trä gergas durchströmt und durch Wärmeübertragung von dem erhitzten Trägergas an ein Wärmespeichermaterial des Wärmespeichermoduls thermisch beladen und das Trägergas bei der Beladung abgekühlt wird, wobei das abgekühlte Trägergas, wenn die Trägergastemperatur nach dem Beladen eines Wärmespeichermoduls eine Mindestbeladungstemperatur eines in der Wärmespeicherreihe nachfolgenden Wärmespeichermoduls erreicht oder überschreitet, dem nachfolgenden Wärme speichermodul zur Beladung zugeführt wird, und wobei eine Kreislaufführung des Trägergases vorgesehen ist, wenn die Trägergastemperatur die Mindestbeladungs temperatur des nachfolgenden Wärmespeichermoduls unterschreitet, und das Trä- gergas bei der Kreislaufführung dem Verdichter zugeführt und nach der Verdich tung zum Gaserhitzer für eine erneute Erhitzung des Trägergases zurückgeführt wird.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch eine regenerative Wärmespeicheranord- nung, insbesondere ausgebildet und/oder eingerichtet, um nach einem Verfahren der zuvor beschriebenen Art betrieben zu werden, mit wenigstens einem Gaserhit zer zur Erhitzung eines Trägergases, insbesondere von Luft, mit wenigstens einer Wärmespeicherreihe mit einer Mehrzahl von Wärmespeichermodulen und mit we nigstens einem Verdichter, wobei wenigstens ein Wärmespeichermodul, vorzugs- weise eine Mehrzahl von nachfolgenden Wärmespeichermodulen der Wärmespei cherreihe, während eines Beladungszyklus von im Gaserhitzer erhitztem Trägergas durchströmbar und durch Wärmeübertragung von dem erhitzten Trägergas an ein Wärmespeichermaterial des Wärmespeichermoduls thermisch beladbar ist, wobei während des Beladungszyklus eine Kreislaufführung des Trägergases vorgesehen und bei der Beladung abgekühltes Trägergas nach dem Durchströmen des wenigs tens einen Wärmespeichermoduls, vorzugsweise nach dem Durchströmen einer Mehrzahl von nachfolgenden Wärmespeichermodulen der Wärmespeicherreihe, dem Verdichter zuführbar und über den Verdichter zum Gaserhitzer zurückführbar ist.

Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausgleich von Lastspitzen bei der Erzeugung von elektrischer Energie und/oder insbesondere zur dezentralen Erzeugung von elektrischer Energie durch Nutzung der Wärme von er hitztem Trägergas für die Stromerzeugung in einem thermoelektrischen Speicher kraftwerk und/oder zur Nutzung der Wärme von erhitztem Trägergas zur Prozess dampf- und/oder zur Fernwärmeerzeugung und/oder zur Einkopplung von Wärme in einen Vorwärmprozess, wobei das Speicherkraftwerk eine regenerative Wärme speicheranordnung aufweist und die Wärmespeicheranordnung wie oben be schrieben betrieben wird. Das Verfahren zum Ausgleich von Lastspitzen und/oder zur dezentralen Erzeugung von elektrischer Energie und/oder zur Nutzung der Wärme von erhitztem Trägergas sieht in diesem Zusammenhang folgende Schritte vor:

- Erhitzung von Trägergas, insbesondere von Heißluft, in wenigstens einem Gaserhitzer, - thermische Beladung von wenigstens einem Wärmespeichermodul einer

Mehrzahl von Wärmespeichermodulen des Speicherkraftwerks durch Wärme abgabe von dem im Gaserhitzer erhitzten Trägergas an ein Wärmespeicher material des Wärmespeichermoduls, - zeitversetzte thermische Entladung von wenigstens einem Wärmespeichermo dul, vorzugsweise einer Mehrzahl von dem Wärmespeichermodulen, wobei wenigstens ein Wärmespeichermodul von kälterem Trägergas, insbesondere von Kaltluft, durchströmt und Wärme von dem Wärmespeichermaterial an das kältere Trägergas zur Erhitzung des Trägergases übertragen wird und

- Nutzung des bei der Entladung des wenigstens einen Wärmespeichermoduls erhitzten Trägergases zur Stromerzeugung und/oder zur Prozessdampf- und/oder zur Fernwärmeerzeugung und/oder zur Einkopplung von Wärme. Der Ausbau erneuerbarer Energien führt zu einer Veränderung der Erzeugungs struktur im Strommarkt. Angebotsabhängige elektrische Energie aus erneuerbaren Energiequellen, wie Windkraft, Biomasse und Photovoltaik, wird zukünftig einen Großteil der Stromversorgung ausmachen. Die verfügbaren Technologien zur Stromerzeugung aus regenerativen Energiequellen lassen eine genaue Vorhersa ge der erzeugten Strommengen jedoch nur eingeschränkt zu, weshalb Fluktuatio nen auf unterschiedlichen Zeitskalen auftreten, nämlich von saisonalen Schwan kungen über den Tagesverlauf bis hin zu kurzfristigen Schwankungen. Diese Fluk- tuationen verstärken die in der Stromnachfrage auftretenden Schwankungen und erhöhen den Bedarf an Ausgleichsmöglichkeiten für Lastspitzen. Der Ausgleich von Lastspitzen findet derzeit in der Regel über verschiedene Strommärkte statt, an de- rem Flandel Betreiber unterschiedlicher Erzeugungs- und Speichertechnologien teilnehmen. Darüber hinaus steht das Energiesystem vor einer Umstellung von ei- ner zentralen hin zu einer dezentralen Erzeugung von elektrischer Energie aus fos silen und regenerativ erzeugten Energieträgern. Daraus ergeben sich neue Anfor derungen an die Netzinfrastruktur, da sich die Aufgabe der Netzstabilisierung zu nehmend von der Übertragungsnetzebene auf die Ebene der Verteilnetze verlagert. In diesen ist jedoch bislang wenig bis keine Infrastruktur zur aktiven Steuerung der Netze vorhanden.

