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DE102013006814A1 - Storage system and method for storing and utilizing temporary electrical energy surpluses - Google Patents

Storage system and method for storing and utilizing temporary electrical energy surpluses Download PDF

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DE102013006814A1
DE102013006814A1 DE102013006814.2A DE102013006814A DE102013006814A1 DE 102013006814 A1 DE102013006814 A1 DE 102013006814A1 DE 102013006814 A DE102013006814 A DE 102013006814A DE 102013006814 A1 DE102013006814 A1 DE 102013006814A1
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Stephan Kaps
Frank Wuttke
André Thess
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K Utec AG Salt Technologies
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UTEC AG SALT TECHNOLOGIES K
K Utec AG Salt Technologies
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Abstract

Überschüssige Energie aus Windkraftanlagen oder anderem nicht kontinuierlichem Anfall wird zur Erhöhung der Enthalpie einer als Wärmespeicherstoff fungierenden Flüssigkeit, vorzugsweise Lösung anorganischer Salze verwendet und in Form heißer Flüssigkeit in einem Pufferspeicher gespeichert. Die entnommene thermische Energie wird entweder in einer Wärme-Kraftmaschine in elektrische Energie zurück verwandelt oder ganz oder teilweise als thermische Energie für Heizungszwecke genutzt. Die Enthalpieerhöhung der Speicherflüssigkeit wird entweder durch ein Wärmepumpensystem oder ein direktes elektrisches Heizsystem oder eine Kombination beider bewirkt. Zur Speicherung werden entweder isolierte Tanks, die nach dem Prinzip des Schichtspeichers arbeiten, oder im Steinsalz angelegte Kavernen oder Hohlräume genutzt, die als thermische Flüssigkeitsspeicher arbeiten.Excess energy from wind turbines or other non-continuous amounts is used to increase the enthalpy of a liquid, preferably a solution of inorganic salts, which acts as a heat storage material and is stored in the form of hot liquid in a buffer store. The thermal energy withdrawn is either converted back into electrical energy in a heat engine or used in whole or in part as thermal energy for heating purposes. The enthalpy increase in the storage liquid is brought about either by a heat pump system or a direct electric heating system or a combination of both. Either insulated tanks that work on the principle of stratified storage, or caverns or cavities created in rock salt that work as thermal liquid storage are used for storage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Speichersystem und ein Verfahren zur Speicherung und Verwertung für temporäre Elektro-Energieüberschüsse, insbesondere aus Windkraftanlagen oder anderen unregelmäßig Energie liefernden Energiequellen.The invention relates to a storage system and a method for storage and recovery for temporary electrical energy surpluses, in particular from wind turbines or other energy sources supplying energy at irregular intervals.

Die gespeicherte Energie kann bei Energiebedarf als Elektroenergie oder/und als thermische Energie abgegeben werden. Die Speicherung der Energie erfolgt in Flüssigkeiten, hauptsächlich konzentrierten, wässrigen Lösungen anorganischer Salze, welche durch die eingespeiste Energie auf ein höheres Temperaturniveau angehoben werden und anschließend in thermisch isolierten Flüssigkeitsspeichern längere Zeit bevorratet werden.The stored energy can be given off when energy is needed as electrical energy and / or as thermal energy. The storage of the energy takes place in liquids, mainly concentrated, aqueous solutions of inorganic salts, which are raised by the fed energy to a higher temperature level and then stored in thermally insulated liquid storage for a long time.

Bei Energiebedarf wird die als Enthalpie einer Flüssigkeit gespeicherte Energie wieder in Elektroenergie zurückverwandelt oder aber als thermische Energie für Heizzwecke abgegeben.When energy is needed, the energy stored as the enthalpy of a liquid is converted back into electrical energy or released as thermal energy for heating purposes.

Die Speicherung von unregelmäßig anfallenden Energiemengen gewinnt durch die vermehrte Anwendung erneuerbarer Energien, insbesondere aus Windkraftanlagen zunehmend an Bedeutung, da diese Energie in wechselnder Menge und nicht konform zum Bedarf anfällt.The storage of irregular amounts of energy is becoming increasingly important as a result of the increased use of renewable energies, in particular from wind power plants, since this energy is generated in varying quantities and not in conformity with the requirements.

Die bisher verbreitetste Möglichkeit der Energiespeicherung solcher Energiemengen sind Pumpspeicher, die bei Energieüberschuss Flüssigkeiten, hauptsächlich Wasser von einem tieferen Niveau auf ein höheres Niveau pumpen, dadurch die aufgewendete Energie als potenzielle Energie speichern und bei Energiebedarf die gespeicherte Energie als Elektroenergie zurückgewinnen, indem in kurzer Zeit große Wassermengen vom höher gelegenen Becken (Oberbecken) über eine Druckleitung einer Turbine mit Generator zugeführt werden und in ein tiefer gelegenes unteres Becken (Unterbecken) abgelassen werden.The most common way of energy storage of such amounts of energy are pumped storage, which pump liquids, mainly water from a lower level to a higher level of energy, thereby save the energy used as potential energy and recover the energy stored energy as electrical energy, in a short time large amounts of water from the upper basin (upper basin) via a pressure line of a turbine with generator are fed and discharged into a lower lower basin (lower basin).

