DE102011053349B4

DE102011053349B4 - Wärmespeichersystem und Verfahren zum Speichern von Wärme

Info

Publication number: DE102011053349B4
Application number: DE102011053349.4A
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dieter Steinmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2022-02-24
Anticipated expiration: 2031-09-08
Also published as: DE102011053349A1

Abstract

Wärmespeichersystem zur Speicherung von Wärme mittels eines Wärmespeichermediums, umfassend:
eine Speichervorrichtung (102) und
eine Fluidzuführvorrichtung (112) zur Zuführung eines Wärmeübertragungsfluids von einer Wärmeübertragungsvorrichtung (106) zu der Speichervorrichtung (102) zur Beladung der Speichervorrichtung (102) mit Wärme,
wobei die Speichervorrichtung (102) mindestens zwei Speicherabschnitte (116) umfasst, welche jeweils zumindest teilweise mit einem Wärmespeichermedium gefüllt und unabhängig voneinander mit Wärmeübertragungsfluid durchströmbar sind, dadurch gekennzeichnet,
dass das Wärmeübertragungsfluid mittels der Fluidzuführvorrichtung (112) wahlweise jeweils einem der mindestens zwei Speicherabschnitte (116) zuführbar ist, wobei eine Übertragung der Wärme von dem Wärmespeichermedium auf das Wärmeübertragungsfluid und/oder von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium durch direkten stofflichen Kontakt erfolgt, wobei das Wärmespeichermedium in mindestens einem Speicherabschnitt (116) ein Feststoff ist und ein Mineral und/oder ein Gestein umfasst, wobei das Wärmeübertragungsfluid ein flüssiges Salz und/oder ein Thermoöl umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmespeichersystem zur Speicherung von Wärme mittels eines Wärmespeichermediums, welches eine Speichervorrichtung und eine Fluidzuführvorrichtung zur Zuführung eines Wärmeübertragungsfluids von einer Wärmeübertragungsvorrichtung zu der Speichervorrichtung zur Beladung der Speichervorrichtung mit Wärme umfasst.
Zur Speicherung von Wärme in einer Speichervorrichtung kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Wärmeübertragungsfluid durch einen mit einem Wärmespeichermedium gefüllten Speicherbehälter geführt wird. Um eine große Menge an Wärme speichern zu können, muss die Menge des Wärmespeichermediums entsprechend gewählt werden. Bei einem großen Speicherbehälter zur Aufnahme einer großen Menge von Wärmespeichermedium ist in der Folge eine große Menge an Wärmeübertragungsfluid notwendig, um die Speichervorrichtung mit Wärme beladen zu können.
Die DE 10 2011 000 655 A1 offenbart ein Wärmetransportsystem.
Die DE 28 06 656 A1 offenbart eine Wärmeübertragungseinrichtung.
Die DE 31 36 607 A1 offenbart eine Schwimmbeckenanlage.
Die DE 34 24 298 C2 offenbart eine Speicherheizung.
Die DE 10 2009 057 417 A1 offenbart eine Speichervorrichtung und ein Verfahren zu deren Betrieb.
Die DE 195 33 475 A1 offenbart eine Energieanlage für Gebäude.
Die DE 198 11 302 A1 offenbart einen Sorptionsspeicher sowie eine Anordnung und ein Verfahren zur Speicherung von Wärme.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmespeichersystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem eine effiziente Beladung einer Speichervorrichtung mit Wärme unter Verwendung einer geringen Menge eines Wärmeübertragungsfluids möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wärmespeichersystem gemäß Anspruch 1 gelöst.
Dadurch, dass die Speichervorrichtung mindestens zwei Speicherabschnitte umfasst, welche jeweils zumindest teilweise mit einem Wärmespeichermedium gefüllt und unabhängig voneinander mit Wärmeübertragungsfluid durchströmbar sind, ist lediglich eine geringe Menge Wärmeübertragungsfluid notwendig, um die Speichervorrichtung mit Wärme zu beladen, da die mindestens zwei Speicherabschnitte nicht unbedingt gleichzeitig, sondern nacheinander mit Wärmeübertragungsfluid durchströmt werden können.
Dadurch, dass das Wärmeübertragungsfluid mittels der Fluidzuführvorrichtung wahlweise jeweils mindestens einem der mindestens zwei Speicherabschnitte zuführbar ist, kann das vorhandene Wärmeübertragungsfluid gezielt wahlweise unterschiedlichen Speicherabschnitten der Speichervorrichtung zugeführt werden, um gezielt einzelne Speicherabschnitte mit Wärme zu beladen.
Vorteilhaft kann es sein, wenn alternierend jeweils mindestens einem der mindestens zwei Speicherabschnitte Wärmeübertragungsfluid zuführbar ist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Speichervorrichtung intermittierend beladen wird, das heißt, dass sich Phasen, in welchen ein Speicherabschnitt mit Wärmeübertragungsfluid durchströmt wird, mit Phasen, in welchen keine Durchströmung des Speicherabschnitts mit Wärmeübertragungsfluid erfolgt, abwechseln.
Vorteilhaft kann es sein, wenn Wärme in Form von sensibler Wärme gespeichert wird. Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass Wärme in Form von latenter Wärme gespeichert wird.
Das Wärmespeichermedium ist ein von dem Wärmeübertragungsfluid verschiedenes Medium.
Eine Übertragung der Wärme von dem Wärmespeichermedium auf das Wärmeübertragungsfluid und/oder von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium erfolgt durch direkten (stofflichen) Kontakt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wärmespeichersystem eine Fluidrückführvorrichtung zur Rückführung des Wärmeübertragungsfluids von der Speichervorrichtung zu der Wärmeübertragungsvorrichtung, insbesondere bei der Beladung der Speichervorrichtung mit Wärme, umfasst. Auf diese Weise kann das Wärmeübertragungsfluid besonders einfach in einem Kreislauf geführt werden.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass bei der Entladung der Speichervorrichtung, das heißt bei der Entnahme von Wärme aus der Speichervorrichtung, die Fluidzuführvorrichtung zur Zuführung des Wärmeübertragungsfluids von der Wärmeübertragungsvorrichtung zu der Speichervorrichtung und/oder die Fluidrückführvorrichtung zur Rückführung des Wärmeübertragungsfluids von der Speichervorrichtung zu der Wärmeübertragungsvorrichtung dient. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass die Funktionsweise bei der Entladung umgekehrt wird und somit bei der Entladung der Speichervorrichtung die Fluidzuführvorrichtung zur Zuführung des Wärmeübertragungsfluids von der Speichervorrichtung zu der Wärmeübertragungsvorrichtung und/oder die Fluidrückführvorrichtung zur Rückführung des Wärmeübertragungsfluids von der Wärmeübertragungsvorrichtung zu der Speichervorrichtung dient.
Das Wärmespeichersystem umfasst vorzugsweise mindestens einen Vorratsbehälter zur Aufnahme des Wärmeübertragungsfluids. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wärmeübertragungsfluid in mindestens einem Vorratsbehälter aufgenommen wird, wenn weder eine Beladung noch eine Entladung der Speichervorrichtung erfolgt, das heißt insbesondere dann, wenn das Wärmespeichersystem in einem Speicherzustand vorliegt.