Aus der DE 10 2014 017 346 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer regenerativen Wärmespeicheranordnung bekannt. Das bekannte Verfahren sieht eine Nutzung von Wärme von erhitztem Trägergas, insbesondere von Heiß- luft, für die Stromerzeugung in einem thermoelektrischen Speicherkraftwerk vor, wobei in wenigstens einem Gaserhitzer des Speicherkraftwerks zunächst ein Trä gergas, wie Luft, auf eine bestimmte Beladungs-Solltemperatur erwärmt wird. Das Trägergas dient zur thermischen Beladung einer Mehrzahl von Wärmespeichermo dulen des Wärmespeicherkraftwerks, wobei es zu einer Wärmeabgabe von dem heißen Trägergas an ein Wärmespeichermaterial des Wärmespeichermoduls kommt (Beladungszyklus). Um Fleißgas in ausreichender Menge und/oder mit einer ausreichend hohen Beladungs-Solltemperatur für die Beladung der Wärmespei- chermodule zu erzeugen, können mehrere Gaserhitzer eingesetzt werden. Eine maximale Beladungs-Solltemperatur bei der Erhitzung des Trägergases in dem Gaserhitzer kann 1000 °C bis 1.300 °C, vorzugsweise 1.100 °C bis 1.200 °C, be tragen.

Bei der zeitversetzten thermischen Endladung von wenigstens einem Wärmespei chermodul der Wärmespeicherreihe wird bei dem gattungsgemäßen Verfahren die gespeicherte nutzbare Wärme bzw. der nutzbare Wärmeinhalt des Wärmespei chermoduls zur Erwärmung vom kalten Trägergas, insbesondere von Kaltluft, ge nutzt. Flierzu wird wenigstens ein Wärmespeichermodul von kaltem Trägergas durchströmt und Wärme wird von dem Wärmespeichermaterial auf das Trägergas übertragen (Entladungszyklus). Das Trägergas wird beim Durchströmen des Wärmspeichermoduls auf eine bestimmte Entladungstemperatur erhitzt. Die für ei ne Wärmeübertragung erforderliche Entladungs-Solltemperatur kann 500 °C bis 900 °C, vorzugsweise 600 °C bis 800 °C, betragen. Die Wärme des bei einem Ent- ladungszyklus erzeugten heißen Trägergases kann dann beispielsweise an ein Ar beitsfluid übertragen werden, dass in einem Dampfkraftprozess zur Stromerzeu gung genutzt werden kann.

Erfolgt die Erwärmung des Trägergases in dem Gaserhitzer durch Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie, wobei der Gaserhitzer zu diesem Zweck wenigstens einen elektrischen Heizwiderstand aufweisen kann, können das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk einen Beitrag zum Lastmanagement im Stromnetz leisten, wobei zu Zeiten hoher Strom erzeugung und geringem Strombedarf während eines Beladungszyklus elektrische Energie in Form von Wärme gespeichert wird. Bei Lastspitzen wird dann in einem Entladungszyklus wenigstens ein Wärmespeichermodul entladen und das so er zeugte heiße Trägergas zur Stromerzeugung eingesetzt, beispielsweise zur Ver dampfung von Wasser für einen Dampfkraftprozess. Die erzeugte elektrische Energie kann wieder in das Stromnetz abgegeben werden. Ein Betreiber des erfin- dungsgemäßen Speicherkraftwerkes kann Systemdienstleistungen anbieten und am Regelenergiemarkt teilnehmen. Durch die eingesetzten Wärmespeichermodule ist eine einfache und kostengünstige Speicherung von elektrischer Energie in Form von Wärme möglich, wobei elektrische Leistung bei kurzzeitigen hohen Ver brauchsspitzen flexibel und in sehr kurzer Zeit sowie kostengünstig zur Verfügung gestellt werden kann.

Im Übrigen wird der Offenbarungsgehalt der DE 10 2014 017 346 A1 vollumfäng lich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Beschreibung der Erfindung ein bezogen. Dies betrifft insbesondere die konstruktive und anlagentechnische Aus- gestaltung der in der DE 10 2014 017 346 A1 beschriebenen Wärmespeicheran ordnung und des beschriebenen Wärmespeicherkraftwerks.

Sind die Wärmespeichermodule in Reihe gestaltet und bilden eine Wärmespeicher reihe, wobei das auf eine Beladungs-Solltemperatur in dem Gaserhitzer erhitzte Trägergas während eines Beladungszyklus nachfolgend die Wärmespeichermodu le der Wärmespeicherreihe durchströmt und die Wärmespeichermodule erwärmt werden, verlässt das Trägergas zu Beginn des Beladungszyklus das erste Wärme speichermodul der Wärmespeicherreihe zunächst kalt. Mit steigender Wärmeauf- nähme der Speichermasse dieses Wärmespeichermoduls steigt die Temperatur des aus dem Wärmespeichermodul ausströmenden Trägergases.

Erreicht oder überschreitet die Temperatur des Trägergases am Austritt aus einem Wärmespeichermodul eine vorgegebene Mindestbeladungstemperatur, wird das Trägergas einem in der Wärmespeicherreihe nachfolgenden Wärmespeichermodul zugeführt und zur Beladung dieses Wärmespeichermoduls genutzt. Dieser Vor gang wiederholt sich für alle Wärmespeichermodule der Wärmespeicherreihe, die nachfolgend beladen werden. Aus dem zuletzt beladenen Wärmespeichermodul der Wärmespeicherreihe tritt das Trägergas dann abgekühlt beispielsweise auf dem Temperaturniveau der Mindestbeladungstemperatur aus.

Kühlt das Trägergas bei der Beladung eines Wärmespeichermoduls unter die Min destbeladungstemperatur ab, sieht das aus der DE 10 2014 017 346 A1 bekannte Betriebsverfahren eine Kreislaufführung des Trägergases während des Beladungs zyklus vor. Das abgekühlte Trägergas wird dabei einem Verdichter bzw. Gebläse zugeführt, dort verdichtet und nach der Verdichtung zum Gaserhitzer zurückge führt. Dort wird das Trägergas erneut erhitzt und anschließend zur weiteren Bela dung der Wärmespeicherreihe genutzt.

