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EP2759679A1 - Thermische Speichereinrichtung zur Nutzung von Niedertemperaturwärme - Google Patents

Thermische Speichereinrichtung zur Nutzung von Niedertemperaturwärme Download PDF

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Publication number
EP2759679A1
EP2759679A1 EP13152372.2A EP13152372A EP2759679A1 EP 2759679 A1 EP2759679 A1 EP 2759679A1 EP 13152372 A EP13152372 A EP 13152372A EP 2759679 A1 EP2759679 A1 EP 2759679A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
thermal
heat pump
storage device
thermal energy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13152372.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Lenk
Alexander Tremel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP13152372.2A priority Critical patent/EP2759679A1/de
Priority to PCT/EP2014/050643 priority patent/WO2014114531A1/de
Publication of EP2759679A1 publication Critical patent/EP2759679A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours

Definitions

  • the present invention relates to a thermal storage device comprising a first heat pump, a thermally connected to the first heat pump heat storage, and a circuit for performing a thermal cycle and for generating electrical energy by means of a power generating device connected therein, which energized via a guided in the circulation heat transfer medium can be, the circuit is also thermally connected to the heat storage. Furthermore, the invention relates to a method for storing thermal energy by means of a thermal storage device as described above and below.
  • thermal energy derived from the electrical energy rely on the intermediate storage of thermal energy derived from the electrical energy.
  • prior art storage solutions are tracked, which cache thermal energy at a relatively high temperature level, to retrieve this energy after caching again by a remindverstromungsrea.
  • the temperature level at which the thermal storage takes place is typically in a temperature range of more than 300 ° C.
  • thermal energy at such a high temperature level for example, stone or sand fillings or suitable geological formations as storage material in question, by means of which a thermal storage can be formed.
  • the storage of the heat stored therein can be carried out subsequently in a conventional water-steam process, wherein the reconversion takes place approximately by means of a steam turbine-powered generator, which is connected to a water-steam cycle.
  • a steam turbine-powered generator which is connected to a water-steam cycle.
  • the highest possible temperature level of over 300 ° C, on which the thermal energy storage takes place is required.
  • thermal storage of electrical energy in order to avoid these known from the prior art disadvantages, in the present case, a further technical solution for the thermal storage of electrical energy will be proposed.
  • this solution is intended to achieve efficient intermediate storage of thermal energy using thermal energy, in particular waste heat, which is not otherwise used in a power plant process.
  • a thermal intermediate storage of electrical energy in connection with a power plant process should also be enabled efficiently at a relatively lower temperature level.
  • the storage should in this case take place in particular at a temperature level which is generally referred to as low-temperature level, and in a temperature range between 100 ° C and 300 ° C, in particular between 120 ° C and 200 ° C, (the temperature limit values are included).
  • the storage solutions which store the thermal energy at a temperature level of more than 300 ° C, should be referred to as high-temperature heat storage.
  • This object of the invention is achieved by a thermal storage device according to claim 1 and by a method for storing thermal energy by means of such a pre-described as well as subsequently described storage device according to claim 13.
  • a thermal storage device comprising a first heat pump, a thermally connected to the first heat pump heat storage, and a circuit for performing a thermal cycle and for generating electrical energy by means of a power generating device connected therein, via a circulated in the heat transfer medium can be energized, the circuit is also thermally connected to the heat storage, and wherein the first heat pump is adapted to receive thermal energy at a temperature level between 40 ° C and 120 ° C, in particular between 50 ° C and 90 ° C, on a first input side and on a first output side thermal energy at a raised temperature level between 100 ° C and 300 ° C, in particular between 120 ° C and 200 ° C, deliver, wherein the thermal energy on the first output side is at least partially transferred to a heat storage medium, which deposits the thermal energy in the heat accumulator.
  • the integration takes place by means of a first heat pump, which in addition to the electrical energy is also able to absorb low-temperature heat at the designated energy level, and at a first output side at a correspondingly elevated temperature level between 100 ° C and 300 ° C, in particular between 120 ° C and 200 ° C, give.
  • the proposed solution makes it possible in particular to efficiently store electrical energy in a power range which is relevant in terms of power plant technology.
  • the solution of the invention differs in particular by a kraftwerkstau Kunststoff use of a heat pump, which can deliver heat even at a relatively high temperature level.
  • Conventional heat pumps suitable for this use are typically only available up to a temperature range on the heat release side of a maximum of 60 to 70 ° C.
  • the inventive solution also allows the integration of low-temperature waste heat at a temperature level between 40 ° C and 120 ° C, in particular between 50 ° C and 90 ° C, which is typically discarded in conventional power plant processes.
  • Such low temperature waste heat is produced in numerous power plant as well as industrial processes, and according to the present invention can be efficiently integrated into a storage process.
  • the waste heat losses are not taken into account in conventional determinations of the efficiency of a power plant process.
  • the first heat pump is designed to receive and convert electrical energy in a power range of more than 1 MW.
  • the first heat pump is particularly suitable for large-scale applications, in particular for power plant processes, to convert amounts of electricity into thermal energy, which are relevant for the power supply of the public power supply networks.
  • the ratio of the thermal energy dissipated on the output side of the first heat pump to the electrical energy which is the first Heat pump required for their operation, between 1.5 and 7, in particular between 2 and 5 is located.
  • the ratio corresponds to the coefficient of performance (COP), which represents the ratio of heat provided at high temperature level to electrical energy used.