Mindestens ein Vorratsbehälter umfasst vorzugsweise eine Heizvorrichtung zum Heizen des Wärmeübertragungsfluids. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass das Wärmeübertragungsfluid zur Beladung und/oder Entladung der Speichervorrichtung betriebsbereit gehalten wird, insbesondere flüssig oder gasförmig gehalten wird. Insbesondere bei der Verwendung von flüssigen Salzen als Wärmeübertragungsfluid kann auf diese Weise gewährleistet werden, dass das Salz nicht auskristallisiert und dann zur Beladung und/oder Entladung der Speichervorrichtung nicht mehr verwendet werden kann.
Günstig kann es sein, wenn mindestens zwei Speicherabschnitte der Speichervorrichtung durch mindestens zwei voneinander getrennte Abschnitte eines Speicherbehälters gebildet sind.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Speicherbehälter mindestens zwei, beispielsweise vier, Zylindersegmente umfasst. Zylindersegmente sind dabei insbesondere Abschnitte eines Zylinders zwischen radial von der Mitte (Symmetrieachse) des Zylinders nach außen verlaufenden, um einen Drehwinkel um die Zylinderachse zueinander gedrehten Trennebenen.
Mindestens ein Speicherbehälter ist vorzugsweise thermisch isoliert, um eine unerwünschte Wärmeabgabe an die Umgebung zu minimieren.
Vorteilhaft kann es sein, wenn mindestens zwei Speicherabschnitte der Speichervorrichtung durch mindestens zwei voneinander getrennte Speicherbehälter gebildet sind.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Speichervorrichtung als eine modulartige Speichervorrichtung ausgebildet ist, welche mehrere Speicherabschnitte umfasst, die je nach Speicherbedarf zur Kapazitätsanpassung zugeschaltet oder abgeschaltet werden können. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass stapelbare Speicherplatten und/oder weitere Speicherbehälter an eine vorhandene Speichervorrichtung anschließbar sind, um die Speicherkapazität bei Bedarf zu erhöhen.
Insbesondere bei der Verwendung von stapelbaren Speicherplatten kann vorgesehen sein, dass durch eine Variation einer Zufuhrhöhe des Wärmeübertragungsfluids die genutzte, das heißt durchströmte, Menge an Wärmespeichermedium zur Kapazitätsanpassung variiert wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Wärmespeicheredium in mindestens einem Speicherabschnitt ein Feststoff ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wärmespeichermedium als Schüttung vorliegt.
Das Wärmespeichermedium umfasst in mindestens einem Speicherabschnitt ein Mineral und/oder ein Gestein. Ein solches Wärmespeichermedium ist besonders kostengünstig, so dass mit geringen Investitionskosten eine große Speicherkapazität bereitgestellt werden kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass als Wärmespeichermedium Beton oder Quarzit verwendet wird.
Das Wärmespeichermedium wird vorzugsweise drucklos unter Normaldruck (Umgebungsdruck) bei ungefähr 1 bar gelagert und/oder verwendet.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Wärmespeichermedium porös ausgebildet ist und/oder, beispielsweise als Rinnen ausgebildete, Strömungswege umfasst. Auf diese Weise kann ein effizienter Wärmeübertrag von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium erfolgen.
Insbesondere dann, wenn Wärme in Form von latenter Wärme gespeichert werden soll, kann vorgesehen sein, dass das Wärmespeichermedium ein Phasenwechselmedium (PCM-Material) umfasst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Wärmeübertragungsfluid ein flüssiges Salz und/oder ein Thermoöl umfasst. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wärmeübertragungsfluid aus flüssigem Salz und/oder Thermoöl besteht.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Wärmeübertragungsfluid unter (leichtem) Überdruck, beispielsweise mindestens ungefähr 1,1 bar, insbesondere mindestens ungefähr 1,3 bar, verwendet und/oder gespeichert (gelagert) wird.
Günstig kann es sein, wenn die Menge des Wärmeübertragungsfluids so gewählt wird, dass diese zur Beladung von exakt einem Speicherabschnitt der Speichervorrichtung ausreicht. Zur Beladung mehrerer Speicherabschnitte mit Wärme wird das Wärmeübertragungsfluid dann vorzugsweise einem Speicherabschnitt nach dem anderen (alternierend) zugeführt. Auf diese Weise können die Kosten des Wärmespeichersystems minimiert werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Gesamtvolumen des Wärmeübertragungsfluids des Wärmespeichersystems höchstens ungefähr 50 % des Gesamtvolumens des Wärmespeichermediums des Wärmespeichersystems beträgt.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein Gesamtvolumen des Wärmeübertragungsfluids des Wärmespeichersystems höchstens ungefähr 35 %, vorzugsweise höchstens ungefähr 25 %, des Gesamtvolumens des Wärmespeichermediums des Wärmespeichersystems beträgt.
Ein Hohlraumvolumenanteil in den Speicherabschnitten der Speichervorrichtung, das heißt ein nicht mit Wärmespeichermedium gefüllter Teil, welcher beim Beladen und/oder Entladen der Speichervorrichtung mit Wärmeübertragungsfluid durchströmt wird, beträgt vorzugsweise mindestens ungefähr 10 %, insbesondere mindestens ungefähr 20 %, beispielsweise mindestens ungefähr 30 %, jedoch vorzugsweise höchstens ungefähr 70 %, insbesondere höchstens ungefähr 60 %, beispielsweise höchstens ungefähr 50 %, des Gesamtvolumens (Inhalt) der Speicherabschnitte. Auf diese Weise kann eine große Menge an Wärmespeichermedium mit Wärme beladen und durch eine große Kontaktfläche zugleich ein zügiger Wärmeübergang von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium ermöglicht werden.