Die maximale Temperatur, mit der das Trägergas bei der Kreislaufführung zum Verdichter geführt werden kann, ist gekoppelt an die material- und volumenbeding te Begrenzung der Eintrittstemperatur in den Verdichter und liegt in der Regel un terhalb von 250 °C, insbesondere bei ca. 200 °C. Zudem komm es bei höheren Trägergastemperaturen zu einer Zunahme der Leistungsaufnahme des Verdich ters.

Die maximale Temperatur, mit der das Trägergas bei der Kreislaufführung zum Verdichter geführt wird, liegt nur geringfügig unter der Mindestbeladungstempera- tur, bei der das Trägergas noch für die Beladung eines Wärmespeichermoduls ge nutzt wird. Im Ergebnis ist die zulässige Höhe der Mindestbeladungstemperatur ebenfalls gekoppelt an die zulässige Höhe der Verdichtereintrittstemperatur.

Simulationsrechnungen der Anmelderin haben bestätigt, dass sich mit dem be- kannten Verfahren zum Betreiben einer regenerativen Wärmespeicheranordnung eine maximale Ausnutzung der Wärmespeichermodule (je nach Anzahl der Wär mespeichermodule) zwischen 40 % und 60 % erreichen lässt. Dies bezieht sich auf einen Zyklusbetrieb der Speicheranordnung (beladen/entladen). Unter„Ausnutzung der Speicheranordnung“ wird erfindungsgemäß der für die Erzeugung von Heißluft bei der Speicherentladung aktiv zur Verfügung stehende Energieinhalt des Spei chers bezogen auf einen theoretisch maximal möglichen Energieinhalt bei bei spielsweise 1.200 °C verstanden. Die geringe Ausnutzung bei dem bekannten Ver- fahren zum Betreiben einer regenerativen Wärmespeicheranordnung erhöht die Kosten der Energiespeicherung, da ein großer Teil des Speichermaterials nicht zur aktiven Speicherung von thermischer Energie genutzt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer re- generativen Wärmespeicheranordnung, eine Wärmespeicheranordnung und ein Verfahren zum Ausgleich von Lastspitzen und/oder zur insbesondere dezentralen Erzeugung von elektrischer Energie und/oder zur Nutzung der Wärme von erhitz tem Trägergas, jeweils der eingangs genannten Art, zur Verfügung zu stellen, die sich durch eine verbesserte Betriebsweise der Wärmespeicher-anordnung aus- zeichnen, wobei insbesondere eine höhere Ausnutzung der Wärmespeicheranord nung im Zyklusbetrieb bei niedriger mechanisch-thermischer Belastung der Anla genkomponenten der Wärmespeicheranordnung möglich sein soll.

Die vorgenannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer regenera- tiven Wärmespeicheranordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 , durch eine Wärmespeicheranordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 9 und durch ein Verfahren zum Ausgleich von Lastspitzen bei der Erzeugung von elektri scher Energie und/oder zur insbesondere dezentralen Erzeugung von elektrischer Energie und/oder zur Nutzung von Wärme von erhitztem Trägergas mit den Merk- malen von Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer regenerativen Wärmespei cheranordnung sieht vor, für die Beladung der Wärmespeichermodule eine Min- destbeladungstemperatur des Trägergases festzulegen bzw. vorzugeben, die oberhalb einer zulässigen Solltemperatur am Verdichtereintritt liegt. Weist das Trä gergas nach dem Beladen eines Wärmespeichermoduls und Austritt aus dem Wärmespeichermodul zumindest die Mindestbeladungstemperatur auf, wird das Trägergas wie bei dem aus der DE 10 2014 017 346 A1 bekannten Verfahren zur Beladung eines nachfolgenden Wärmespeichermoduls der Wärmespeicherreihe genutzt. Unterschreitet die Trägergastemperatur die Mindestbeladungstemperatur, wird dagegen das Trägergas im Kreislauf über den Verdichter zum Gaserhitzer ge führt und dort nach erneuter Erhitzung zur Beladung (weiteren) von wenigstens ei- nem Wärmespeichermodul der Wärmespeicherreihe eingesetzt. Für die Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist eine Mess-, Steuer- und/oder Regelungseinrichtung vorgesehen. Hierbei wird die Temperatur des Trägergases nach dem Austritt aus einem Wärmespeichermodul während eines Beladungszyk- lus gemessen und mit der vorgegebenen Mindestbeladungstemperatur (Sollwert) verglichen. In Abhängigkeit von der Trägergastemperatur wird dann mittels geeig neter Steuer- und/oder Regelventile der Volumenstrom des Trägergases und die Strömungsführung gesteuert und/oder geregelt. Da die Eintrittstemperatur in den Verdichter material- und volumenbedingt auf eine zulässige Solltemperatur begrenzt ist, sieht die Erfindung eine Kühlung des zu rezyklierenden Trägergases bei der Kreislaufführung während eines Beladungszyk lus vor, wenn die Trägergastemperatur des rezyklierten Trägergases über der zu lässigen Solltemperatur am Verdichtereintritt liegt.

Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ist mit einer Reihe von Vorteilen verbun den. Zum einen führt die höhere Mindestbeladungstemperatur zu einer höheren maximalen Ausnutzung der beschriebenen Speicheranordnung. In Zusammenhang mit der Erfindung durchgeführte Simulationsrechnungen haben belegt, dass die maximale Ausnutzung der Wärmespeicheranordnung bei beispielsweise fünf Wär mespeichermodulen und einer Entladungstemperatur von 760 °C bis zu 85 % er reichen kann. Weitere Wärmespeichermodule können die Ausnutzung auf über 90 % erhöhen. Die Steigerung der Ausnutzung der Speicheranordnung führt zu einer Verringerung der Wärmespeicherkosten, da erfindungsgemäß ein größerer Teil des Speichermaterials zur aktiven Speicherung von thermischer Energie genutzt wer den kann. Die Kühlung des zu rezyklierenden Trägergases vor dem Eintritt in den Verdichter lässt den Einsatz kostengünstiger Maschinen zu und gewährleistet eine geringe Leistungsaufnahme des Verdichters. Die Trägergastemperatur am Austritt aus dem letzten Wärmespeichermodul der Wärmespeicherreihe kann vorzugsweise der Mindestbeladungstemperatur ent sprechen. Dies lässt sich durch eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung der Trägergasvolumenströme einstellen, die dem letzten Wärmespeichermodul zur Beladung zugeführt werden.