  • COP coefficient of performance
  • the first heat pump is configured to receive electrical energy and to provide a significantly greater amount of heat at a higher temperature level.
  • the additionally required differential energy comes from the heat that is supplied to the first heat pump on the first input side as low-temperature heat. Since this is typically taken as waste heat, it can be made very cheap or even free of charge.
  • the heat pumping process requires a smaller amount of electrical energy to provide a relatively larger amount of thermal heat to then buffer it.
  • the heat storage is designed as a sensitive heat storage and / or as a latent heat storage.
  • Sensible heat storage can have, for example, water, pressurized water, thermal oil or even solids as a heat storage medium.
  • Latent heat storage can have, for example, metal or salt melts and organic substances as heat storage media.
  • the phase transition, which is used for energy storage, should be carried out in the temperature range of 100 ° C to 300 ° C, in particular in the temperature range of 120 ° C to 200 ° C.
  • the heat accumulator can also be used as a heating system, e.g. be designed as a district heating system.
  • the cycle for performing the thermal cycle may be operated as an Organic Rankine Cycle (ORC) or as a Kalina Cycle. Both methods are particularly suitable for reconverting the heat from the heat storage in the temperature range from 100 ° C to 300 ° C, especially from 120 ° C to 200 ° C.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • Kalina Cycle a Kalina Cycle
  • the working fluid of the first heat pump is identical to the heat transfer medium in the circuit.
  • Working fluids are generally classified as wet (negative slope), isentropic (vertical saturation curve) or dry (positive slope) according to the slope of their saturation curve in a T-S plot.
  • Wet working fluids such as water and CO2 cause partial condensation in isentropic expansion and thus generally require overheating. Only slightly wet, dry and isotropic fluids do not generally undergo a two-phase regime during expansion, and overheating can therefore be generally avoided.
  • the invention provides for the use of a slightly wet, dry and isotropic working fluid, in particular comprising fluoroketones (eg CF3CF2C (0) CF (CF3) 2), refrigerants (chlorinated and / or fluorinated hydrocarbons (eg R245ca)), hydrocarbons (eg butane, pentane ) and other organic solvents (eg toluene).
  • fluoroketones eg CF3CF2C (0) CF (CF3) 2
  • refrigerants chlorinated and / or fluorinated hydrocarbons (eg R245ca)
  • hydrocarbons eg butane, pentane
  • other organic solvents eg toluene
  • the first heat pump a second heat pump is connected upstream thermally, which is adapted to receive thermal energy at a temperature level between 0 ° C and 60 ° C on a second input side and on a second output side thermal energy at a raised temperature level between 40 ° C and 120 ° C, in particular 50 ° C to 90 ° C, deliver.
  • a two-stage heat pump system according to the invention is particularly suitable for first simply raising ambient heat or heat at a relatively low temperature level in order to be able to provide heat to the first heat pump having a temperature level between 40 ° C. and 120 ° C., in particular between 50 ° C. and 90 ° C, has.
  • the second heat pump can be designed in particular as a commercially available heat pump.
  • Such a two-stage Interconnection is also particularly suitable if the first heat pump requires a required minimum temperature level on its first input side in order to work sufficiently efficiently.
  • the heat transfer medium and the heat storage medium are substantially identical, in particular both can enter into thermal interaction with the heat storage.
  • transfer losses which result from the additional interposition of further heat exchangers, avoid.
  • a compact and characterized by a few technical components thermal storage device can be realized.
  • the thermal storage device comprises a compressor-expander unit, which is simultaneously encompassed by both the first heat pump and the circuit.
  • the first heat pump comprises the compressor section and the circuit comprises the expander section. Both can co-operate with a single motor / generator unit to either receive electrical energy or re-supply it in a re-currentization process.
  • the flow direction at the compressor expander unit when heat absorbed by the first heat pump is equal to that of the circuit in operation for reconversion.
  • such a compressor expander unit can be constructed from two separate working machines, which are switched on and off depending on the direction of flow.
  • the use of only one machine is particularly advantageous. This can e.g. can be achieved by working machines operating on the displacement principle (for example screw compressor, screw expander or reciprocating compressor, piston expander). Such machines can be operated in principle in both directions of flow.
  • a particularly advantageous embodiment of the thermal storage device is characterized in that the thermal storage device comprises a work machine which has both the function of a compressor and the function of an expander, and which is simultaneously encompassed by both the first heat pump and the circuit. Additional pump units which require or support the individual processes may be provided accordingly.
  • the thermal storage devices heat storage are preferably designed as directly flowed through and thus directly loadable and dischargeable heat storage.
  • An intermediate circuit can advantageously be dispensed with.
  • a heat exchanger is fluidly connected both with the first heat pump, as well as with the circuit, the heat exchanger depending on the operating state can serve as a source of cold or as a heat source.
  • the heat exchanger serves as a heat source, thus allows to absorb heat and supply the first heat pump.
  • the heat exchanger is used in particular as a source of cold in the cycle process.
  • the first heat pump is designed as a chemical heat pump.
  • chemical heat pumps are described, for example, in: Thermochemical Energy Storage and Conversion: A State of the Art Review of the Experimental Research under Practical Conditions, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Cot-Gores, J., Castell, A., Cabeza, LF, 16, 5207-5224, 2012 ; as in: A Review of Chemical Heat Pump Technology and Applications, Applied Thermal Engineering, Wongsuwan, W., Kumar, S., Neveu, P., Meunier, F., 21 (2001), 1489-1519 ,
  • Such chemical heat pumps use in particular the pressure or the temperature dependence of adsorption and absorption processes.