Bei Pumpspeichern wird die aufgewendete Elektroenergie dazu verwendet, die potenzielle Energie einer Flüssigkeit zu erhöhen, wozu aber möglichst große Höhenunterschiede engräumig vorhanden sein müssen, die in der Regel nur in gebirgigen Gegenden vorliegen.In the case of pumped storage, the electricity used is used to increase the potential energy of a liquid, which however requires the greatest possible height differences, which are generally only present in mountainous areas.

Außer der Anlage von Ober- und Unterbecken mit natürlichen Niveaudifferenzen besteht nach DE 19720700 A1 auch die Möglichkeit die Niveaudifferenzen von Bergwerksanlagen zur Energiespeicherung zu nutzen.In addition to the plant of upper and lower basin with natural level differences exists after DE 19720700 A1 also the possibility to use the differences in level of mining facilities for energy storage.

Diese weitere Möglichkeit der Energiespeicherung nach dem Prinzip des Pumpspeichers wurde vorgeschlagen, bei der die Höhendifferenz zwischen übertägigen und untertägigen Bergwerksteilen für das Anlegen von Flüssigkeitsspeichern mit ausreichenden Niveaudifferenzen genutzt werden soll. Insbesondere in geeigneten stillgelegten Bergwerken soll die geodätische Höhendifferenz zwischen Tagesoberfläche und tieferen Bergwerksteilen genutzt und die Energiespeicherung in Form von potenzieller Energie von Flüssigkeiten zwischen höher gelegenen und möglichst tiefer liegenden Reservoirs erfolgen. Auch diese Form der Energiespeicherung ist an das Vorhandensein von großen Niveauunterschieden auf engem Raum gebunden.This further possibility of energy storage according to the pumped storage principle has been proposed, in which the height difference between surface and underground mine parts should be used for the creation of liquid reservoirs with sufficient level differences. In particular, in suitable disused mines, the geodetic height difference between the surface of the day and lower parts of the mine should be used and the energy storage in the form of potential energy of liquids between higher and deeper possible reservoirs. This form of energy storage is also tied to the existence of large differences in space.

Eine weitere Möglichkeit der Speicherung von überschüssiger Energie ist die Erhöhung des Druckes von komprimierter Luft oder anderen Gasen, der Einspeicherung der komprimierten Gase in einen Druckspeicher und die Rückverwandlung der Druckenergie in Elektroenergie durch eine Entspannungsturbine mit Generator. Diese Form der Energiespeicherung setzt das Anlegen oder Vorhandensein großräumiger druckfester Speicherhohlräume und die Beherrschung der beim Komprimieren des Gases auftretenden beträchtlichen Wärmemengen und beim Entspannen die Beherrschung der adiabatischen Abkühlung des Gases voraus. Auch dafür werden Speicherkavernen im Salz oder sonstige bergbauliche Hohlräume genutzt oder vorgeschlagen.Another way of storing excess energy is to increase the pressure of compressed air or other gases, to store the compressed gases into an accumulator, and to reconvert the pressure energy into electrical energy through an expansion turbine with generator. This form of energy storage requires the creation or presence of large-scale pressure-resistant storage cavities and the control of the considerable amounts of heat occurring during the compression of the gas and relaxation of the control of the adiabatic cooling of the gas. Also for storage caverns in salt or other mining cavities are used or proposed.

Das Ziel der Erfindung ist es, ein Speicherverfahren für temporäre Energieüberschüsse zu schaffen, welches weder Flüssigkeitsreservoire auf stark unterschiedlichen geodätischen Niveaus noch einen Druckspeicher für Gase benötigt.The object of the invention is to provide a storage method for temporary energy surpluses, which requires neither liquid reservoirs at widely different geodetic levels nor a pressure accumulator for gases.

Außerdem soll die gespeicherte Energie entweder als nutzbare sekundäre Elektroenergie oder auch als für Heizzwecke nutzbare Wärmeenergie unabhängig von dem schwankenden Energieanfall aus der Energieerzeugung abgegeben werden können.In addition, the stored energy should be able to be delivered either as usable secondary electric energy or as useful for heating heat energy regardless of the fluctuating energy from the power generation.

Diese Aufgabenstellung löst die vorliegende Erfindung dadurch, dass die temporär vorhandene überschüssige Energie dazu verwendet wird, nicht die Flüssigkeit selbst, sondern den Wärmeinhalt einer Flüssigkeit von einem tieferen auf ein höheres Temperaturniveau zu heben und bei Energiebedarf dieses höhere Temperaturniveau unter Energierückgewinnung wieder abzusenken. Beim vorgeschlagenen Speicherprinzip wird nicht die Flüssigkeit selbst, sondern der in ihr enthaltene Wärmeinhalt auf ein höheres Niveau gehoben. Obwohl es denkbar wäre, elektrische Energie nach dem Tauchsiederprinzip direkt zur Flüssigkeitserwärmung einzusetzen, lassen sich erheblich höhere Wirkungsgrade durch elektrisch angetriebene Wärmepumpen erreichen.This object solves the present invention in that the temporarily existing excess energy is used, not the liquid itself, but the heat content of a To raise liquid from a lower to a higher temperature level and to lower this higher temperature level with energy recovery when energy is needed. In the proposed storage principle, not the liquid itself, but the heat content contained in it is raised to a higher level. Although it would be conceivable to use electrical energy according to the immersion lower principle directly for liquid heating, significantly higher efficiencies can be achieved by electrically driven heat pumps.