Vorzugsweise weisen mindestens zwei Speicherabschnitte, insbesondere sämtliche Speicherabschnitte, denselben Hohlraumvolumenanteil auf.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens zwei Speicherabschnitte der Speichervorrichtung unabhängig voneinander bewegbar, insbesondere unabhängig voneinander transportabel, sind. Insbesondere bei einem modulartigen Aufbau einer Speichervorrichtung kann auf diese Weise besonders einfach eine Anpassung der Speicherkapazität der Speichervorrichtung durch die Hinzufügung oder Entnahme von Speicherabschnitten erfolgen.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Wärmespeichersystem eine Fördervorrichtung zur Förderung des Wärmeübertragungsfluids umfasst. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass das Wärmespeichersystem eine Pumpvorrichtung, eine Saugvorrichtung, eine Unterdruckvorrichtung und/oder Ähnliches zur Beförderung des Wärmeübertragungsfluids umfasst. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wärmespeichersystem eine Pumpvorrichtung zur Zuführung des Wärmeübertragungsfluids von der Wärmeübertragungsvorrichtung zu der Speichervorrichtung und/oder von der Speichervorrichtung zu der Wärmeübertragungsvorrichtung umfasst. Ferner kann vorgesehen sein, dass das Wärmespeichersystem eine Pumpvorrichtung, eine Saugvorrichtung und/oder eine Unterdruckvorrichtung zur Beförderung des Wärmeübertragungsfluids in mindestens einen Vorratsbehälter des Wärmespeichersystems umfasst.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Speichern von Wärme mittels eines Wärmespeichersystems bereitzustellen, bei welchem eine Speichervorrichtung auf effiziente Art und Weise mit einer geringen Menge an Wärmeübertragungsfluid mit Wärme beladen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wärmespeichersystem beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zur Beladung der Speichervorrichtung mit Wärme mehrere Beladungszyklen durchgeführt werden, wobei in einem Beladungszyklus mindestens zwei Speicherabschnitten der Speichervorrichtung nacheinander jeweils mindestens einmal Wärmeübertragungsfluid zugeführt wird. Vorzugsweise ist ein Durchströmungsvorgang des einen Speicherabschnitts beendet, bevor ein Durchströmungsvorgang eines weiteren Speicherabschnitts gestartet wird. Auf diese Weise kann eine intermittierende Beladung der Speichervorrichtung besonders einfach realisiert werden.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass einem Speicherabschnitt der Speichervorrichtung jeweils für höchstens ungefähr 200 Sekunden, insbesondere für höchstens ungefähr 100 Sekunden, vorzugsweise für mindestens ungefähr 30 Sekunden, insbesondere für mindestens ungefähr 60 Sekunden, Wärmeübertragungsfluid zugeführt wird.
Bei mehreren aufeinanderfolgenden Beladungszyklen ist vorzugsweise eine alternierende Zuführung von Wärmeübertragungsfluid zu den mindestens zwei Speicherabschnitten der Speichervorrichtung möglich. Dies ermöglicht eine effiziente Beladung der Speichervorrichtung bei Verwendung einer geringen Menge an Wärmeübertragungsfluid.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Dauer eines Beladungszyklus so gewählt wird, dass innerhalb eines Beladungszyklus höchstens ungefähr 30 % der maximal in der Speichervorrichtung speicherbaren Wärme in die Speichervorrichtung eingebracht wird.
Auf diese Weise kann eine effizientere Wärmeaufnahme der Speichervorrichtung erzielt werden, weil vorzugsweise eine Temperaturdifferenz an einer Kontaktfläche zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und dem Wärmespeichermedium nach einer Phase, in welcher der betreffende Speicherabschnitt nicht mit Wärmeübertragungsfluid durchströmt wurde, größer ist als bei kontinuierlicher Durchströmung des Speicherabschnitts mit Wärmeübertragungsfluid, so dass ein größerer Wärmeübertrag von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium möglich ist.
Günstig kann es sein, wenn die Dauer des Beladungszyklus so gewählt wird, dass innerhalb eines Beladungszyklus höchstens ungefähr 20 %, insbesondere höchstens ungefähr 15 %, der maximal speicherbaren Wärme in die Speichervorrichtung eingebracht wird.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zeitdauern aufeinanderfolgender Beladungszyklen im Wesentlichen gleich lang gewählt werden.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass mit zunehmendem Beladungszustand der Speichervorrichtung länger oder kürzer werdende Beladungszyklen gewählt werden.
Günstig kann es sein, wenn in einem Speicherzustand des Wärmespeichersystems das Wärmeübertragungsfluid in einem Vorratsbehälter aufbewahrt und dort vorzugsweise geheizt wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass zur Entladung der Speichervorrichtung Wärmeübertragungsfluid durch mindestens einen Speicherabschnitt der Speichervorrichtung geleitet und einer Wärmeübertragungsvorrichtung, welche dann vorzugsweise als Wärmesenke dient, zugeführt wird.
Vorzugsweise wird ein Erstarren des Wärmeübertragungsfluids vermieden. Hierzu kann insbesondere eine Heizvorrichtung vorgesehen sein, um das Wärmeübertragungsfluid auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten.
Vorzugsweise muss zum Beladen der Speichervorrichtung mit Wärme nicht das komplette Wärmespeichersystem, insbesondere nicht sämtliche Speicherabschnitte/Speicherbehälter, vorgeheizt werden. Vielmehr kann es zur Inbetriebnahme des Wärmespeichersystems ausreichend sein, wenige oder auch nur einen Speicherabschnitt (Speicherbehälter) des Wärmespeichersystems vorzuheizen, beispielsweise um ein Erstarren des Wärmeübertragungsfluids bei der Zuführung desselben zu dem Speicherabschnitt zu vermeiden.
Vorzugsweise erfolgt eine Speicherung von thermischer Energie in einem kostengünstigen Material, das beispielsweise periodisch von flüssigem Salz überströmt wird. Das Speichermaterial ist dabei vorzugsweise so geformt und/oder angeordnet, dass sich ein Kanalsystem für das flüssige Salz bildet und eine hohe Relativgeschwindigkeit zwischen dem Wärmespeichermedium und dem flüssigen Salz (Wärmeübertragungsfluid) gewährleistet ist. Auf diese Weise kann ein hoher Strömungsquerschnitt ermöglicht werden.
Vorzugsweise wird dadurch, dass das Wärmespeichermedium nur während der Beladung und der Entladung mit dem Wärmeübertragungsfluid in Kontakt kommt, eine chemische Wechselwirkung zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und dem Wärmespeichermedium reduziert. Vorzugsweise wird das Wärmespeichermedium in einem separaten Behälter angeordnet, der das Wärmespeichermedium vor Witterungseinflüssen schützt und thermische Verluste, welche beispielsweise aus einer Luftumströmung des Wärmespeichermediums resultieren, reduziert.
Ein Speicherbehälter ist vorzugsweise nicht ständig mit dem Wärmeübertragungsfluid in Kontakt, so dass die Dichtigkeit von untergeordneter Bedeutung ist.