  • the heat storage is designed as a thermo-chemical heat storage.
  • a heat accumulator may, for example, comprise a bed of a solid or a liquid.
  • a heat storage medium which may be, for example, steam or ammonia.
  • the absorption capacity depends on the pressure and temperature level.
  • the uptake and subsequent release of heat storage medium may be by chemical reactions, reversible adsorption processes and absorption processes.
  • a heat sink is provided, which may be, for example, the heat exchanger described above. Accordingly, there is, for example, the heat storage medium condensed there, whereby about the partial pressure of the heat storage medium drops in the cycle of the chemical heat pump.
  • the heat accumulator can be supplied with heat during charging, in particular with waste heat.
  • heat can be supplied to the heat storage, for example, via a further heat exchanger or in particular by the heat exchanger described above.
  • a lowering of the partial pressure in the heat storage leads to a desorption of the heat storage medium, for example on the bed of solids or the liquid, wherein the heat storage heat storage medium loses the circulation. If the heat storage medium is, for example, water, the heat storage is thus increasingly dried. Since the process of desorption of the heat storage medium is associated with a heat absorption, heat, in particular waste heat is supplied in order to avoid a decrease in the temperature level in the heat storage.
  • thermo-chemical heat storage is very low, since only recirculation components, eg. Pumps, must be operated.
  • the electrical energy requirement is therefore significantly lower than the energy demand for a conventional heat pump.
  • a complete charge of the heat accumulator corresponds, for example, to a complete desorption of the heat storage medium in the heat accumulator.
  • the heat accumulator For the discharge of the heat storage for power generation, the heat accumulator is supplied with an increased partial pressure of the heat storage medium, whereby a chemical reaction, an adsorption or absorption of this heat storage medium takes place approximately at the bed or liquid of the heat accumulator. This results in an increase in the temperature level, wherein this temperature increase can be suitably fed into the circuit for the reconversion.
  • the discharge of the heat accumulator can also be done by operating a recirculation unit, for example a pump unit. However, the power requirement through this recirculation unit is low in comparison to the released thermal energy, which can be converted into electrical energy by the reconversion.
  • a step of transmitting thermal energy after it has been stored out of the heat accumulator is included in the heat transfer medium of the circuit. Consequently, the thermal energy in the recycle circuit can be efficiently utilized.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a first possible embodiment of the thermal storage device 100 according to the invention, which in addition to a first heat pump 10, a heat storage 20 and a circuit 30 for performing a thermal cycle process, by means of which the reconverting of the thermal energy stored in the heat storage 20 is made possible.
  • the first heat pump 10 is adapted to thermal energy at a temperature level between 40 and 120 ° C, in particular between 50 ° C and 90 ° C, receive on a first input side 11 and on a first output side 12 thermal energy at a raised temperature level between 100 ° C and 300 ° C, in particular between 120 ° C and 200 ° C, deliver.
  • the first input side 11 corresponds in this case to a first heat exchanger 17 and the first output side 12 to a further heat exchanger 18.
  • the thermal energy on the first output side 12 is at least partially transferred to a heat storage medium 21, which supplies the thermal energy absorbed in this way to the heat accumulator 20 and deposits it in the meantime.
  • the heat storage medium 21 is located in a suitable fluid line system, which is thermally connected to the first output side 12, and can also interact thermally with the heat accumulator 20 at the same time.
  • the heat storage medium can be designed both in terms of a heat storage medium 20 located in the heat storage, as well as a medium which mediates the heat transfer between the first output side 12 of the first heat pump 10 and the heat storage 20.
  • the working fluid of the heat pump 10 transfers the heat directly to the heat storage 20.
  • this thermal energy can again be withdrawn in order to supply it to the circuit 30.
  • the thermal energy is transferred to the heat transfer medium 32 located in the circuit 30 by means of a heat exchanger 37 become.
  • the circuit is designed to carry out a thermal cycle and the heat transfer medium 32 is capable of energizing the power generating device 31 connected to the circuit 30.
  • the power generating device 31 is presently designed as an expander 36 which interacts mechanically with a power generator (G). As a source of cold is used in this thermal cycle another heat exchanger 38, which is also connected in the circuit 30. For fluid conveyance or for assisted fluid transport, the circuit 30 provides a pump 35, which acts on the heat transfer medium 32 located therein with a flow.
  • the thermal storage device 100 can consequently absorb heat at the first input side 11 of the first heat pump 10 and decouple it at an elevated temperature level via the first output side 12 of the first heat pump 10.
  • the heat pump 10 is provided both thermal heat at the first input side 11, as well as electrical energy, which in the present case for the operation of a motor (M) is provided, which drives a compressor 15.
  • the compressor 15 is adapted to provide thermal heat at a raised temperature level between 100 ° C and 300 ° C, especially between 120 ° C and 200 ° C.
  • the first heat pump 10 is furthermore designed as a closed circuit, in which a circulating medium not provided with reference numerals is circulated.
  • an adjusting means 16 is connected as a pressure change unit in the first heat pump 10.
  • a slightly wet, dry and / or isentropic working fluid heat pump medium
  • fluoroketones eg CF 3 CF 2 CF (CFC) 2
  • refrigerant chlorinated and / or fluorinated hydrocarbons (eg R245ca)
  • hydrocarbons eg butane, pentane
  • other organic solvents eg toluene
  • the first heat pump 10 can thus increase the total heat output by it and increase it to a temperature level suitable for intermediate storage in the heat accumulator 20 by simultaneous absorption of electrical energy and thermal energy, which is typically provided in the form of waste heat energy.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the thermal storage device 100 according to the invention in a schematic circuit diagram.