Das erfindungsgemäße Speicherverfahren besteht folglich aus einer sehr leistungsfähigen Wärmepumpe, einem thermisch isolierten großvolumigen Flüssigkeitspufferspeicher und einem Wärmeverbraucher, der die gespeicherte thermische Energie zurückgewinnt. Dieser Wärmeverbraucher kann eine Wärmekraftmaschine, etwa ein so genannter Organic Rankine Cycle (ORC) oder/und ein thermischer Verbraucher sein. Im ersten Fall wird die als thermische Energie (Enthalpie) gespeicherte Energie als Elektroenergie zurückgewonnen, wenn auch mit Wirkungsgradverlusten oder bei Verwendung der eingespeicherten Energie für Heizzwecke direkt als nutzbare Wärmeenergie.The storage method according to the invention thus consists of a very efficient heat pump, a thermally insulated large-volume liquid storage tank and a heat consumer, which recovers the stored thermal energy. This heat consumer may be a heat engine, such as a so-called Organic Rankine Cycle (ORC) and / or a thermal consumer. In the first case, the energy stored as thermal energy (enthalpy) is recovered as electrical energy, albeit with efficiency losses or when using the stored energy for heating purposes directly as usable heat energy.

Die aus nicht stationär arbeitenden Energieerzeugungsanlagen wie Windkraftanlagen temporär verfügbare Elektroenergie treibt eine für große Wärmemengen geeignete Wärmepumpe an. Das Wärmepumpensystem verbraucht Elektroenergieüberschüsse und verwendet diese als Antriebsleistung für das Pumpen von Wärme auf ein höheres Niveau. Gleichzeitig wird einem Medium Wärme entzogen und dieses abgekühlt. Die erzeugte heiße Flüssigkeit mit höherem Temperaturniveau wird in einem möglichst großvolumigen Pufferspeicher gespeichert, optional auch die abgekühlte Flüssigkeit, der Wärme entzogen wurde, in einem zweiten Speicher. Die elektrische Energie führt folglich zur Spreizung der Temperatur zweier Flüssigkeiten, die sich bei Eintritt eines Energiebedarfs unter Abgabe von Nutzenergie wieder rückgängig machen lässt. Je nachdem, ob diese Nutzenergie als thermische Heizenergie abgegeben oder als elektrische Leistung genutzt werden soll, wird aus dem Hochtemperaturpufferspeicher heiße Wärmeträgerflüssigkeit entnommen oder aber damit eine umgekehrt wie die Wärmepumpe arbeitende Wärmekraftmaschine, vorzugsweise ein ORC-System beheizt und dabei elektrische Energie erzeugt. Die Kühlung des ORC-Systems übernimmt erfindungsgemäß die abgekühlte und ebenfalls zwischengespeicherte Flüssigkeit.The electric energy temporarily available from non-stationary power generation plants such as wind turbines drives a suitable heat pump for large amounts of heat. The heat pump system consumes excess electrical energy and uses it as a driving power to pump heat to a higher level. At the same time heat is removed from a medium and this cooled. The generated hot liquid with a higher temperature level is stored in a large-volume buffer memory, optionally, the cooled liquid, the heat was removed, in a second memory. The electrical energy thus leads to the spread of the temperature of two liquids, which can be undone on the occurrence of an energy demand and release of useful energy. Depending on whether this useful energy is delivered as thermal heat energy or used as electrical power, hot heat transfer fluid is removed from the high-temperature buffer or so that a reversible working as the heat pump heat engine, preferably an ORC system heated and thereby generates electrical energy. The cooling of the ORC system according to the invention takes over the cooled and also cached liquid.

Als Arbeitsflüssigkeit für die Wärme-/Kältespeicherung könnte prinzipiell Wasser verwendet werden, jedoch wären dabei der nutzbare Temperaturbereich und das realisierbare Speichervolumen beschränkt. Es wurde gefunden, dass konzentrierte Salzlösungen sich besser eignen, da deren Siedepunkt bis zu 120°C beträgt und die ohne Eisbildung weit unter 0°C gekühlt werden können, also bei drucklosem Arbeiten eine deutlich größere Temperaturspreizung gestatten als Wasser. Solche Salzlösungen sind binäre oder mehrkomponentige Lösungen beispielsweise von NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2 und Wasser. Diese sind leicht herstellbar, preiswert und stapelbar.In principle, water could be used as working fluid for the heat / cold storage, but the usable temperature range and the achievable storage volume would be limited. It has been found that concentrated salt solutions are more suitable, since their boiling point is up to 120 ° C and can be cooled well below 0 ° C without ice formation, so allow a significantly greater temperature spread than water in pressureless working. Such salt solutions are binary or multi-component solutions of, for example, NaCl, KCl, MgCl 2 , CaCl 2 and water. These are easy to produce, inexpensive and stackable.