Beim Entladungszyklus wird wenigstens ein thermisch beladenes Wärmespeicher modul der Wärmespeicherreihe, vorzugsweise eine Mehrzahl von nachfolgenden Wärmespeichermodulen der Wärmespeicherreihe, von kälterem Trägergas, insbe- sondere von Kaltluft, durchströmt und durch Wärmeübertragung an das kältere Trägergas thermisch entladen, wobei das kältere Trägergas bei der thermischen Entladung des Wärmespeichermoduls erhitzt wird und dann für eine weitere Nut zung, insbesondere zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder zur Wärme- nutzung, zur Verfügung steht.

Die Mindestbeladungstemperatur kann erfindungsgemäß mehr als 250 °C, vor zugsweise mehr als 350 °C, weiter vorzugsweise zwischen 350 °C und 600 °C, be sonders bevorzugt ca. 400 °C bis 500 °C, betragen. Die Temperaturdifferenz zwi- sehen der Mindestbeladungstemperatur und der Solltemperatur am Verdichterein tritt kann vorzugsweise mehr als 100 °C, weiter vorzugsweise mehr als 150 °C, be tragen. Damit werden auch höhere Temperaturen bei Entladung der Speicherano rdnung und damit hohe Ausnutzungsgrade erreicht. Bei der erfindungsgemäße Wärmespeicheranordnung ist im Strömungsweg des Trägergases zur Kühlung des Trägergases bei der Kreislaufführung wenigstens ei ne zwischen der Wärmespeicherreihe und dem Verdichter angeordnete Wärme übertragungseinrichtung vorgesehen. Vorzugsweise erfolgt eine Kühlung des Trä gergases bei der Kreislaufführung durch Wärmeübertragung an zum Gaserhitzer zurückgeführtes verdichtetes Trägergas, so dass das verdichtete Trägergas vor dem Eintritt in den Gaserhitzer vorgewärmt wird. Es kann eine indirekte Wärme übertragung mittels Rekuperator vorgesehen sein, wobei auch eine Wärmeübertra gung zwischen dem zu rezyklierenden Trägergas vor dem Verdichtereintritt und nach dem Verdichteraustritt über einen Kühlkreislauf vorgesehen sein kann. Als Kühlmittel kann ein Thermoöl eingesetzt werden. Darüber hinaus kann eine Wär meübertragung auch mit einem Regenerator, vorzugsweise einem Rotationswär meübertrager, wie einem Ljungström-Regenerator, erfolgen, was kurze Umschalt zeiten ermöglicht. Der direkte Wärmeaustausch und der Wärmeaustausch über ei nen Regenerator lassen höhere Mindestbeladungstemperaturen zu, was wiederum zu höheren Ausnutzungsgraden sowie höheren Temperaturen bei der Entladung der Speicheranlage führt.

Bei Verwendung von Rekuperatoren und/oder Regeneratoren können Mindestbe ladungstemperaturen von mehr als 400 °C vorgegeben werden. Der Wärmetausch über einen Kühlkreislauf unter Verwendung von Thermoöl als Kühlmittel kann da gegen Mindestbeladungstemperaturen von weniger als 400 °C ermöglichen. Es kann auch eine mehrstufige Kühlung des zu rezyklierenden Trägergases vor dem Eintritt in den Verdichter vorgesehen werden. In diesem Zusammenhang kann das Trägergas bei der Kreislaufführung durch Wärmeübertragung an zum Gaserhitzer zurückgeführtes verdichtetes Trägergas lediglich auf eine Temperatur oberhalb der Solltemperatur am Verdichtereintritt gekühlt werden, beispielsweise auf eine Temperatur oberhalb von 60 °C, vorzugsweise von 80 °C bis 100 °C. Es kann dann im Strömungsweg des abgekühlten Trägergases nach einer ersten Wärmeübertragungseinrichtung der oben beschriebenen Art vor dem Verdichter wenigstens eine weitere Wärmeübertragungseinrichtung vorgesehen werden, wo- bei das Trägergas nach der Wärmeübertragung an zum Gaserhitzer zurückgeführ tes verdichtetes Trägergas in der weiteren Wärmeübertragungseinrichtung auf die Solltemperatur am Verdichtereintritt gekühlt wird. Damit lässt sich eine vorgegebe ne Solltemperatur am Verdichtereintritt sicher einhalten. Bei der weiteren Wärme übertragungseinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Rekuperator han- dein, wobei Wärme des Trägergases bei indirekter Wärmeübertragung auf ein Kühlmittel, insbesondere Wasser, übertragen wird.

Die Solltemperatur am Verdichtereintritt kann weniger als 70 °C, vorzugsweise we niger als 60 °C, weiter vorzugsweise 50 °C oder weniger, betragen.