Weitere Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines bekannten Wärmespeichersystems;
2 eine schematische Darstellung eines zylindrischen Speichersegments, auf dessen Basis unterschiedliche Beladungsarten beschrieben werden;
3 ein Diagramm zur Illustration einer kontinuierlichen Beladung;
4 ein Diagramm zur Illustration einer Beladung mit 50 % Beladungszeit;
5 ein Diagramm zur Illustration einer Beladung mit 33 % Beladungszeit;
6 ein Diagramm zur Illustration einer Beladung mit 25 % Beladungszeit;
7 ein Diagramm zur Illustration des Verlaufs einer Beladung bei der Beladung des Speichers aus 2 gemäß den in den 3 bis 6 dargestellten Beladungsarten;
8 ein Diagramm zur Illustration der Wärmestromdichte im Verlauf der Zeit bei periodischer Beladung (25 % Beladungszeit) und bei stetiger Beladung (100 % Beladungszeit);
9 einen schematischen vertikalen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Speichervorrichtung eines Wärmespeichersystems;
10 eine schematische Draufsicht auf die Speichervorrichtung aus 9;
11 eine schematische Schnittdarstellung zur Illustration einer Beladung der Speichervorrichtung aus 9 mit Wärme;
12 eine schematische Schnittdarstellung zur Illustration der Entladung der Speichervorrichtung aus 9;
13 einen schematischen vertikalen Schnitt durch einen Niedertemperaturspeicher der Speichervorrichtung aus 9 während der Beladung des Niedertemperaturspeichers;
14 eine der 13 entsprechende Darstellung des Niedertemperaturspeichers bei der Entladung desselben;
15 einen vertikalen Schnitt durch den Niedertemperaturspeicher aus 13 längs der Linie 15 - 15 in 13;
16 eine schematische Darstellung eines vertikalen Schnitts durch eine zweite Ausführungsform einer Speichervorrichtung während einer Beladung derselben mit Wärme;
17 eine der 16 entsprechende schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform der Speichervorrichtung während der Entladung derselben;
18 eine schematische Draufsicht von oben auf die Speichervorrichtung aus den 16 und 17;
19 einen schematischen vertikalen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform einer Speichervorrichtung, bei welcher ein zylindrischer Speicherbehälter mit einer rotierenden Sektorenscheibe vorgesehen ist;
20 eine schematische Draufsicht von oben auf die Speichervorrichtung aus 19;
21 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Speichervorrichtung, bei welcher mehrere voneinander getrennte Speicherbehälter vorgesehen sind, in einem Speicherzustand der Speichervorrichtung;
22 eine der 21 entsprechende schematische Darstellung der vierten Ausführungsform der Speichervorrichtung, wobei eine Beladung eines ersten Speicherbehälters der Speichervorrichtung erfolgt; und
23 eine der 21 entsprechende schematische Darstellung der vierten Ausführungsform der Speichervorrichtung, wobei eine Beladung eines zweiten Speicherbehälters der Speichervorrichtung erfolgt.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugzeichen versehen.
In 1 ist ein als Ganzes mit 100 bezeichnetes Wärmespeichersystem dargestellt, welches eine Speichervorrichtung 102 mit zwei Speicherbehältern 104 und eine Wärmeübertragungsvorrichtung 106 umfasst.
Bei dem Wärmespeichersystem 100 aus der 1 kann mittels der Wärmeübertragungsvorrichtung 106, durch welche einerseits ein Wärmeübertragungsfluid, beispielsweise ein Thermoöl, und andererseits ein Wärmespeichermedium, beispielsweise flüssiges Salz, geleitet werden kann, Wärme von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium und umgekehrt übertragen werden.
Beim Beladen der Speichervorrichtung 102 des Wärmespeichersystems 100 wird der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 erhitztes Wärmeübertragungsfluid zugeführt. Die in dem Wärmeübertragungsfluid enthaltene Wärme kann dann zumindest teilweise mittels der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 auf das ebenfalls durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 106 durchgeleitete Wärmespeichermedium übertragen werden.
Die Speicherbehälter 104 dienen der Aufnahme des Wärmespeichermediums, wobei ein als Heißtank 108 ausgebildeter Speicherbehälter 104 und ein als Kalttank 110 ausgebildeter Speicherbehälter 104 vorgesehen sind und folglich einer der Speicherbehälter 104 zur Aufnahme des erhitzten Wärmespeichermediums (Heißtank 108) und der andere der beiden Speicherbehälter 104 zur Aufnahme von (relativ) kaltem Wärmespeichermedium (Kalttank 110) dient.
Beim Beladen der Speichervorrichtung 102 mit Wärme wird während der Durchleitung von Wärmeübertragungsfluid durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 106 kaltes Wärmespeichermedium aus dem Kalttank 110 durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 106 geleitet, darin erhitzt und anschließend dem Heißtank 108 zugeführt. In dem Heißtank 108 wird das Wärmespeichermedium gespeichert.
Die in dem heißen Wärmespeichermedium gespeicherte Wärme kann dann dadurch entnommen werden, dass das Wärmespeichermedium zum Entladen der Speichervorrichtung 102 aus dem Heißtank 108 durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 106 zurück in den Kalttank 110 geleitet, wobei die gespeicherte Wärme in der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 an das Wärmeübertragungsfluid übertragen wird.
Ein solches Wärmespeichersystem 100 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn in thermischen Prozessen eine zeitliche Differenz zwischen Energieangebot und Energiebedarf besteht und zur Vergleichmäßigung eines thermischen Prozesses Energie in Zeiten eines Überangebots gespeichert und somit in Zeiten eines Unterangebots zur Verfügung gestellt werden soll. Die Energie kann dabei beispielsweise in Form von sensibler und/oder latenter Wärme gespeichert werden.
Wenn sich das Arbeitsmedium (beispielsweise Wasserdampf) nicht als Speichermedium eignet, weil die volumetrische Energiedichte des Arbeitsmediums zu gering ist oder die Kosten des Arbeitsmediums zu hoch sind, kann eine funktionelle Trennung in Wärmeübertragungsfluid und Wärmespeichermedium erfolgen. Als Wärmespeichermedium wird dann ein von dem Wärmeübertragungsfluid verschiedenes Medium eingesetzt.
Insbesondere kommen hierbei Wärmespeichermedien in Betracht, welche im relevanten Temperaturbereich in flüssiger Form vorliegen und drucklos gespeichert werden können.
Für Anwendungen, die im Temperaturbereich solarthermischer Kraftwerke (200 °C bis 600 °C) liegen, kommen insbesondere Salze infrage.
Beim Beladen bzw. Entladen der Speichervorrichtung 102 wird Energie zwischen dem Wärmespeichermedium und dem Wärmeübertragungsfluid übertragen. Im Wärmespeichermedium müssen Bereiche höherer Temperatur von Bereichen niedrigerer Temperatur getrennt werden. Ein Vermischen ist vorzugsweise zu vermeiden. Häufig werden getrennte Speicherbehälter 104 (Tanks, Heißtank 108 und Kalttank 110) eingesetzt, die am Ein- bzw. Austritt der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 angeschlossen werden (siehe 1). Möglich ist auch die Verwendung nur eines einzelnen Tanks, bei dem eine vertikale Temperaturschichtung des Wärmespeichermediums ausgenutzt wird.
Der in 1 dargestellte prinzipielle Aufbau eines Zweitanksystems sieht vor, dass beispielsweise bei der Verwendung von Salz als Wärmespeichermedium im Heißtank 108 eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 380 °C und im Kalttank 110 eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 300 °C herrscht. Durch die Anbindung eines Generators kann eine solche Speichervorrichtung 102 vorzugsweise eine elektrische Leistung im Bereich von 50 MW über mehrere Stunden ermöglichen. Die Speicherbehälter 104 sind hierzu beispielsweise zylindrische Tanks mit einem Durchmesser von zwischen ungefähr 30 m und ungefähr 50 m bei einer Höhe von ungefähr 15 m bis ungefähr 20 m. Die hierfür benötigte Salzmasse beträgt ca. 28.500 t. Da das als Wärmespeichermedium dienende Salz teuer ist, führt dies dazu, dass die Kosten für das Salzinventar ungefähr 50 % der Gesamtinvestitionskosten für die Speichervorrichtung 102 ausmachen.