Ebenso ist wie bei Wasser ein ausgeprägter Dichte-Temperatur-Gradient vorhanden, wodurch spezifisch leichtere heiße Salzlösung sich in einem Schichtspeicher ohne Vermischung über spezifisch schwererer kälterer Lösung speichern lässt. Solche Salzlösungen lassen sich analog Heißwasser in großen Tanks aus Stahl oder GFK speichern, deren Größe 103 bis 104 Kubikmeter und mehr betragen kann, ebenerdige Aufstellung erlauben und nicht besondere Geländeformen voraussetzen und in Batterien aus mehreren Tanks errichtet werden können.Likewise, as in the case of water, there is a pronounced density-temperature gradient, as a result of which specifically lighter hot salt solution can be stored in a stratified storage tank without mixing via a specifically heavier, colder solution. Such salt solutions can be stored analogously to hot water in large tanks made of steel or GRP, whose size can be 10 3 to 10 4 cubic meters and more, allow ground-level installation and not require special terrain forms and can be built in batteries from several tanks.

Da die Diskontinuität des Energieanfalles bei Windparks Speicherkapazitäten im Bereich mehrerer Gigawattstunden erforderlich macht, sollte die Dimension des oder der Pufferspeicher möglichst groß bemessen werden können. Für den Gigawattbereich eignen sich flüssigkeitsdichte bergwerkliche Hohlräume oder ausgesolte Kavernen in Steinsalzformationen die stabil und ohne größeren Überdruck, jedoch unter Nutzung des hydrostatischen Druckes, zur Einspeicherung von bis zu 120°C heißer Salzlösung bzw. auch zur Einspeicherung kalter Lösung verwendbar sind und deren Volumen bis zu 105 oder 106 Kubikmeter betragen kann.Since the discontinuity of the energy supply in wind farms requires storage capacities in the range of several gigawatt hours, the dimension of the buffer store or storage should be as large as possible. For the gigawatt range, liquid-tight rock cavities or excavated caverns in rock salt formations are suitable, stable and without overpressure, but using the hydrostatic pressure, for storing up to 120 ° C hot salt solution or for storing cold solution can be used and their volume up to 10 5 or 10 6 cubic meters.

Einzige Bedingung ist, dass die als Wärmespeicherflüssigkeit verwendete Flüssigkeit möglichst weitgehend an Natriumchlorid gesättigt ist und keine unzulässigen Auflöseerscheinungen des Halitflözes unter Tage eintreten können. Da eine gesättigte NaCl-Sole nur einen geringen Temperatur-Löslichkeitskoeffizienten hat, so ist die Löslichkeit von NaCl bei höherer Temperatur ähnlich der Löslichkeit bei tieferer Temperatur und mögliche Auflöseerscheinungen von Salzgestein halten sich in Grenzen. Analog differiert die NaCl-Löslichkeit in hochkonzentrierter MgCl2-Lösung sowohl absolut als relativ nur geringfügig mit der Temperatur, wodurch die Verwendbarkeit von MgCl2-Lösungen als Speicherflüssigkeit ebenso in Kavernenspeichern für den sicheren Langzeitbetrieb von Speicherhohlräumen im Steinsalz gleichfalls möglich ist.The only condition is that the liquid used as a heat storage fluid is saturated as much as possible of sodium chloride and no inadmissible dissolution phenomena of the Halitflözes can occur underground. Since a saturated NaCl brine has only a low temperature-solubility coefficient, the solubility of NaCl at higher temperature is similar to the solubility at lower temperature and possible dissolution phenomena of salt rock are limited. Analogously, the NaCl solubility in highly concentrated MgCl 2 solution differs both absolutely and relatively only slightly with temperature, as a result of which the usability of MgCl 2 solutions as storage liquid is likewise possible in cavern stores for the secure long-term operation of storage cavities in rock salt.

Die einfachste Form der Umwandlung von eingespeister Energie in speicherbare Wärme durch Anhebung des Temperaturniveaus einer Speicherflüssigkeit ist die direkte Erwärmung. Höhere energetische Wirkungsgrade sind jedoch erreichbar, wenn die eingespeiste Energie zum „Pumpen" von Wärme auf ein höheres Niveaumit einem Wärmepumpensystem dient. The simplest form of converting injected energy into storable heat by raising the temperature level of a storage fluid is direct heating. However, higher energy efficiencies are achievable when the injected energy serves to "pump" heat to a higher level with a heat pump system.

Natürlich können auch beide Methoden der Temperaturerhöhung von Speicherflüssigkeiten miteinander kombiniert werden. Vorzuziehen aus Sicht des erreichbaren Wirkungsgrades sind sowohl für die spätere Reaktivierung der gespeicherten Energie als Elektroenergie als auch als thermische Energie mehrstufige leistungsfähige Wärmepumpen.Of course, both methods of increasing the temperature of storage fluids can be combined. Preferable from the point of view of the achievable efficiency are multi-stage efficient heat pumps both for the later reactivation of the stored energy as electric energy and as thermal energy.