Darüber hinaus sieht eine weiter bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, dass zu rezyklierendes Trägergas während des Beladungszyklus bei der Kreislauf führung vor dem Eintritt in den Verdichter mit heißem Trägergas aus dem Gaserhit zer zusammengeführt wird, um die Temperatur des Trägergases zu regeln. Insbe- sondere lässt sich so die Temperatur des bei der Kreislaufführung dem Verdichter zugeführten Trägergases im Wesentlichen konstant halten, was die Regelung des Verdichters vereinfacht. Darüber hinaus wird dem Gaserhitzer Trägergas auf einem im Wesentlichen gleichbleibenden Temperaturniveau zugeführt, was ebenfalls von Vorteil ist.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfin dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispie len anhand der Zeichnung und der Zeichnung selbst. Dabei bilden alle beschriebe nen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombinati- on den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammen fassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 ein schematisches Verfahrensfließbild eines bekannten Verfahrens zum Betreiben einer regenerativen Wärmespeicheranordnung,

Fig. 2 ein schematisches Verfahrensfließbild eines erfindungsgemäßen Ver fahrens zum Betrieben einer regenerativen Wärmespeicheranord nung,

Fig. 3 ein schematisches Verfahrensfließbild einer Wärmeübertragungsein richtung zur Kühlung eines im Kreislauf geführten Trägergases bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einer ersten Ausführungs form der Erfindung,

Fig. 4 ein schematisches Verfahrensfließbild einer Wärmeübertragungsein richtung zur Kühlung eines im Kreislauf geführten Trägergases bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einer zweiten Ausfüh rungsform der Erfindung,

Fig. 5 ein schematisches Verfahrensfließbild einer Wärmeübertragungsein richtung zur Kühlung eines im Kreislauf geführten Trägergases bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einer dritten Ausführungs form der Erfindung,

Fig. 6 ein schematisches Teil-Verfahrensfließbild des in Fig. 2 gezeigten er findungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer regenerativen Wärmespeicheranordnung bei der Beladung eines ersten Wärme speichermoduls einer Speicherreihe der Wärmespeicheranordnung,

Fig. 7 ein schematisches Teil-Verfahrensfließbild des in Fig. 2 gezeigten er findungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer regenerativen Wärmespeicheranordnung bei der Beladung des ersten Wärmespei chermoduls und eines nachfolgenden zweiten Wärmespeichermoduls der Speicherreihe der Wärmespeicheranordnung,

Fig. 8 ein schematisches Teil-Verfahrensfließbild des in Fig. 2 gezeigten er findungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer regenerativen Wärmespeicheranordnung bei der Beladung des zweiten Wärmespei chermoduls und eines in der Wärmespeicherreihe nachfolgenden drit- ten Wärmespeichermoduls der Speicherreihe der Wärmespeicheran ordnung,

Fig. 9 ein schematisches Teil-Verfahrensfließbild des in Fig. 2 gezeigten er findungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer regenerativen Wärmespeicheranordnung bei der Beladung eines dritten Wärme speichermoduls und eines in der Wärmespeicherreihe nachfolgenden vierten Wärmespeichermoduls der Speicherreihe der Wärmespei cheranordnung,

Fig. 10 ein schematisches Teil-Verfahrensfließbild des in Fig. 2 gezeigten er findungsgemäßen Verfahrens bei der Endladung des letzten Wärme speichermoduls der Wärmespeicherreihe, Fig. 1 1 ein schematisches Teil-Verfahrensfließbild des in Fig. 2 gezeigten er findungsgemäßen Verfahrens bei der Endladung der beiden letzten Wärmespeichermodule der Wärmespeicherreihe und

Fig. 12-14 Temperaturprofile, die eine Steigerung der Ausnutzung der Wärme speicherreihe durch Steigerung der Mindestbeladungstemperatur der Wärmespeichermodule und Kühlung des Trägergases nach dem Aus tritt aus der Wärmespeicherreihe und vor dem Verdichter zeigen.

In Fig. 1 ist eine bekannte Wärmespeicheranordnung 1 mit wenigstens einem Gaserhitzer 2 zum Erhitzen eines Trägergases 3, insbesondere von Luft, und mit einer Wärmespeicherreihe 4 dargestellt, wobei die Wärmespeicherreihe 4 beispiel haft vier weiter beispielhaft in Reihe geschaltete Wärmespeichermodule 5 bis 8 aufweist. Es versteht sich, dass auch mehr oder weniger als vier Wärmespeicher module 5 bis 8 eine Wärmespeicherreihe 4 bilden können.

Darüber hinaus ist ein Gebläse bzw. ein Verdichter 6 vorgesehen.

Die Wärmespeicheranordnung 1 kann der in der Offenlegungsschrift DE 10 2014 017 346 A1 beschriebenen Wärmespeicheranordnung entsprechen und nach dem in der vorgenannten Offenlegungsschrift beschriebenen Verfahren betrieben wer den. Der Offenbarungsgehalt der DE 10 2014 017 346 A1 wird sowohl im Hinblick auf Art und Aufbau der Wärmespeicheranordnung 1 als auch im Hinblick auf das bekannte Betriebsverfahren vollumfänglich in den Offenbarungsgehalt dieser Be schreibung einbezogen.

Während eines Beladungszyklus bzw. beim Beladevorgang der Wärmespeicher- module 5 bis 8 tritt zunächst hoch erhitzte Luft von mehr als 1.000 °C, insbesonde re von 1200 °C, als Trägergas 3 aus einem beispielsweise elektrisch beheizten Gaserhitzer 2 in das erste Wärmespeichermodul 5 der Wärmespeicherreihe 4 ein. Während des Durchströmens des Wärmespeichermoduls 5 wird Wärme des Trä gergases 3 an das Speichermaterial abgegeben. Das Trägergas 3 kann das erste Wärmespeichermodul 5 zunächst kalt verlassen.

Mit zunehmender Befüllung des ersten Wärmespeichermoduls 5 steigt die Tempe ratur des Trägergases 3 am Austritt des Wärmespeichermoduls 5, d.h. die das Wärmespeichermodul 5 verlassende Luft ändert mit zunehmender Beladung des ersten Wärmespeichermoduls 5 die Temperatur. Überschreitet die Trägergastem peratur T nach dem Beladen des ersten Wärmespeichermodus 5 eine vorgegebe ne Mindestbeladungstemperatur TM des in der Wärmespeicherreihe 4 nachfolgen den Wärmespeichermoduls 6, oder erreicht zumindest die Mindestbeladungstem peratur TM, so wird das Trägergas 3 dem nachfolgenden Wärmespeichermodul 6 zur Beladung zugeführt. Liegt die Trägergastemperatur T dagegen unterhalb der Mindestbeladungstemperatur TM, ist eine Kreislaufführung des Trägergases 3 vor gesehen, wobei das Trägergas 3 dem Verdichter 6 zugeführt und nach der Ver dichtung zum Gaserhitzer 2 für eine erneute Erhitzung des Trägergases 3 und die anschließende Nutzung zur (weiteren) Beladung der Wärmespeichermodule 5 bis 8 zurückgeführt wird.