Um das erforderliche Wärmespeichermediumvolumen (Salzvolumen) und damit die Investitionskosten zu reduzieren, kann ein großer Anteil des Salzes durch ein kostengünstiges Füllmaterial, welches als Wärmespeichermedium dienen soll, ersetzt werden. Die massenspezifischen Kosten des Füllmaterials liegen dann beispielsweise bei ungefähr 10 % der entsprechenden Kosten des Salzes. Das Füllmaterial wird vorzugsweise als Schüttung in einem Behälter eingesetzt, so dass das Füllmaterial eine große Oberfläche aufweist.
Wenn nun flüssiges Salz, welches als Wärmeübertragungsfluid zur Übertragung von Wärme auf das das Wärmespeichermedium bildende Füllmaterial verwendet wird, durch den Behälter (Speicherbehälter 104) geleitet wird, kann effizient Wärme von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium übertragen werden. Durch die Verwendung von Füllmaterial als Wärmespeichermedium können die Kosten auf ungefähr zwei Drittel der Kosten eines Zweitank-Salzspeichers reduziert werden.
Vorteilhaft kann es nun sein, ein Wärmespeichersystem 100 vorzusehen, bei welchem ein intermittierendes Beladen einer Speichervorrichtung 102 möglich ist. Wie beispielsweise 2 zu entnehmen ist, kann hierzu ein rohrförmiger Speicherbehälter 104 vorgesehen sein, welcher mit Wärmespeichermedium gefüllt und mittels eines Wärmeübertragungsfluids durchströmbar ist.
Die in den 3 bis 6 dargestellte Beladungszeit t ist der zur Beladung verfügbare Zeitraum, in welchem vorzugsweise das gesamte Wärmespeichermedium eine Endtemperatur erreicht, die beispielsweise um 50 K über der ursprünglichen Temperatur liegt. Das Wärmeübertragungsfluid, das durch das Wärmespeichermedium strömt, hat idealisierterweise zu jedem Zeitpunkt die Endtemperatur. Im Referenzfall (3) strömt das Wärmeübertragungsfluid kontinuierlich durch das Wärmespeichermedium (Nutzung der Beladungszeit zu 100 %: 100 % Beladezeit). Wie 7 zu entnehmen ist, führt dies zu einem kontinuierlichen Verlauf des Beladungszustandes von 0 (leer) bis 1 (vollständig auf Endtemperatur). Bei weiteren Beispielen wird das Wärmespeichermedium zyklisch von dem Wärmeübertragungsfluid durchströmt. So kann beispielsweise gemäß 4 vorgesehen sein, dass nach einer Durchströmungsdauer von 100 Sekunden für weitere 100 Sekunden keine Durchströmung erfolgt und sich hieran anschließend eine weitere Phase von 100 Sekunden Durchströmung anschließt usw. Die Beladungszeit beträgt somit 50 % der möglichen Beladungszeit. Der zeitliche Verlauf des Beladungszustands für diesen Fall ist in 7 mit 50 % gekennzeichnet.
In weiteren Beispielen werden die Phasen ohne Durchströmung ausgedehnt (200 Sekunden ohne Durchströmung entspricht 33 % Beladungszeit (5); 300 Sekunden ohne Durchströmung entspricht 25 % Beladungszeit (6)).
Wie 7 zu entnehmen ist, beeinflusst die Beladungszeit nur in begrenztem Umfang den erreichbaren Beladungszustand.
Wie 8 zu entnehmen ist, welche eine Illustration der flächenspezifischen Wärmestromdichten W an der Position des Kontaktes zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und dem Wärmespeichermedium ist, führt die zyklische Beladung zu zwischenzeitlich sehr hohen Wärmestromdichten und somit trotz langer Unterbrechungsphasen zu einem hohen Wärmeübertrag von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium.
Dies ergibt sich insbesondere durch die höhere Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und dem Wärmespeichermedium an den Kontaktflächen bei intermittierender Beladung, welche wiederum aus einem Temperaturausgleich des Wärmespeichermediums in Phasen ohne Durchströmung resultiert.
Die Leistung einer Speichervorrichtung 102 kann somit erhöht werden, wenn zyklisch einzelne Speichersegmente beladen werden, um in den restlichen Segmenten einen Temperaturausgleich innerhalb des Wärmespeichermediums zu ermöglichen, der vor Beginn der nächsten Beladungsphase die Temperaturdifferenz an der Kontaktfläche zwischen Wärmeübertragungsfluid und Wärmespeichermedium vergrößert. Für den Fall der vorstehend erörterten zyklischen Beladung über einen Zeitraum von 25 % der Gesamtbeladungszeit bedeutet dies beispielsweise, dass in den verbleibenden 75 % der Zeit drei andere Speichersegmente ähnlich beladen werden könnten, wodurch eine deutliche Steigerung der Gesamtleistung möglich ist. Darüber hinaus besteht noch ein Optimierungspotential, da bei der zyklischen Beladung die Dauer der Beladung und der Pausen in Abhängigkeit vom Beladungszustand noch variiert werden kann.
Insbesondere kann die zyklische Beladung für Systeme von Interesse sein, bei denen nur geringe Druckunterschiede zwischen Wärmespeichermedium und Wärmeübertragungsfluid bestehen und daher nur ein geringer Aufwand für die Strömungsführung (insbesondere keine besonderen Druckrohre) erforderlich ist.
In den 9 bis 15 ist eine erste Ausführungsform einer Speichervorrichtung 102 eines Wärmespeichersystems 100 zu entnehmen, mittels welcher ein vorteilhaftes intermittierendes Beladen möglich ist.
Die Speichervorrichtung 102 umfasst hierzu eine Fluidzuführvorrichtung 112, welche eine Verteilungsvorrichtung 114 aufweist, mittels derer Wärmeübertragungsfluid von der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 zu verschiedenen Speicherabschnitten 116 der Speichervorrichtung 102 zuführbar ist (siehe insbesondere 9 und 10).
Mittels einer Fluidrückführvorrichtung 113 kann das Wärmeübertragungsfluid zurück zu der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 gefördert werden, so dass ein Fluidkreislauf für das Wärmeübertragungsfluid gebildet ist (siehe 11).
Um wahlweise verschiedenen Speicherabschnitten 116 der Speichervorrichtung 102 Wärmeübertragungsfluid zuführen zu können, kann vorgesehen sein, dass die Verteilungsvorrichtung 114 in der vertikalen Richtung (in der Höhe) variabel ist und somit wahlweise lediglich ein Teil der Speicherabschnitte 116 der Speichervorrichtung 102 bezüglich der Höhe der Speichervorrichtung 102 mit Wärmeübertragungsfluid durchströmbar ist.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mittels der Verteilungsvorrichtung 114 wahlweise unterschiedlichen Segmenten 118 der Speichervorrichtung 102 Wärmeübertragungsfluid zuführbar ist.