Die Anwendung des Erfindungsgedankens – Nutzung temporärer Energieüberschüsse durch Wärmepumpensysteme zur Temperaturspreizung von geeigneten Speicherflüssigkeiten – vornehmlich Salzlösungen, deren Bevorratung in Flüssigkeitspufferspeichern, die als Schichtspeicher ohne Einbauten arbeiten und deren Entnahme im Bedarfsfall, gestattet wie bereits ausgeführt einerseits die Bereitstellung heißer Lösung für Heizzwecke als auch die Bereitstellung sekundärer Elektroenergie über eine an sich bekannte Energieerzeugung mittels Wärmekraftmaschine, die zwischen einem höheren und einem tieferen Temperaturniveau arbeitet.The application of the inventive concept - use of temporary energy surplus by heat pump systems for temperature spread of suitable storage fluids - primarily salt solutions whose storage in liquid buffers that work as stratified storage without internals and their removal if necessary, allows as already stated on the one hand the provision of hot solution for heating purposes as well Provision of secondary electric energy via a per se known power generation by means of heat engine, which operates between a higher and a lower temperature level.

Insbesondere die durch die Erfindung mögliche Bevorratung von mittels Wärmepumpen erzeugter heißer Speicherflüssigkeit in unterirdischen Hohlräumen in Salzformationen in Form von Kavernen, Kammern oder sonstigen bergwerklichen Hohlräumen im Steinsalz lässt eine wirtschaftliche Nutzung temporärer Energieüberschüsse z. B. aus Windparks für die Wärmelieferung an Fernwärmenetze nahegelegener Siedlungen und Städte aussichtsreich erscheinen. Die Möglichkeit, die durch Wärmepumpen temperaturseitig gespreizte Speicherenergie in sekundären elektrischen Strom rückzuverwandeln, gestattet prinzipiell einen ganzjährigen Betrieb.In particular, the possible by the invention storage of heat generated by heat pump hot storage fluid in underground cavities in salt formations in the form of caverns, chambers or other mined cavities in rock salt allows an economic use of temporary energy surpluses z. B. from wind farms for the heat supply to district heating networks nearby settlements and cities look promising. The possibility of converting back the stored by heat pumps storage energy stored in secondary electric current, in principle, allows a year-round operation.

Welche Art der Speicherflüssigkeit und welcher Typ und Größe des Flüssigkeitsspeichers zweckmäßig ist, hängt vom angestrebten Leistungsbereich und der gewünschten Nutzung der gespeicherten Energie ab.Which type of storage liquid and which type and size of the liquid storage tank is appropriate depends on the desired performance range and the desired use of the stored energy.

Dabei sind folgende Fälle typisch: 1) Leistungsbereich 1 bis 10 Megawatt – Nutzung als Elektroenergie – Speicherflüssigkeit: Salzlösung oder Wasser – Speichertyp: druckloser Tankspeicher für heiße Medien druckloser Tankspeicher für kalte Medien (Kühlmittel) – Art der Wärmeerzeugung: Wärmepumpe oder/und elektrische Direktheizung – Wärmequelle: erwärmtes Kühlmittel – Art der Energienutzung: Erzeugung sekundärer Elektroenergie 2) Leistungsbereich 1 bis 10 Megawatt – Nutzung als Heizenergie – Speicherflüssigkeit: Salzlösung oder Wasser – Speichertyp: druckloser Tankspeicher für heiße Medien (Kühlmittelspeicher entfällt) – Art der Wärmeerzeugung: Wärmepumpe – Wärmequelle: Fließgewässer oder stehende Gewässer – Art der Energienutzung: thermische Energie für Heizzwecke 3) Leistungsbereich 100 Megawatt bis > 1 Gigawatt – Nutzung als Elektroenergie – Speicherflüssigkeit: Salzlösung – Speichertyp: Kavernenspeicher in Steinsalzformationen für heiße und kalte Medien – Art der Wärmeerzeugung: Wärmepumpe – Wärmequelle: erwärmtes Kühlmittel – Art der Energienutzung: Erzeugung sekundärer Elektroenergie 4) Leistungsbereich 100 Megawatt bis > 1 Gigawatt – Nutzung als Heizenergie – Speicherflüssigkeit: Salzlösung – Speichertyp: Kavernenspeicher in Steinsalzformationen für heiße (Kühlmittelspeicher entfällt) – Art der Wärmeerzeugung: Wärmepumpe – Wärmequelle: Fließgewässer oder stehende Gewässer – Art der Energienutzung: thermische Energie für Heizzwecke (saisonale Energieversorgung von Fernheizsystemen) The following cases are typical: 1) Power range 1 to 10 megawatts - use as electrical energy - Storage fluid: Saline or water - Storage type: pressureless tank storage for hot media pressureless storage tank for cold media (coolant) - Type of heat generation: Heat pump and / or electric direct heating - heat source: heated coolant - Type of energy use: Generation of secondary electric energy 2) Power range 1 to 10 megawatts - Use as heating energy - Storage fluid: Saline or water - Storage type: non-pressurized tank storage for hot media (coolant reservoir is not required) - Type of heat generation: heat pump - heat source: Running waters or stagnant waters - Type of energy use: thermal energy for heating purposes 3) Power range from 100 megawatts to> 1 gigawatt - use as electrical energy - Storage fluid: saline solution - Storage type: Cavern storage in rock salt formations for hot and cold media - Type of heat generation: heat pump - heat source: heated coolant - Type of energy use: Generation of secondary electric energy 4) Power range 100 megawatts to> 1 gigawatt - use as heating energy - Storage fluid: saline solution - Storage type: Cavern storage in rock salt formations for hot (coolant reservoir omitted) - Type of heat generation: heat pump - heat source: Running waters or stagnant waters - Type of energy use: thermal energy for heating purposes (seasonal energy supply of district heating systems)

Die Erfindung wird durch 3 Beispiele erläutert.The invention is illustrated by 3 examples.