  • the in. Differs FIG. 2 shown embodiment of the in FIG. 1 embodiment shown only to the effect that the first heat pump 10, a second heat pump 40 is connected upstream thermally, the second heat pump 40 is adapted to receive thermal energy at a temperature level between 0 ° C and 60 ° C at a second input side 41 and at a second Output side 42 thermal energy at a raised temperature level between 40 ° C and 120 ° C, especially between 50 ° C and 90 ° C.
  • the second input side of the second heat pump 40 is presently designed as a heat exchanger 47.
  • the second output side of the second heat pump 40 in this case corresponds to the heat exchanger 17, which also represents the first input side 11 of the first heat pump 10.
  • First heat pump 10 and second heat pump 40 are therefore thermally coupled to each other via a heat exchanger 17.
  • the second heat pump 40 provides a compressor 45, which in turn can be operated electrically via a motor (M).
  • the second heat pump 40 may also have a working as a pressure change unit actuating means 46 which is adapted to the in the second heat pump 40 circulated fluid to pressurize with a flow.
  • FIG. 3 shows a further advantageous embodiment of the thermal storage device 100 according to the invention, wherein according to the embodiment, the first heat pump 10 is connected to the circuit 30 thermally. Furthermore, the heat pump 10 and the circuit 30 have common components that are suitable for the process engineering coupling of both processes.
  • the first heat pump 10 is designed as a compressor 15 driven by a motor (M).
  • the motor (M) can also be operated as a generator (G) in another operating mode.
  • the motor (M) can also be used as a power generating device 31.
  • the compressor 15 is mechanically connected to an expander 36 via a common shaft, which may possibly also have a coupling, so that, depending on the operating mode, the motor (M) or generator (G) in each case with the compressor 15 and the expander 36th interacts mechanically.
  • the present embodiment has a compressor expander unit 50 which is simultaneously encompassed by both the first heat pump 10 and the circuit 30.
  • thermal energy can be raised to a higher temperature level.
  • the temperature level is suitable for thermal intermediate storage in the heat accumulator 20.
  • the thermal energy provided by the operation of the compressor 15 is transferred to the heat storage medium 21, which is also the heat pump medium circulated in the first heat pump 10 at the same time.
  • the heat storage medium 21 interacts with a working as a pressure change unit actuating means 16 and flows back to the first input side 11 of the heat pump circuit.
  • the first input side 11 is designed as a heat exchanger 60, which can be used both as a heat source as well as a source of cold depending on the operating condition.
  • thermal energy can now be taken from the heat accumulator 20, which in the present case is guided via the expander 36 and used to operate the power generating device 31 as a generator (G).
  • the heat transfer medium 32 can be supplied to the heat exchanger 60.
  • the heat exchanger 60 is connected to another line that allows this return, this line be provided with a pump 35 for acting on the heat transfer medium 32 with a flow can.
  • the actuating means 16 and pump 35 included in the embodiment can be replaced by a single unit, which can be operated in respectively opposite directions.
  • the two cable guides shown are formed as a single cable routing.
  • the compressor expander unit 50 has only one working machine which can fulfill both the function of the compressor 15 and that of the expander 36. In this case, it may again be necessary for the work machine to be in the same position Currents can be used accordingly.
  • the two cable guides shown are formed as a single wiring.
  • FIG. 4 schematically shows the thermodynamic state changes of the working fluid in operation of a thermal storage device 100, as shown in FIG. 3 is shown in a TS diagram.
  • the individual designated states in the diagram shown here correspond to those in FIG. 3 81, 82, 83, 84 and 91, 92, 93, and 94, which indicate locations at which the working fluid has a specific state.
  • the phase boundary line for a nearly isentropic working fluid (right branch of the phase boundary line) is shown as a thick line. This phase boundary line encloses down the area of a two-phase mixture.
  • phase transition is shown as a thickened line on the isothermal temperature level 86, an idealized phase transition, as it can be done in a latent heat storage, for example, wherein the melting and solidification of the storage material is carried out at a temperature level. Since in real conditions the solidification temperature differs slightly from the melting temperature, the phase transition is shown as a thickened line to better illustrate this slight temperature difference.
  • the operating process is shown here for a subcritical operation, i. the maximum working fluid temperature is always below its critical temperature.
  • the storage of heat in heat storage 20 takes place at the isothermal temperature level 86 in the range between 100 ° C and 300 ° C, in particular between 120 ° C and 200 ° C.
  • Particularly advantageous is an isothermal storage, as is possible by latent heat storage or thermo-chemical heat storage, ie it is a phase transition or a physical or chemical reaction to store the heat used.
  • condensed working fluid is present at point 91 in front of the heat exchanger 60.
  • the temperature level of the heat absorption 87 is between 40 ° C and 120 ° C, in particular between 50 ° C and 90 ° C.
  • the working fluid After heat absorption, the working fluid is present in the TS diagram at point 92, ie evaporation or overheating has taken place. After the compressor 15, the working fluid is at point 93 at a higher temperature. The heat is transferred to the heat accumulator 20 until the point 94 is reached. Then there is a further heat release or pressure change until the initial state 91 is reached again.
  • the thermal circuit for reconversion is also in Fig. 4 shown.
  • working fluid is compressed in the liquid phase from point 81 to point 82. Then there is a heat absorption from the heat storage 20 until the point 83 is reached.