Die Mindestbeladungstemperatur wird bei dem bekannten Verfahren festgelegt durch die material- und volumenbedingte Begrenzung der Solltemperatur am Ein tritt des Verdichters 6 und kann beispielsweise zwischen 200 °C und 250 °C liegen.

Die zuvor beschriebene Beladung der nachfolgenden Wärmespeichermodule 6 bis 8 entspricht dem beschriebenen Beladungsvorgang des Wärmespeichermoduls 5. Die Temperatur T des Trägergases 3 am Austritt aus dem letzten Wärmespeicher modul 8 kann der Mindestbeladungstemperatur TM entsprechen.

Fig. 2 zeigt ein neues Verfahren zum Betreiben einer regenerativen Wärmespei cheranordnung 9, wobei gleiche Bezugszeichen bau- und/oder funktionsgleiche Einheiten, Apparate oder Baugruppen der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Wärme speicheranordnungen 1 , 9 kennzeichnen.

Abweichend zu der in Fig. 1 gezeigten bekannten Wärmespeicheranordnung 1 weist die Wärmespeicheranordnung 9 aus Fig. 2 im Strömungsweg des Trägerga ses 3 zwischen der Speicherreihe 4 und dem Verdichter 6 eine schematisch darge stellte Wärmeübertragungseinrichtung 10 auf. Dadurch ist es möglich, zu rezyklie- rendes Trägergas 3 vor dem Eintritt in den Verdichter 6 zu kühlen und damit eine höhere Mindestbeladungstemperatur TM bei der Beladung der in der Wärmespei- cherreihe 4 dem ersten Wärmespeichermodul 5 nachfolgenden weiteren Wärme- speichermodule 6, 7, 8 von beispielsweise 400 °C oder mehr vorzusehen, wobei die Mindestbeladungstemperatur oberhalb einer zulässigen Solltemperatur am Verdichtereintritt liegt. Die Verdichtereintrittstemperatur kann beispielsweise ledig lich 50 °C bis 60 °C betragen.

Auch bei der in Fig. 2 gezeigten Wärmespeicheranordnung 9 ist während eines Be ladungszyklus eine Kreislaufführung des Trägergases 3 vorgesehen, wenn die Trägergastemperatur T die Mindestbeladungstemperatur TM des nachfolgenden Wärmespeichermoduls 6, 7, 8 unterschreitet, wobei das Trägergas 3 bei der Kreis- laufführung dem Verdichter 6 zugeführt und nach der Verdichtung für eine erneute Erhitzung des Trägergases 3 zum Gaserhitzer 2 zurückgeführt wird. Um der mate rial- und/oder volumenbedingten Begrenzung der Eintrittstemperatur in den Ver dichter 6 zu genügen und niedrige Verdichter-Eintrittstemperaturen zu erreichen, wird das Trägergas 3 bei der Kreislaufführung vor dem Eintritt in den Verdichter 6 in der Wärmeübertragungseinrichtung 10 gekühlt, wenn die Trägergastemperatur T oberhalb einer bestimmten Solltemperatur am Verdichtereintritt liegt. Durch die Er höhung der Mindestbeladungstemperatur TM im Vergleich zu dem anhand von Fig. 1 beschriebenen bekannten Betriebsverfahren lässt sich eine höhere Ausnutzung der Wärmespeicheranordnung 9 erreichen, d.h. ein höheres Verhältnis des tatsäch- lieh zur Verfügung stehenden Energieinhalts des Speichers bezogen auf den theo retisch möglichen Energieinhalt bzw. einen maximal möglichen Energieinhalt bei einer bestimmten Temperatur des erhitzten Trägergases 3 beim Austritt aus dem Gaserhitzer 2. Die Ausnutzung der Wärmespeicheranordnung 9 kann so bei dem neuen Betriebsverfahren mehr als 80 %, vorzugsweise bei mehr als 85 %, insbe- sondere bei mehr als 90 %, liegen.

Wie sich auch aus Fig. 2 ergibt, wird das Trägergas 3 bei der Kreislaufführung in der Wärmeübertragungseinrichtung 10 durch Wärmeübertragung an zum Gaserhit- zer 2 zurückgeführtes verdichtetes Trägergas 3 gekühlt. Die Wärmeübertragung zwischen wärmerem Trägergas 3 aus der Wärmespeicherreihe 4 (vor der Zufüh rung zum Verdichter 6) und kälterem Trägergas 3 (nach Austritt aus dem Verdich ter 6) kann indirekt mittels Rekuperatoren ) erfolgen, wobei die Trägergasströme räumlich durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt sind (Fig. 3) oder es wird ein Kühlmittelkreislauf 1 1 vorgesehen (Fig. 4), wobei als Kühlmittel ein Thermoöl eingesetzt werden kann. Gemäß Fig. 5 kann die Wärmeübertragung auch halbindi rekt erfolgen, wobei die beiden Trägergasströme zeitversetzt mit einem Wärme speicher in Kontakt gebracht werden. Wärmetauscher dieser Klasse sind Regene- ratoren. Der in der Wärmeübertragungseinrichtung 10 übertragene Wärmestrom ist in den Fig. 2 bis 5 schematisch durch den Pfeil 12 gezeigt.

Um das Trägergas 3 noch stärker abzukühlen und sicherzustellen, dass das Trä gergas 3 vor dem Eintritt in den Verdichter 6 die Solltemperatur am Verdichterein- tritt nicht überschreitet, kann im Strömungsweg des Trägergases 3 vor dem Ver dichter 6 wenigstens ein Kühler 13 vorgesehen sein.