Beispiel 1:Example 1:

Das in 1 dargestellte Gesamtsystem besteht aus einer Wärmepumpe (WP) und einer Wärmekraftmaschine (WKM). Beim Einspeisen von Energie wird diese über den Motor (M) zum Antrieb der Wärmepumpe (WP) verwendet und thermische Energie über einen Wärmeüberträger an die Speicherflüssigkeit Salzlösung übertragen. Gleichzeitig wird Salzlösung abgekühlt. Heiße und kalte Flüssigkeit werden in Salzlösungsschichtspeichern eingespeichert. Die Energieentnahme erfolgt umgekehrt. Die Wärmekraftmaschine (WKM) wird mit heißer Speicherflüssigkeit gespeist und gibt ihre Energie an den Generator (G) ab. Durch die in 1 dargestellte Anordnung, deren Betrieb durch Steuermodule und Temperatursensoren überwacht wird, wird ein reversibler Betrieb gewährleistet.This in 1 The overall system shown consists of a heat pump (WP) and a heat engine (WKM). When feeding energy, it is used via the motor (M) to drive the heat pump (WP) and transfer thermal energy via a heat exchanger to the storage liquid salt solution. At the same time salt solution is cooled. Hot and cold liquids are stored in saline stratified storage tanks. The energy is taken in reverse. The heat engine (WKM) is supplied with hot storage liquid and gives its energy to the generator (G). By the in 1 illustrated arrangement, the operation of which is monitored by control modules and temperature sensors, a reversible operation is ensured.

Die bereitgestellte überschüssige Energie wird als Elektroenergie in das aus zweckmäßig mehreren in Kaskadenschaltung angeordneten Wärmepumpen mit mehreren Verdichterstufen eingespeist und als Antriebsleistung der Verdichter verbraucht. Die Wärmepumpen pumpen in der in 2 dargestellten Art und Weise Wärme vom tieferen Temperaturniveau des Speichers für Kühlflüssigkeit auf das Temperaturniveau des Heißlösungspufferspeichers und kühlen dabei die Kühlflüssigkeit des Speichers ab und füllen den Heißlösungsspeicher bis zum maximalen Speicherinhalt mit heißer Salzlösung.The provided excess energy is fed as electric power in the expedient of several arranged in cascade heat pumps with multiple compressor stages and consumed as drive power of the compressor. The heat pumps pump in the in 2 As shown, heat from the lower temperature level of the storage for cooling liquid to the temperature level of the hot-solution buffer and thereby cool the cooling liquid of the memory and fill the hot-storage tank to the maximum storage content with hot saline solution.

Das Wärmepumpensystem besteht zweckmäßig wegen der großen zu überbrückenden Temperaturspanne aus mehreren, beispielsweise 2–3 Einzelstufen, jeweils bestehend aus Verdichter, Verflüssiger bzw. Verdampfer und einem Expansionsventil. In den mittleren Stufen sind die benachbarten Wärmepumpenkreisläufe wie in 3 dargestellt hintereinander geschaltet und mittels eines als Verflüssiger der ersten und gleichzeitig Verdampfer der zweiten Stufe arbeitenden Wärmeaustauscher ausgeführt.The heat pump system is expedient because of the large temperature span to be bridged from several, for example, 2-3 individual stages, each consisting of compressor, condenser or evaporator and an expansion valve. In the middle stages, the adjacent heat pump cycles are as in 3 shown connected in series and executed by means of a condenser working as the first and at the same time the second stage evaporator heat exchanger.

Dieses an sich bekannte System der Wärmepumpenkaskadenschaltung überbrückt dabei Temperaturen von 100 und mehr Kelvin, indem die von der ersten Stufe aufgenommene Wärme an die folgende thermisch höhere Stufe abgegeben und aus der letzten Stufe an den Heißlösungsspeicher abgegeben wird. Soll nur sekundäre Elektroenergie erzeugt werden, wird im Bedarfsfall heiße Flüssigkeit aus dem Speicher entnommen und zur Beheizung des WKM-Systems, welches umgekehrt arbeitet wie das in 2 dargestellte Wärmepumpensystem, eingesetzt.This known system of heat pump cascade circuit bridges temperatures of 100 and more Kelvin by the heat absorbed by the first stage is delivered to the following higher thermal level and discharged from the last stage to the hot-storage tank. If only secondary electric power is to be generated, hot fluid is removed from the reservoir if necessary and used to heat the ERM system, which works the other way around 2 illustrated heat pump system used.