  • work is performed and discharged through the power generating device 31 to the outside. After expansion, the working fluid is present at point 84 and reaches the initial state 81 again due to the removal of heat with condensation.
  • FIG. 5 shows a further particularly preferred embodiment of the thermal storage device 100 according to the invention, wherein the heat pump 10 and the heat accumulator 20 are interconnected in a closed circuit.
  • the heat pump 10 is designed as a chemical heat pump, wherein the heat accumulator 20 is designed as a thermo-chemical heat storage.
  • the system of first heat pump 10 and heat storage 20 allows by suitable adsorption and desorption processes, or chemical and physical reactions in the heat storage 20, the provision of thermal energy, which in turn can be provided to the circuit 30.
  • a heat exchanger 17 is provided on the first input side 11 of the first heat pump 10.
  • the first heat pump 10 comprises a turbomachine 19 (compressor), which moves the heat storage medium 21 guided in this circuit between the heat accumulator 20 and the first inlet side 11, that is to say it applies a flow.
  • thermal heat can be absorbed in the heat storage by absorption or adsorption and corresponding desorption processes, or by chemical and physical reactions thermal energy (typically by desorption) or thermal energy are emitted (typically by absorption or adsorption).
  • the heat released during operation of the first heat pump 10 can also be temporarily stored in the heat storage.
  • FIG. 6 shows an idealized calculation of the current-to-current efficiency (PtP-E) as a function of the temperature level of the heat provided to the first heat pump 10, which in the present case is provided as waste heat.
  • This temperature level (WHT) relates to typical temperature levels of waste heat in a power plant process.
  • the curve labeled C is based on relatively conservative assumptions about the efficiencies of individual components of the thermal storage device 100.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • the grade of the heat pump (ie, the efficiency to Carnot efficiency ratio) and the cycle 30 were assumed to be 50%.
  • the heat storage temperature in the heat storage 20 was assumed to 140 ° C, heat losses are 10%, the heat storage capacity is 25 K, the condensation temperature of the ORC 35 ° C.
  • the Efficiency at a temperature level of more than 90 ° C already about 40%.

Landscapes

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  • Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft Thermische Speichereinrichtung (100) umfassend eine erste Wärmepumpe (10), einen mit der ersten Wärmepumpe (10) wärmetechnisch verschalteten Wärmespeicher (20), sowie einen Kreislauf (30) zur Ausführung eines thermischen Kreisprozesses und zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels einer darin verschalteten Stromerzeugungseinrichtung (31), die über ein in dem Kreislauf (30) geführtes Wärmeträgermedium (32) energetisiert werden kann, wobei der Kreislauf (30) ebenfalls wärmetechnisch mit dem Wärmespeicher (20) verschaltet ist, wobei die erste Wärmepumpe (10) dazu ausgebildet ist, thermische Energie auf einem Temperaturniveau zwischen 40 °C und 120 °C, insbesondere zwischen 50°C und 90°C, an einer ersten Eingangsseite (11) aufzunehmen und auf einer ersten Ausgangsseite (12) thermische Energie auf einem angehobenen Temperaturniveau zwischen 100 °C und 300 °C, insbesondere zwischen 120°C und 200°C, abzugeben, wobei die thermische Energie auf der ersten Ausgangsseite (12) wenigstens teilweise auf ein Wärmespeichermedium (21) übertragen wird, welches die thermische Energie in dem Wärmespeicher (20) deponiert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermische Speichereinrichtung umfassend eine erste Wärmepumpe, einen mit der ersten Wärmepumpe wärmetechnisch verschalteten Wärmespeicher, sowie einen Kreislauf zur Ausführung eines thermischen Kreisprozesses und zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels einer darin verschalteten Stromerzeugungseinrichtung, die über ein in dem Kreislauf geführtes Wärmeträgermedium energetisiert werden kann, wobei der Kreislauf ebenfalls wärmetechnisch mit dem Wärmespeicher verschaltet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Speicherung von thermischer Energie mittels einer thermischen Speichereinrichtung wie vorab und nachfolgend beschrieben.
  • Aufgrund der relativ starken Fluktuation von angebotener und nachgefragter elektrischer Energie in den öffentlichen Stromversorgungsnetzwerken wird vielfach die Speicherung von elektrischer Energie zur zeitverzögerten erneuten Abgabe als notwendig erachtet, um einen effizienten Netzwerkbetrieb zu ermöglichen. Zur Zwischenspeicherung der elektrischen Energie werden verschiedene technische Lösungen verfolgt. Neben großtechnischen Lösungen mittels Pumpspeicherkraftwerken bzw. Druckluftspeicherkraftwerken wird auch die Speicherung von elektrischer Energie mittels elektrochemischer Prozesse zunehmend verfolgt. Die erstgenannten Kraftwerkstypen sind jedoch aufgrund ihrer Größe sowie geographischer Erfordernisse in ihrem Einsatz stark eingeschränkt. Zudem ist zur Errichtung solcher Kraftwerke ein verhältnismäßig großer Investitionsaufwand notwendig. Elektrochemische Prozesse werden ebenfalls aufgrund ihrer relativ hohen Kosten noch nicht großtechnisch eingesetzt.
  • Ergänzend oder alternativ zu diesen technischen Lösungen wird auch die Konversion von elektrischer Energie in chemische Energie etwa mittels Elektrolyse verfolgt. Jedoch sind auch für solche sog. Power-to-Gas-Anwendungen große Anlagen zu errichten, die einen erhöhten Investitionsaufwand verursachen. Zudem ist die Technologie noch nicht ausreichend erprobt und getestet, um einen flächendeckenden Einsatz im großtechnischen Maßstab sinnvoll erscheinen zu lassen.