Die Speichervorrichtung 102 umfasst bei der in den 9 bis 15 dargestellten ersten Ausführungsform plattenförmige Wärmespeicherelemente 120, welche mit Wärmeübertragungsfluid überströmt werden und hierdurch Wärme von dem Wärmeübertragungsfluid aufnehmen können.
Eine solche Speichervorrichtung 102 kann beispielsweise für Parabolrinnenkraftwerke zum Einsatz kommen, wobei als Wärmespeichermedium gestapelte Platten, beispielsweise aus Beton oder Quarzit, eingesetzt werden, welche im Bereich der Kontaktflächen, die mit Wärmeübertragungsfluid in Kontakt kommen, versiegelt werden können.
Derartige plattenförmige Wärmespeicherelemente 120 sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sich Rinnen 122 für das Wärmeübertragungsfluid, insbesondere für flüssiges Salz, ergeben.
Bei der Beladung der Speichervorrichtung 102 ist vorzugsweise zu gewährleisten, dass das Wärmeübertragungsfluid am Austritt eine zulässige Maximaltemperatur nicht überschreitet. Die Speichervorrichtung 102 ist beladen, wenn das unterste Wärmespeicherelement 120 diese Temperatur erreicht hat. Die anderen Bereiche des Wärmespeichermediums sollten zu diesem Zeitpunkt eine Temperatur erreicht haben, die möglichst dicht an einer Eintrittstemperatur des Wärmeübertragungsfluids an der Verteilungsvorrichtung 114 liegt.
Bei der Entladung der Speichervorrichtung 102 kann der Speicherbereich mit niedrigerer Temperatur zunächst für eine Vorwärmung des Wärmeübertragungsfluids genutzt werden, bevor das Wärmeübertragungsfluid den übrigen Speicherbereichen zugeführt wird. Die Wärmespeicherelemente 120 können vorzugsweise so durchströmt werden, dass sich in radialer Richtung ein Temperaturprofil ausbildet. Bei der Entladung wird dann vorzugsweise die Strömungsrichtung umgekehrt. In diesem Fall wären die plattenförmigen Wärmespeicherelemente 120 ohne eine Neigung angeordnet.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Speichervorrichtung 102 neben dem in den 9 und 10 dargestellten Hauptspeicher einen zusätzlichen Niedertemperaturspeicher 124 umfasst, welcher eine geringere Kapazität als der Hauptspeicher aufweist und während der Beladung dazu genutzt wird, die Temperatur am Austritt der Speichervorrichtung 102 auf einen zulässigen Maximalwert zu begrenzen. Am Ende der Beladungsphase liegt die Temperatur des Wärmespeichermediums im Hauptspeicher vorzugsweise dicht an der Eintrittstemperatur des heißen Wärmeübertragungsfluids, während sich im Niedertemperaturspeicher 124 vorzugsweise ein abfallendes Temperaturprofil in Richtung Austritt einstellt. Der Niedertemperaturspeicher 124 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sich die Strömungsrichtung umkehren lässt.
Während der Entladung tritt vorzugsweise kaltes Wärmeübertragungsfluid auf der Seite der minimalen Temperatur des Wärmespeichermediums ein. Das Wärmeübertragungsfluid wird dann vorzugsweise im Niedertemperaturspeicher 124 vorgewärmt. Bei dieser Vorwärmung wird auch gewährleistet, dass die Temperatur des Niedertemperaturspeichers 124 vor dem nächsten Beladungsvorgang abgesenkt wird, um dann wieder eine ausreichend niedrige Austrittstemperatur zu gewährleisten.
Da der Niedertemperaturspeicher 124 vor allem die Austrittstemperatur während der Beladung niedrig halten soll, kann hier auch der Einsatz eines Phasenwechselmaterials (PCM-Materials) als Wärmespeichermedium in Betracht gezogen werden.
Wie insbesondere den 13 und 14 zu entnehmen ist, kann der Niedertemperaturspeicher 124 so ausgeführt werden, dass er aus plattenförmigen (keilförmigen) Wärmespeicherelementen 120 gebildet ist, welche beim Durchströmen mit Wärmeübertragungsfluid entlang des Strömungsweges des Wärmeübertragungsfluids ein Temperaturprofil im Wärmespeichermedium ausbilden. Die Strömungsrichtung muss in diesem Fall zwischen der Beladung (13) und der Entladung (14) umgekehrt werden. Hierzu können beispielsweise verschiedene Strömungspfade vorgesehen sein, welche eine gegenläufige Neigung aufweisen. Eine Strömung des Wärmeübertragungsfluids ergibt sich dann aus dem Höhenunterschied zwischen Eintritt und Austritt.
Durch eine wellenförmige Struktur der Strömungspfade kann zudem eine Kontaktfläche zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und dem Wärmespeichermedium vergrößert werden (siehe 15).
Wie der in den 16 bis 18 dargestellten zweiten Ausführungsform einer Speichervorrichtung 102 zu entnehmen ist, kann vorgesehen sein, dass der Strömungspfad des Wärmeübertragungsfluids eine leichte Neigung aufweist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Speichervorrichtung 102 eine zylindrische Grundplatte 126 mit konusförmiger Ausnehmung 127 umfasst, auf welche eine komplementär zu der Ausnehmung 127 ausgebildete, konusförmige Deckplatte 128 aufgesetzt ist. Zwischen der Grundplatte 126 und der Deckplatte 128 ist vorzugsweise ein Strömungskanal 130 ausgebildet.
Bei der Beladung wird das heiße Wärmeübertragungsfluid vorzugsweise über eine zentrale Öffnung 129 in der Grundplatte 126 mit leichtem Überdruck zugeführt, so dass das kalte Wärmeübertragungsfluid dann am äußeren Umfangsrand 131 der Grundplatte 126 wieder austritt.
Während der Entladung erfolgt vorzugsweise eine Zufuhr über den äußeren Umfangsrand 131 der Grundplatte 126 und eine Entnahme des Wärmeübertragungsfluids an der zentralen Öffnung 129 nach Durchströmen des Strömungskanals 130.
Bei einer (nicht dargestellten) Ausführungsform einer Speichervorrichtung 102 sind mehrere solcher Kombinationen aus Grundplatte 126 und Deckplatte 128 übereinander angeordnet, so dass hierdurch mehrere Speicherabschnitte 116 einer Speichervorrichtung 102 gebildet werden.
Diese Speicherabschnitte 116 können, wie vorstehend im Zusammenhang mit der intermittierenden Beladung beschrieben, abwechselnd zur Beladung der Speichervorrichtung 102 mit Wärmeübertragungsfluid durchströmt werden.
Ferner kann selbstverständlich auch ein intermittierendes Entladen derartiger Speichervorrichtungen 102 erfolgen.