Die Kühlung der Wärmekraftmaschine, beispielsweise eine ORC-Anlage, übernimmt die aus dem Speicher entnommene Kühlflüssigkeit, die nach Wiedererwärmung wieder als Wärmequelle für den Wärmepumpenbetreib bereitsteht. Sowohl das WKM-System als auch die heißen Stufen der Wärmepumpenanlage arbeiten mit für höhere Temperaturen geeigneten Kältemitteln wie Pentafluorpropan oder ähnlichen Arbeitsmitteln (R134A, R407C). Auch Wasser und Wasserdampf kommen für die heißen Stufen als Arbeitsmittel in Betracht.The cooling of the heat engine, for example, an ORC system, takes over the removed from the memory coolant, which is ready to re-heat as a heat source for the heat pump operation. Both the ERM system and the hot stages of the heat pump system work with higher temperature refrigerants such as pentafluoropropane or similar work equipment (R134A, R407C). Water and steam are also considered as working fluids for the hot stages.

Bei dreistufiger Kaskadenschaltung und Arbeitstemperaturen zwischen 20 und 55°C, 55 und 85°C sowie 85 und 110°C wird aus 1 Kilowattstunde elektrischer Energie etwa eine thermische Energiemenge von 3 Kilowattstunden erzeugt, die nach Zwischenspeicherung an den Heizkreislauf der WKM-Anlage abgegeben wird. Die Leistung der WKM-Anlage hängt von der Stufenzahl ab. Bei nur einstufiger Ausführung liegt der Wirkungsgrad nur unterhalb 15 Prozent bezogen auf die eingesetzte thermische Energie, aber mindestens dreifach höher bezogen auf die eingesetzte elektrische Energie.In three-stage cascade connection and working temperatures between 20 and 55 ° C, 55 and 85 ° C and 85 and 110 ° C from 1 kilowatt hour of electrical energy about a thermal energy of 3 kilowatt hours generated, which is delivered to the heating circuit of the WKM plant after caching , The power of the thermal power plant depends on the number of stages. With only one-stage design, the efficiency is only below 15 percent based on the thermal energy used, but at least three times higher based on the electrical energy used.

Bei einem Tankvolumen von je 40.000 m3 lassen sich Leistungen von 5.000 Kilowatt elektrischer Energie über etwa 8 bis 10 Stunden realisieren.With a tank volume of 40,000 m 3 each, power of 5,000 kilowatts of electrical energy can be achieved over approximately 8 to 10 hours.

Beispiel 2: Example 2:

Die Anlage besteht aus einem mit ca. 30%iger Magnesiumchloridsole oder 40%iger Calciumchloridsole als Wärmespeicherflüssigkeit arbeitenden Salzlösungspufferspeicher in Form einer Tankbatterie aus 10 Stück thermisch isolierten 4.000-m3-Stapeltanks, einer analog Beispiel 1 arbeitenden Wärmepumpe, welche im Temperaturniveau bis 125°C Wärme liefert und einem Wärmetauschersystem, welches die in der heißen Flüssigkeit des Salzlösungsspeichers gespeicherte Energie an ein Fernheizsystem abgibt.The plant consists of a salt solution buffer tank operating in the form of a tank battery consisting of 10 thermally insulated 4,000 m 3 stacking tanks, a heat pump operating analogously to Example 1, which is at a temperature level of up to 125 ° C., working with about 30% magnesium chloride brine or 40% calcium chloride brine as heat storage liquid C provides heat and a heat exchanger system which delivers the energy stored in the hot liquid of the brine reservoir to a district heating system.

Bei einer realisierbaren Temperaturdifferenz von 50 Kelvin und einem nutzbaren Speichervolumen von 40.000 m3 lassen sich etwa 40.000 Kilowattstunden Wärmeenergie speichern, die etwa je zu einem Drittel aus Elektroenergie und zu zwei Dritteln aus Umweltenergie stammen.With a realizable temperature difference of 50 Kelvin and a usable storage volume of 40,000 m 3 , about 40,000 kilowatt hours of heat energy can be stored, which is about one third each from electrical energy and two thirds from environmental energy.

Die Energiespeicherung kann dabei im Sommerhalbjahr erfolgen, die Energieabgabe im Winterhalbjahr.The energy storage can be done in the summer half-year, the energy tax in the winter half-year.

Beispiel 3:Example 3:

Die Anlage besteht aus einer Wärmepumpenkaskade und einem Pufferspeicher in Form einer in einem Steinsalzlager oder Salzstock angelegten Speicherkaverne mit einem nutzbaren Volumen von 800.000 m3.The plant consists of a heat pump cascade and a buffer storage tank in the form of a storage tavern in a rock salt storage or salt dome with a usable volume of 800,000 m 3 .

Die Speichersole wird dem unteren Teil der Speicherkaverne mit 40°C entnommen und durch die Wärmepumpe auf 110°C aufgeheizt. Dadurch wird die Summe aus aufgewendeter elektrischer Energie und Enthalpie der Speicherflüssigkeit als nutzbare Heizenergie erzeugt und diese in Form heißer Sole, vorzugsweise NaCl-Sole mit > 300 g NaCl/l in den oberen Teil der Speicherkaverne eingeleitet, wo sie sich über die kältere, spezifisch schwerere NaCl-Lösung überschichtet. Die wieder entnommene heiße Sole kann direkt oder partiell als Wärmequelle für die Wärmeversorgung eines Wohngebietes dienen.The storage brine is taken from the lower part of the storage cavern at 40 ° C and heated by the heat pump to 110 ° C. As a result, the sum of the applied electrical energy and enthalpy of the storage liquid is generated as usable heating energy and introduced in the form of hot brine, preferably NaCl brine with> 300 g NaCl / l in the upper part of the storage cavern, where they are on the colder, specific heavier NaCl solution overcoated. The hot brine removed again can serve directly or partially as a heat source for the heat supply of a residential area.