  • Weitere Ansätze für die Zwischenspeicherung von elektrischer Energie aus den öffentlichen Stromversorgungsnetzwerken beruhen auf der Zwischenspeicherung von thermischer Energie, welche aus der elektrischen Energie gewonnen wurde. Hierbei werden insbesondere nach dem der Anmelderin intern bekannten Stand der Technik Speicherlösungen verfolgt, welche thermische Energie auf einem verhältnismäßig hohen Temperaturniveau zwischenspeichern, um diese Energie nach Zwischenspeicherung erneut durch einen Rückverstromungsprozess abzurufen. Das Temperaturniveau, auf welchem die thermische Speicherung erfolgt, liegt hierbei typischerweise in einem Temperaturbereich von mehr als 300 °C. Für die Speicherung von thermischer Energie auf einem solch hohen Temperaturniveau kommen bspw. Stein oder auch Sandschüttungen bzw. geeignete geologische Formationen als Speichermaterial in Frage, mit Hilfe derer ein thermischer Speicher ausgebildet werden kann. Die Ausspeicherung der darin gespeicherten Wärme kann nachfolgend in einen herkömmlichen Wasser-Dampf-Prozess erfolgen, wobei die Rückverstromung etwa mittels eines Dampfturbinenbetriebenen Generators erfolgt, der mit einem Wasser-Dampf-Kreislauf verschaltet ist. Um den Speicherwirkungsgrad zu optimieren, ist hierbei ein möglichst hohes Temperaturniveau von über 300°C, auf welchem die thermische Energiespeicherung erfolgt, erforderlich.
  • Derartig hohe Temperaturen verursachen jedoch nicht nur hohe Risiken hinsichtlich der Betriebssicherheit, sondern auch hohe Kosten für die Bereitstellung der bei diesen Temperaturen einsetzbaren technischen Materialien und Bauteile.
  • Um diese aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden, soll vorliegend eine weitere technische Lösung zur thermischen Speicherung von elektrischer Energie vorgeschlagen werden. Insbesondere soll diese Lösung eine effiziente Zwischenspeicherung von thermischer Energie unter Nutzung von in einem Kraftwerksprozess anderweitig nicht weiter genutzter thermischer Energie, insbesondere Abwärme, erreicht werden. Bevorzugt soll auch eine in Verbindung mit einem Kraftwerksprozess stehende thermische Zwischenspeicherung von elektrischer Energie auf einem verhältnismäßig niedrigeren Temperaturniveau effizient ermöglicht werden. Die Speicherung soll hierbei insbesondere auf einem Temperaturniveau erfolgen, welches allgemein als Niedertemperaturniveau bezeichnet wird, und in einem Temperaturbereich zwischen 100 °C und 300 °C, insbesondere zwischen 120°C und 200°C, liegt (die Temperaturgrenzwerte sind hierbei mit eingeschlossen).
  • Im Vergleich zu diesen erfindungsgemäßen Speicherlösungen sollen die Speicherlösungen, welche die thermische Energie bei einem Temperaturniveau bei mehr als 300 °C zwischenspeichern, als Hochtemperaturwärmespeicher bezeichnet werden.
  • Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine thermische Speichereinrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Speicherung von thermischer Energie mittels einer solchen vorab wie auch nachfolgend beschriebenen Speichereinrichtung gemäß Anspruch 13 erreicht.
  • Insbesondere wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch eine thermische Speichereinrichtung erreicht, umfassend eine erste Wärmepumpe, einen mit der ersten Wärmepumpe wärmetechnisch verschalteten Wärmespeicher, sowie einen Kreislauf zur Ausführung eines thermischen Kreisprozesses und zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels einer darin verschalteten Stromerzeugungseinrichtung, die über ein in den Kreislauf geführtes Wärmeträgermedium energetisiert werden kann, wobei der Kreislauf ebenfalls wärmetechnisch mit dem Wärmespeicher verschaltet ist, und wobei die erste Wärmepumpe dazu ausgebildet ist, thermische Energie auf einem Temperaturniveau zwischen 40 °C und 120 °C, insbesondere zwischen 50°C und 90°C, an einer ersten Eingangsseite aufzunehmen und auf einer ersten Ausgangsseite thermische Energie auf einem angehobenen Temperaturniveau zwischen 100 °C und 300 °C, insbesondere zwischen 120°C und 200°C, abzugeben, wobei die thermische Energie auf der ersten Ausgangsseite wenigstens teilweise auf ein Wärmespeichermedium übertragen wird, welches die thermische Energie in dem Wärmespeicher deponiert.
  • Weiterhin werden die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben durch ein Verfahren zur Speicherung von thermischer Energie mittels einer solchen vorab wie auch nachfolgend beschriebenen thermischen Speichereinrichtung gelöst, welches folgende Schritte umfasst:
    • Aufnehmen von thermischer Energie auf einem Temperaturniveau zwischen 40 °C und 120 °C, insbesondere zwischen 50°C und 90°C, durch die erste Wärmepumpe an einer ersten Eingangsseite;
    • Abgeben von thermischer Energie auf einem angehobenen Temperaturniveau zwischen 100 °C und 300 °C, insbesondere zwischen 120°C und 200°C, auf einer ersten Ausgangsseite;
    • Übertragen wenigstens eines Teils der thermischen Energie auf der Ausgangsseite auf ein Wärmespeichermedium;
    • Deponieren der thermischen Energie des Wärmespeichermediums in dem Wärmespeicher.