Wie sich weiter aus Fig. 2 ergibt, wird über ein Regelventil 14 heißes Trägergas 3 aus dem Gaserhitzer 2 und zu rezyklierendes Trägergas 3 aus einem Wärmespei- chermodul 5 bis 8, dessen Trägergastemperatur unterhalb der Mindestbeladungs temperatur zur Beladung eines nachfolgenden Wärmespeichermoduls 6, 7, 8 liegt, zusammengeführt. Die Trägergasvolumenströme werden so aufeinander abge stimmt, dass sich am Mischpunkt eine konstante Temperatur, beispielsweise im Bereich der Mindestbeladungstemperatur, weiter beispielsweise ca. 400 °C bis 500 °C, einstellt. Vor dem Eintritt des Trägergases 3 in die Wärmeübertragungseinrich tung 10 kann eine Temperaturmesseinrichtung 15 vorgesehen sein, um die Tempe ratur des Trägergases 3 zu messen und die Trägergastemperatur am Mischpunkt mittels des Regelventils 14 zu regeln. Im Ergebnis wird der Wärmeübertragungs einrichtung 10 ein Trägergas 3 auf konstantem Temperaturniveau oberhalb der Solltemperatur am Verdichtereintritt zugeführt und kann beispielsweise im Gegen strom mit einem kälteren Trägergas 3 vom Verdichter 6 abgekühlt werden. Das so vorgewärmte verdichtete Trägergas 3 kann dann über den Gaserhitzer 2 wieder in die Wärmespeicherreihe eingekoppelt und zur (weiteren) Beladung genutzt wer den.

Durch Konstanthalten der Trägergastemperatur sinken die verfahrenstechnischen Anforderungen an den Verdichter 6 und der Regelungsaufwand. Darüber hinaus wirkt sich eine konstante Trägergastemperatur 3 vor dem Gaserhitzer 2 vorteilhaft auf die Betriebsweise und die Kosten des Gaserhitzers 2 aus.

Die Fig. 6 bis 10 zeigen schematisch die Beladung der Wärmespeicherreihe 4 der in Fig. 2 gezeigten Wärmespeicheranordnung 9, wobei Fig. 6 die Beladung des ersten Wärmespeichermoduls 5 der Wärmespeicherreihe 4, Fig. 7 die Beladung der ersten beiden Wärmespeichermodule 5, 6 und Fig. 8 die Beladung des zweiten Wärmespeichermoduls 6 und des dritten Wärmespeichermoduls 7 darstellt. Bei dem in Fig. 8 gezeigten Beladungszustand ist das erste Wärmespeichermodul 5 bereits vollständig beladen und kann dann eine Speichertemperatur zwischen 600 und 1.000 °C, vorzugsweise 800 °C, aufweisen. In Fig. 8 ist eine Bypassführung des Trägergases 3 vorbei am ersten Wärmespeichermodul 5 gezeigt, wenn das erste Wärmespeichermodul 5 bereits vollständig beladen ist. Das Wärmespeicher modul 5 ist dann deaktiviert. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass keine Bypassführung vorgesehen ist und ein Wärmespeichermodul 5-7 auch dann noch von heißem Trägergas 3 durchströmt wird, wenn es bereits vollständig beladen ist. Damit kann die Speichertemperatur des beladenen Wärmespeichermoduls 5-7 auf einer vorgegebenen Solltemperatur gehalten werden. Fig. 9 zeigt den Beladungsvorgang für das dritte Wärmespeichermodul 7 und das vierte Wärmespeichermodul 8, wobei die ersten beiden Wärmespeichermodule 5, 6 bereits vollständig beladen sind. Auch hier muss nicht zwingend eine Bypassfüh rung vorgesehen sein, um das Trägergas 3 an den beiden bereits vollständig bela denen Wärmespeichermodulen 5, 6 vorbeizuleiten. Die Führung der Trägergas- ströme erfolgt mithilfe geeigneter Ventile, die vorzugsweise regelbar sind, insbe sondere in Abhängigkeit von einer gemessenen Trägergastemperatur vor dem Ein tritt in die Wärmeübertragungseinrichtung 10.

Die Fig. 10 und 1 1 zeigen beispielhaft und schematisch die Entladung der Wärme- speicherreihe 4, wobei Fig. 10 die Entladung des letzten Wärmespeichermoduls 8 der Wärmespeicherreihe und Fig. 1 1 die Entladung der letzten beiden Wärmespei chermodule 7, 8 zeigt. Bei dem Entladevorgang wird die Wärmespeicherreihe 4 nachfolgend beginnend mit dem letzten Wärmespeichermodul 8 von einem kälte ren Trägergas 3 durchströmt und dabei erhitztes Trägergas 3 einem schematisch dargestellten Verbraucher 18 zugeführt. Zur Messung der Temperatur des heißen Trägergases 3, das zum Verbraucher 18 geleitet wird, ist eine weitere Tempera turmesseinrichtung 17 vorgesehen. Die Steuerung und/oder Regelung der Tempe ratur des heißen Trägergases 3 kann über Regelventile 16 erfolgen, die die Volu- menströme des Trägergases 3 aus den einzelnen Wärmespeichermodulen 7, 8 vorgeben. Der Entladungsvorgang kann grundsätzlich wie in der DE 10 2014 017 346 A1 beschrieben erfolgen. Die Nutzung des bei der Entladung erhitzten Trägergases 3 kann in einem Dampf kraftprozess, insbesondere in Kombination mit einem Gasexpansionsprozess, vor gesehen sein, um Strom zu erzeugen und/oder das bei einem Entladungsvorgang erhaltene heiße Trägergas 3 kann zur Prozessdampf- und/oder Fernwärmeerzeu gung und/oder zur Einkopplung von Wärme in einen Vorwärmprozess eingesetzt werden.