Im Übrigen stimmt die in den 16 bis 18 dargestellte zweite Ausführungsform einer Speichervorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau und Funktion im Wesentlichen mit der in den 9 bis 15 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in den 19 und 20 dargestellte dritte Ausführungsform einer Speichervorrichtung 102 unterscheidet sich von der in den 16 bis 18 dargestellten zweiten Ausführungsform einer Speichervorrichtung 102 im Wesentlichen dadurch, dass anstelle einer Grundplatte 126 und einer Deckplatte 128 zur Speicherung von Wärme ein im Wesentlichen zylindrischer Speicherbehälter 104 vorgesehen ist, welcher mit einem Wärmeübertragungsfluid (beispielsweise Luft) in vertikaler Richtung durchströmbar ist.
Die Durchströmung des Speicherbehälters 104 erfolgt dabei nicht über die gesamte Grundfläche des Speicherbehälters 104, sondern mittels einer Sektorenscheibe 132 des Speicherbehälters 104 gesteuert über jeweils lediglich einen Abschnitt 134 des Speicherbehälters 104.
Ein solcher Abschnitt 134 ist somit durch die Größe der Sektorenscheibe 132 vorgegeben.
Bei der in den 19 und 20 dargestellten dritten Ausführungsform der Speichervorrichtung 102 weist die Sektorenscheibe 132 eine Größe von ungefähr drei Viertel der Grundfläche des Speicherbehälters 104 auf, so dass über diesen Anteil der Grundfläche des Speicherbehälters 104 eine Zuführung von Wärmeübertragungsfluid zu dem Wärmespeichermedium in dem Speicherbehälter 104 mittels der Sektorenscheibe 132 verhindert wird.
Die Sektorenscheibe 132 ist im Wesentlichen horizontal ausgerichtet und kann um eine Zylinderachse 136 des Speicherbehälters 104 gedreht werden, so dass nacheinander unterschiedliche Abschnitte 134, das heißt unterschiedliche Speicherabschnitte 116 der Speichervorrichtung 102, mit Wärmeübertragungsfluid durchströmbar sind.
Bei der zyklischen Beladung der Speichervorrichtung 102 gemäß den 19 und 20 ist nicht zwingend notwendig, dass die Sektorenscheibe 132 stets eine vollständige Abdeckung der nicht zu durchströmenden Bereiche (Speicherabschnitte 116) gewährleistet.
Vielmehr kann es ausreichend sein, wenn die Durchströmung des Wärmespeichermediums in dem Speicherbehälter 104 zeitlich aufgrund der variablen Abdeckung durch die Sektorenscheibe 132 variiert.
Grundsätzlich können die Speichervorrichtungen 102 zur Speicherung von thermischer Energie in der Prozess- und Kraftwerkstechnik bei Temperaturen über 100 °C verwendet werden.
Insbesondere eignen sich diese Speichervorrichtungen 102 für solarthermische Kraftwerke, beispielsweise in Zweikreiskonzepten oder Systemen mit Salz als Arbeitsmedium im Receiver (z. B. Solar Tres).
Vorteilhaft kann es sein, wenn eine Speichervorrichtung 102 auf der Basis sensibler Speichermaterialien mit Luft als Wärmeübertragungsmedium (Arbeitsmedium) realisiert wird.
So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass als Wärmeübertragungsfluid Thermoöl/Luft mit integrierter Speicherkapazität verwendet wird.
Ferner kann ein Phasenwechselmedium in einer Speichervorrichtung 102 insbesondere für Solar-Luftkollektoren vorteilhaft sein.
Im Übrigen stimmt die in den 19 und 20 dargestellte dritte Ausführungsform einer Speichervorrichtung 102 hinsichtlich Aufbau und Funktion im Wesentlichen mit der in den 16 bis 18 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
In den 21 bis 23 ist eine vierte Ausführungsform einer Speichervorrichtung 102 dargestellt, bei welcher voneinander verschiedene Speicherabschnitte 116 der Speichervorrichtung 102 durch voneinander verschiedene Speicherbehälter 138 realisiert sind.
Die Speicherbehälter 138 sind bei der in den 21 bis 23 dargestellten vierten Ausführungsform der Speichervorrichtung 102 mit Feststoffpartikeln als Wärmespeichermedium gefüllt, welche in einer Schüttung angeordnet sind.
Eine Beladung der Speichervorrichtung 102 mit Wärme erfolgt vorzugsweise dadurch, dass das Wärmeübertragungsfluid direkt durch die Schüttung hindurchgeleitet wird.
Die Fluidzuführvorrichtung 112 ist bei der in den 21 bis 23 dargestellten vierten Ausführungsform der Speichervorrichtung 102 mit mehreren Ventilen 140 versehen, so dass das mittels einer Pumpe 142 der Fluidzuführvorrichtung 112 geförderte Wärmeübertragungsfluid wahlweise gezielt jeweils nur einem Speicherbehälter 138 zugeführt werden kann.
Bei dem in 21 dargestellten Speicherzustand der Speichervorrichtung 102 ist das Wärmeübertragungsfluid in einem Vorratsbehälter 144 der Speichervorrichtung 102 angeordnet.
Zur Beladung der Speicherbehälter 138 mit Wärme wird das Wärmeübertragungsfluid aus dem Vorratsbehälter 144 entnommen und mittels der Pumpe 142 zunächst der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 zugeführt.
In der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 wird das Wärmeübertragungsfluid erhitzt.
Anschließend wird das Wärmeübertragungsfluid mittels der Fluidzuführvorrichtung 112 einem der Speicherbehälter 138 zugeführt.
Das Wärmeübertragungsfluid wird zur Übertragung der Wärme auf das Wärmespeichermedium durch den Speicherbehälter 138 hindurchgeführt und kühlt sich dabei ab.
Mittels der Fluidrückführvorrichtung 130 wird das abgekühlte Fluid aus dem soeben durchströmten Speicherbehälter 138 erneut der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 zugeführt.
Innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums von beispielsweise ungefähr acht Stunden wird das Wärmeübertragungsfluid in einem Kreislauf durch die Wärmeübertragungsvorrichtung 106 und den einen Speicherbehälter 138 geführt und wird dabei in der Wärmeübertragungsvorrichtung 106 auf eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 500 °C erhitzt und anschließend durch ein Übertragen der Wärme auf das Wärmespeichermedium in dem Speicherbehälter 138 auf eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 200 °C abgekühlt.
Wenn der erste Speicherbehälter 138 zu einem vorgegebenen Maß mit Wärme beladen ist, kann mittels der Ventile 140 die Zuführung des Wärmeübertragungsfluids so gesteuert werden, dass nunmehr anstelle des ersten Speicherbehälters 138 ein anderer Speicherbehälter 138 zum Beladen mit Wärme mit Wärmeübertragungsfluid durchströmt wird.
Der Fluidkreislauf des Wärmeübertragungsfluids wird dann mittels des zweiten Speicherbehälters 138 für eine vorgegebene Zeit aufrechterhalten, bis die gewünschte Wärmemenge in dem zweiten Speicherbehälter 138 gespeichert ist.
Entsprechend kann eine Beladung der weiteren Speicherbehälter 138 mit Wärme erfolgen.
Insbesondere können auf diese Weise beispielsweise 10 t Wärmespeichermedium, beispielsweise Gestein, mittels beispielsweise ungefähr 2,5 t flüssigem Salz zuverlässig und effizient durchströmt und mit Wärme beladen werden.