Bei einem nutzbaren Kavernenvolumen von 800.000 m3 und einer nutzbaren Temperaturdifferenz von 65 Kelvin etwa 50 Millionen Kilowattstunden thermische Energie zwischenstapeln und die in dieser Form gespeicherte überschüssige elektrische Energie eines Windparks für das Fernheizsystem einer mittleren Stadt nutzen.With a usable cavern volume of 800,000 m 3 and a usable temperature difference of 65 Kelvin, stack 50 million kilowatt hours of thermal energy and use the surplus electrical energy of a wind park stored in this form for the district heating system of a middle city.

Die Wärmeenergie, welche der Wärmepumpenanlage zugeführt werden muss, kann entweder Süßwasser aus einem Binnensee, einem größeren Fließgewässer oder auch Meerwasser in der warmen Jahreszeit entzogen und nach Einspeicherung als heiße NaCl-Sole im untertägigen Kavernenspeicher im Winterhalbjahr zur Beheizung eines Fernheizsystems abgegeben werden.The heat energy, which must be supplied to the heat pump system, either fresh water from an inland lake, a larger running water or sea water can be withdrawn in the warm season and released after storage as hot NaCl brine in the underground cavern storage in the winter months to heat a district heating system.

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Claims (6)

Speichersystem und Verfahren zur Speicherung und Verwertung temporärer elektrischer Energieüberschüsse bestehend aus einem als Flüssigkeitserhitzer arbeitenden Wärmepumpensystem, einem Flüssigkeitspufferspeicher und einem Verbraucher thermischer Energie dadurch gekennzeichnet, dass die eingespeiste elektrische Energie als Antriebsenergie für eine oder mehrere Wärmepumpen dient, dadurch di ein einer Speicherflüssigkeit enthaltene Wärme auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird und die auf diese Weise bis knapp unterhalb des Siedepunktes erhitzte Flüssigkeit in einem nach dem Schichtspeicherprinzip arbeitenden Flüssigkeitsspeicher bevorratet und als thermische Energie verwertet wird.Storage system and method for storing and recycling temporary electrical energy surplus consisting of operating as a liquid heat pump heat pump system, a liquid storage tank and a consumer thermal energy, characterized in that the fed electrical energy serves as drive energy for one or more heat pumps, thereby di a storage liquid contained heat a higher temperature level is brought and stored in this way to just below the boiling point liquid stored in a working according to the stratified storage principle liquid storage and used as thermal energy. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die heiße Speicherflüssigkeit bei Energiebedarf ausgespeichert wird und als Wärmequelle für eine elektrische Energiegewinnung mittels einer zwischen einem höheren und tieferen Temperaturniveau arbeitenden Wärme-Kraftmaschine, vorzugsweise einer Organic-Rankine-Cycle-Anlage (ORC) dient.A method according to claim 1, characterized in that the hot storage liquid is stored in energy demand and serves as a heat source for electrical energy production by means of working between a higher and lower temperature level heat engine, preferably an Organic Rankine cycle plant (ORC). Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die heiße Speicherflüssigkeit bei Energiebedarf ausgespeichert und als Wärmequelle für thermische Nutzung, vorzugsweise Fernheizungssysteme dient.A method according to claim 1, characterized in that the hot storage liquid stored in energy demand and serves as a heat source for thermal utilization, preferably district heating systems. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass als Speicherflüssigkeit für die zu speichernde Wärmeenergie eine konzentrierte Salzlösung aus einer oder mehreren Komponenten der Stoffgruppe NaCl, KCl, MgCl2 und Wasser verwendet wird.A method according to claim 1 to 3, characterized in that as the storage liquid for the heat energy to be stored, a concentrated salt solution of one or more components of the substance group NaCl, KCl, MgCl 2 and water is used. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmespeicher für die Speicherung der heißen Speicherflüssigkeit thermisch isolierte Behälter verwendet werden, in deren oberem Teil heiße Speicherflüssigkeit mit geringerem spezifischen Gewicht und in deren unterem Teil kältere Speicherflüssigkeit mit höherem spezifischen Gewicht sich befinden.A method according to claim 1 to 4, characterized in that are used as heat storage for storing the hot storage liquid thermally insulated container in the upper part hot storage liquid with lower specific gravity and in the lower part colder storage liquid with higher specific gravity are. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmespeicher für die Speicherung der heißen Speicherflüssigkeit in Steinsalzformationen angelegte großvolumige Kavernen oder bergmännisch geschaffene Hohlräume und als Speicherflüssigkeit eine gegenüber Natriumchlorid indifferente Speichersole, vorzugsweise NaCl-Lösung mit Konzentrationen > 300 g/l NaCl, verwendet wird.A method according to claim 1 to 5, characterized in that as a heat storage for storing the hot storage liquid in rock salt formations large volume caverns or mined cavities created and as a storage liquid to a sodium chloride indifferent storage brine, preferably NaCl solution with concentrations> 300 g / l NaCl used becomes.
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