Wie sich aus den Fig. 6 bis 9 im Übrigen ergibt, ist eine Vermischung des Träger gases 3 mit heißem Trägergas 3 aus dem Gaserhitzer 2 vorgesehen, wenn das Trägergas 3 eine festgelegte Mindestbeladungstemperatur für ein nachfolgendes Wärmespeichermodul 6, 7, 8 unterschreitet und für die Beladung des nachfolgen den Wärmespeichermoduls 6 (Fig. 6), 7 (Fig. 7), 8 (Fig. 8) nicht mehr genutzt wer den kann und stattdessen im Kreislauf über die Wärmeübertragungseinrichtungen 10, 13 dem Verdichter 6 zugeführt, dort verdichtet und dann dem Gaserhitzer 2 zu rückgeführt wird. Das Trägergas 3 tritt gemäß Fig. 9 aus dem letzten Wärmespei- chermodul 8 der Wärmespeicherreihe 4 mit einer Trägergastemperatur aus, die vorzugsweise der Mindestbeladungstemperatur entspricht oder auch höher oder tiefer als diese sein kann. Durch die Wärmeübertragungseinrichtungen 10, 13 ist in jedem Fall sichergestellt, dass das Trägergas 3 nach der Kühlung auf Solltempera tur am Verdichtereintritt vorliegt. Liegt die Trägergastemperatur beim Austritt aus dem letzten Wärmespeichermodul 8 der Wärmespeicherreihe 4 dagegen auf einem Temperaturniveau unterhalb der Mindestbeladungstemperatur, kann durch Zufuhr vom heißen Trägergas 3 aus dem Gaserhitzer 2 eine konstante höhere Trägergas temperatur vor dem Eintritt in die Wärmeübertragungseinrichtung 10 eingestellt werden, insbesondere die Mindestbeladungstemperatur. Dies gilt entsprechend für die anderen Wärmespeichermodule 5, 6, 7.

Entsprechendes gilt für die Vermischung des Trägergases 3 aus einem der vorge lagerten Wärmetauschermodule 5, 6, 7, wenn die Trägergastemperatur unter der Mindestbeladungstemperatur des jeweils nachfolgenden Wärmetauschermoduls 6, 7, 8 der Wärmetauscherreihe 4 liegt und eine Kreislaufführung des Trägergases 3 zur erneuten Erhitzung erforderlich ist. Durch Vermischung mit heißem Trägergas 3 aus dem Gaserhitzer 2 lässt sich jeweils das aus einem Wärmetauschermodul 5 bis 8 austretende Trägergas 3 erwärmen und eine vorgegebene, insbesondere konstante Trägergastemperatur vor dem Eintritt in die Wärmeübertragungseinrich tung 10 einstellen.

Die Fig. 12 bis 14 zeigen auf der Grundlage von Simulationsergebnissen, dass durch die oben beschriebene Kühlung des Trägergases 3 bei der Kreislaufführung nach dem Austritt aus der Wärmespeicherreihe 4 und vor dem Eintritt in den Ver dichter 6 in der Wärmeübertragungseinrichtung 10, insbesondere durch Wärme übertragung an zum Gaserhitzer 2 zurückgeführtes verdichtetes Trägergas 3, die energetische Ausnutzung der Wärmespeicherreihe erheblich gesteigert werden kann, was mit einer entsprechenden Reduzierung der erforderlichen Speichermas sen verbunden ist.

Fig. 12 zeigt das Temperaturprofil einer Wärmespeicheranordnung mit fünf Wär mespeichern, wobei das Trägergas vor dem Eintritt in den Verdichter nicht gekühlt wird. Die maximale Temperaturdifferenz des Trägergases bezogen auf das Ende der Beladung bzw. den Austritt aus der Wärmespeicherreihe und den Eintritt in den Verdichter beträgt 150 °C. Es kann eine Ausnutzung von 35 % ermittelt werden. Das Trägergas erreicht bei der Endladung der Wärmespeicherreihe zu Ver brauchszwecken eine Temperatur von 760 °C.

Fig. 13 zeigt das Temperaturprofil einer Wärmespeicheranordnung mit fünf Spei chern, wobei das Trägergas bei der Kreislaufführung wie oben beschrieben in einer Wärmeübertragungseinrichtung vor dem Eintritt in den Verdichter durch Wärme übertragung an das verdichtete Trägergas gekühlt wird. Das Trägergas tritt bei der Beladung der Wärmespeicherreihe mit einer Temperatur von 500 °C aus und wird auf diesem Temperaturniveau der Wärmeübertragungseinrichtung zugeführt. Die Verdichtereintrittstemperatur beträgt konstant beispielsweise 50 °C. Es kann eine Ausnutzung von 84 % ermittelt werden. Die Temperatur des Trägergases bei der Entladung beträgt 760 °C.

Fig. 14 zeigt das Temperaturprofil einer Wärmespeicheranordnung mit fünf Spei chern, wobei wiederum das Trägergas bei der Kreislaufführung vor dem Eintritt in den Verdichter in einer Wärmeübertragungseinrichtung gekühlt wird durch Wärme übertragung an zum Gaserhitzer zurückgeführtes verdichtetes Trägergas. Die Aus- trittstemperatur des Trägergases aus der Wärmespeicherreihe beträgt 500 °C. Auf diesem Temperaturniveau wird das Trägergas der Wärmeübertragungseinrichtung zugeführt. Die Temperatur zum Verdichter beträgt beispielsweise konstant 50 °C. Es kann eine Ausnutzung von 76 % ermittelt werden. Die Temperatur des Träger- gases bei der Entladung kann bei 950 °C liegen, wobei über eine lange Zeit ein hohes Temperaturniveau zum Verbraucher gehalten werden kann.

Bezugszeichenliste:

1 Wärmespeicheranordnung 1 1 Kühlmittelkreislauf

2 Gaserhitzer 12 Wärmestrom

3 Trägergas 15 13 Kühler

4 Wärmespeicherreihe 14 Ventil

5 Wärmespeichermodul 15 Temperaturmesseinrichtung

6 Wärmespeichermodul 16 Ventil

7 Wärmespeichermodul 17 Temperaturmesseinrichtung 8 Wärmespeichermodul 20 18 Verbraucher

9 Wärmespeicheranordnung

10 Wärmeübertragungseinrichtung