Zwischen dem Beladen zweier Speicherbehälter 138 kann vorgesehen sein, dass das Wärmeübertragungsfluid zurück in den Vorratsbehälter 144 befördert wird.
Dies kann beispielsweise mittels der Pumpe 142 geschehen. Alternativ hierzu kann eine (nicht dargestellte) Saugvorrichtung an dem Vorratsbehälter 144 angeordnet sein, mittels welcher das Wärmeübertragungsfluid zurück in den Vorratsbehälter 144 gesaugt werden kann.
Bei der in den 21 bis 23 dargestellten vierten Ausführungsform der Speichervorrichtung 102 ist die Gesamtmasse des Wärmeübertragungsfluids reduziert. Das Gesamtvolumen des Wärmespeichermediums ist in vier Teilvolumen unterteilt, so dass sich das zum Durchströmen des Wärmeübertragungsmediums benötigte Volumen des Wärmeübertragungsfluids im Wesentlichen auf ein Viertel der Menge beschränkt, welche bei der Verwendung eines einzigen großen Speicherbehälters 138 benötigt würde.
Somit kann eine kostengünstige Speichervorrichtung 102 mit hoher Wärmespeicherkapazität realisiert werden.
Bezugszeichenliste

100: Wärmespeichersystem
102: Speichervorrichtung
104: Speicherbehälter
106: Wärmeübertragungsvorrichtung
108: Heißtank
110: Kalttank
112: Fluidzuführvorrichtung
113: Fluidrückführvorrichtung
114: Verteilungsvorrichtung
116: Speicherabschnitt
118: Segment
120: Wärmespeicherelement
122: Rinne
124: Niedertemperaturspeicher
126: Grundplatte
127: konusförmige Ausnehmung
128: Deckplatte
129: Öffnung
130: Strömungskanal
131: Umfangsrand
132: Sektorenscheibe
134: Abschnitt
136: Zylinderachse
138: Speicherbehälter
140: Ventil
142: Pumpe
144: Vorratsbehälter

Claims

Wärmespeichersystem zur Speicherung von Wärme mittels eines Wärmespeichermediums, umfassend: eine Speichervorrichtung (102) und eine Fluidzuführvorrichtung (112) zur Zuführung eines Wärmeübertragungsfluids von einer Wärmeübertragungsvorrichtung (106) zu der Speichervorrichtung (102) zur Beladung der Speichervorrichtung (102) mit Wärme, wobei die Speichervorrichtung (102) mindestens zwei Speicherabschnitte (116) umfasst, welche jeweils zumindest teilweise mit einem Wärmespeichermedium gefüllt und unabhängig voneinander mit Wärmeübertragungsfluid durchströmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsfluid mittels der Fluidzuführvorrichtung (112) wahlweise jeweils einem der mindestens zwei Speicherabschnitte (116) zuführbar ist, wobei eine Übertragung der Wärme von dem Wärmespeichermedium auf das Wärmeübertragungsfluid und/oder von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium durch direkten stofflichen Kontakt erfolgt, wobei das Wärmespeichermedium in mindestens einem Speicherabschnitt (116) ein Feststoff ist und ein Mineral und/oder ein Gestein umfasst, wobei das Wärmeübertragungsfluid ein flüssiges Salz und/oder ein Thermoöl umfasst.
Wärmespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichersystem (100) eine Fluidrückführvorrichtung (113) zur Rückführung des Wärmeübertragungsfluids von der Speichervorrichtung (102) zu der Wärmeübertragungsvorrichtung (106) umfasst.
Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichersystem (100) mindestens einen Vorratsbehälter (144) zur Aufnahme des Wärmeübertragungsfluids umfasst.
Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Speicherabschnitte (116) der Speichervorrichtung (102) durch mindestens zwei voneinander getrennte Abschnitte (134) eines Speicherbehälters (104, 138) gebildet sind.
Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Speicherabschnitte (116) der Speichervorrichtung (102) durch mindestens zwei voneinander getrennte Speicherbehälter (104, 138) gebildet sind.
Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gesamtvolumen des Wärmeübertragungsfluids des Wärmespeichersystems (100) höchstens ungefähr 50% des Gesamtvolumens des Wärmespeichermediums des Wärmespeichersystems (100) beträgt.
Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Speicherabschnitte (116) der Speichervorrichtung (102) unabhängig voneinander transportabel sind.
Verfahren zum Speichern von Wärme mittels eines Wärmespeichersystems (100), umfassend Folgendes: - Erhitzen von Wärmeübertragungsfluid mittels einer Wärmeübertragungsvorrichtung (106); - Beladen einer Speichervorrichtung (102) des Wärmespeichersystems (100) mit Wärme durch Zuführen des Wärmeübertragungsfluids von der Wärmeübertragungsvorrichtung (106) zu der Speichervorrichtung (102) mittels einer Fluidzuführvorrichtung (112), wobei die Speichervorrichtung (102) mindestens zwei zumindest teilweise mit einem Wärmespeichermedium gefüllte, unabhängig voneinander mit Wärmeübertragungsfluid durchströmbare Speicherabschnitte (116) umfasst, wobei das Wärmespeichermedium in mindestens einem Speicherabschnitt (116) ein Feststoff ist und ein Mineral und/oder ein Gestein umfasst, wobei das Wärmeübertragungsfluid ein flüssiges Salz und/oder ein Thermoöl umfasst, wobei für eine intermittierende Beladung der Speichervorrichtung (102) das Wärmeübertragungsfluid mittels der Fluidzuführvorrichtung (112) wahlweise jeweils mindestens einem der mindestens zwei Speicherabschnitte (116) zugeführt wird, so dass sich Phasen, in welchen ein Speicherabschnitt (116) mit Wärmeübertragungsfluid durchströmt wird, mit Phasen, in welchen keine Durchströmung des Speicherabschnitts (116) mit Wärmeübertragungsfluid erfolgt, abwechseln, wobei eine Übertragung der Wärme von dem Wärmespeichermedium auf das Wärmeübertragungsfluid und/oder von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermedium durch direkten stofflichen Kontakt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beladung der Speichervorrichtung (102) mit Wärme mehrere Beladungszyklen durchgeführt werden, wobei in einem Beladungszyklus mindestens zwei Speicherabschnitten (116) der Speichervorrichtung (102) nacheinander jeweils mindestens einmal Wärmeübertragungsfluid zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer eines Beladungszyklus so gewählt wird, dass innerhalb eines Beladungszyklus höchstens ungefähr 30 % der maximal in der Speichervorrichtung (102) speicherbaren Wärme in die Speichervorrichtung (102) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Speicherzustand des Wärmespeichersystems (100) das Wärmeübertragungsfluid in einem Vorratsbehälter (144) aufbewahrt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entladung der Speichervorrichtung (102) Wärmeübertragungsfluid durch mindestens einen Speicherabschnitt (116) der Speichervorrichtung (102) geleitet und einer Wärmeübertragungsvorrichtung (106) zugeführt wird.