  • Erfindungsgemäß erfolgt also die Speicherung von elektrischer Energie über einen thermischen Speicherprozess unter gleichzeitiger Einbindung von Niedertemperaturwärme auf einem Temperaturniveau zwischen 40 °C und 120 °C, insbesondere zwischen 50°C und 90°C. Die Einbindung erfolgt mittels einer ersten Wärmepumpe, welche neben der elektrischen Energie auch in der Lage ist, Niedertemperaturwärme auf dem bezeichneten Energieniveau aufzunehmen, und an einer ersten Ausgangsseite auf einem entsprechend angehobenen Temperaturniveau, zwischen 100 °C und 300 °C, insbesondere zwischen 120°C und 200°C, abzugeben.
  • Durch die vorgeschlagene Lösung ist es insbesondere möglich, elektrische Energie in einem Leistungsbereich effizient zwischenzuspeichern welcher kraftwerkstechnisch relevant ist. Die erfindungsgemäße Lösung unterscheidet sich insbesondere durch einen kraftwerkstauglichen Einsatz einer Wärmepumpe, die auch auf einem verhältnismäßig hohen Temperaturniveau Wärme abgeben kann. Herkömmliche für diesen Einsatz taugliche Wärmepumpen sind typischerweise nur bis zu einem Temperaturbereich auf der Wärmeabgabeseite von maximal 60 bis 70 °C verfügbar.
  • Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt zudem die Einbindung von Niedertemperaturabwärme auf einem Temperaturniveau zwischen 40 °C und 120 °C, insbesondere zwischen 50°C und 90°C, welche bei herkömmlichen Kraftwerksprozessen typischerweise verworfen wird. Derartige Niedertemperaturabwärme fällt in zahlreichen Kraftwerks- wie auch Industrieprozessen an, und kann entsprechend der vorliegenden Erfindung effizient in einen Speicherprozess eingebunden werden. Die Abwärmeverluste werden hierbei bei herkömmlichen Bestimmungen des Wirkungsgrades eines Kraftwerksprozesses nicht mit berücksichtigt.
  • Gemäß einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Wärmepumpe dazu ausgebildet, elektrische Energie in einem Leistungsbereich von mehr als 1 MW aufzunehmen und umzusetzen. Hierbei eignet sich die erste Wärmepumpe insbesondere für großtechnische Anwendungen, insbesondere für Kraftwerksprozesse, um auch Strommengen in thermische Energie umzusetzen, die für die Stromversorgung der öffentlichen Stromversorgungsnetzwerke relevant sind.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der thermischen Speichereinrichtung ist vorgesehen, dass das Verhältnis von der an der Ausgangsseite der ersten Wärmepumpe abgeführten thermischen Energie zu der elektrischen Energie, welche die erste Wärmepumpe zu ihrem Betrieb benötigt, zwischen 1,5 und 7, insbesondere zwischen 2 und 5 liegt. Das Verhältnis entspricht dem Coefficient of Performance (COP), welcher das Verhältnis von bereitgestellter Wärmemenge bei hohem Temperaturniveau zu eingesetzter elektrischer Energie wiedergibt. Demgemäß ist die erste Wärmepumpe dazu ausgebildet, elektrische Energie aufzunehmen, und eine deutlich größere Wärmemenge bei einem höheren Temperaturniveau bereitzustellen. Die zusätzlich erforderliche Differenzenergie entstammt hierbei der Wärme, welche der ersten Wärmepumpe an der ersten Eingangsseite als Niedertemperaturwärme zugeführt wird. Da diese typischerweise als Abwärme entnommen wird, kann sie sehr günstig bzw. sogar kostenfrei zur Verfügung gestellt werden. Durch den Wärmepumpenprozess ist eine geringere elektrische Energiemenge notwendig, um eine relativ größere thermische Wärmemenge bereitzustellen, um diese dann zwischenzuspeichern.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der thermischen Speichereinrichtung ist vorgesehen, dass der Wärmespeicher als sensibler Wärmespeicher und/oder als latenter Wärmespeicher ausgebildet ist. Sensible Wärmespeicher können bspw. Wasser, Druckwasser, Thermoöl oder auch Feststoffe als Wärmespeichermedium aufweisen. Latentwärmespeicher können bspw. Metall- bzw. Salzschmelzen sowie organische Stoffe als Wärmespeichermedien aufweisen. Der Phasenübergang, der für die Energiespeicherung genutzt wird, soll dabei im Temperaturbereich von 100°C bis 300°C, insbesondere im Temperaturbereich von 120°C bis 200°C erfolgen. Alternativ oder auch weiterführend kann der Wärmespeicher auch als Wärmesystem z.B. als Fernwärmesystem ausgebildet sein.
  • Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung kann der Kreislauf zur Ausführung des thermischen Kreisprozesses als Organic Rankine Cycle (ORC) betrieben werden oder auch als Kalina-Cycle. Beide Verfahren eignen sich besonders zur Rückverstromung der Wärme aus dem Wärmespeicher im Temperaturbereich von 100°C bis 300°C, insbesondere von 120°C bis 200°C.
  • Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist das Arbeitsfluid der ersten Wärmepumpe identisch mit dem Wärmeträgermedium in dem Kreislauf. Arbeitsfluide werden allgemein je nach der Steigung ihrer Sättigungskurve in einem T-S-Diagramm als nass (negative Steigung), isentrop (senkrechte Sättigungskurve) oder trocken (positive Steigung) klassifiziert. Nasse Arbeitsfluide (wie z.B. Wasser und CO2) führen bei einer isentropen Expansion zu einer teilweisen Kondensation und benötigen daher im Allgemeinen eine Überhitzung. Nur leicht nasse, trockene und isentrope Fluide durchlaufen bei der Expansion im allgemeinen nicht ein Zwei-Phasengebiet und auf eine Überhitzung kann daher im allgemeinen verzichtet werden. Die Erfindung sieht die Verwendung eines leicht nassen, trockenen und isentropen Arbeitsfluid, insbesondere umfassend Fluorketone (z.B. CF3CF2C(0)CF(CF3)2), Kältemittel (chlorierte und/oder fluorierte Kohlenwasserstoffe (z.B. R245ca)), Kohlenwasserstoffe (z.B. Butan, Pentan) und sonstige organische Lösemittel (z.B. Toluol) vor.
  • Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der ersten Wärmepumpe eine zweite Wärmepumpe wärmetechnisch vorgeschaltet ist, die dazu ausgebildet ist, thermische Energie auf einem Temperaturniveau zwischen 0 °C und 60 °C an einer zweiten Eingangsseite aufzunehmen und auf einer zweiten Ausgangsseite thermische Energie auf einem angehobenen Temperaturniveau zwischen 40 °C und 120 °C, insbesondere 50°C bis 90°C, abzugeben. Ein solches ausführungsgemäßes zweistufiges Wärmepumpensystem ist insbesondere geeignet, etwa Umgebungswärme oder Wärme auf einem verhältnismäßig niedrigen Temperaturniveau zunächst einfach anzuheben, um der ersten Wärmepumpe Wärme zur Verfügung stellen zu können, die ein Temperaturniveau zwischen 40 °C und 120 °C, insbesondere zwischen 50°C und 90°C, aufweist. Hierbei kann die zweite Wärmepumpe insbesondere als handelsübliche Wärmepumpe ausgebildet sein. Eine solche zweistufige Verschaltung eignet sich zudem auch insbesondere dann, wenn die erste Wärmepumpe an ihrer ersten Eingangsseite ein erforderliches Mindesttemperaturniveau benötigt, um ausreichend effizient zu arbeiten.
  • Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wärmeträgermedium und das Wärmespeichermedium im Wesentlichen identisch sind, insbesondere beide mit dem Wärmespeicher in thermische Wechselwirkung gelangen können. Hierbei werden insbesondere Transferverluste, die sich durch die zusätzliche Zwischenschaltung von weiteren Wärmetauschern ergeben, vermeiden. Zudem kann eine kompakte und sich durch wenige technische Komponenten auszeichnende thermische Speichereinrichtung realisiert werden. Weiterhin ist es möglich, durch eine solche Ausführungsform Funktionsbauteile der ersten Wärmepumpe mit Funktionsbauteilen des Kreisprozesses zu kombinieren, um folglich eine besonders einfache Bauform zu realisieren.
  • Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die thermische Speichereinrichtung eine Verdichter-Expandereinheit aufweist, welche gleichzeitig sowohl von der ersten Wärmepumpe als auch von dem Kreislauf umfasst ist. Insbesondere umfasst die erste Wärmepumpe den Verdichterabschnitt und der Kreislauf den Expanderabschnitt. Beide können mit einer einzigen Motor/Generatoreinheit zusammenwirken, um entweder elektrische Energie aufzunehmen bzw. diese in einem Rückverstromungsprozess wieder bereitzustellen. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Strömungsrichtung an der Verdichter-Expandereinheit bei Wärmeaufnahme durch die erste Wärmepumpe gegengleich zu der des Kreislaufs bei Betrieb zur Rückverstromung. Dadurch, dass die Verdichter-Expandereinheit gleichzeitig Funktionen der ersten Wärmepumpe wie auch Funktionen in dem Kreislauf zur Rückverstromung übernehmen kann, kann folglich eine besonders einfach ausgestaltete thermische Speichereinrichtung bereitgestellt werden.
  • Ausführungsgemäß kann eine solche Verdichter-Expandereinheit aus zwei getrennten Arbeitsmaschinen aufgebaut sein, die je nach Strömungsrichtung zu- bzw. abgeschaltet werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Verwendung von nur einer Arbeitsmaschine. Dies kann z.B. durch Arbeitsmaschinen erreicht werden, die nach dem Verdrängungsprinzip (z.B. Schraubenkompressor, Schraubenexpander oder Kolbenverdichter, Kolbenexpander) arbeiten. Derartige Arbeitsmaschinen können im Prinzip in beiden Strömungsrichtungen betrieben werden. Insofern ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der thermischen Speichereinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Speichereinrichtung eine Arbeitsmaschine aufweist, welche sowohl die Funktion eines Verdichters als auch die Funktion eines Expanders aufweist, und welche gleichzeitig sowohl von der ersten Wärmepumpe als auch von dem Kreislauf umfasst ist. Zusätzliche Pumpeneinheiten, welche die Einzelprozesse erfordern bzw. unterstützen, können entsprechend vorgesehen werden. Hierbei ist auch der Einsatz nur einer einzelnen Pumpeinheit möglich, die in beide Strömungsrichtungen arbeiten kann. Ebenso ist es möglich, nur eine Pumpeneinheit vorzusehen, welche in den Kreislauf verschaltet ist. Geeignete Schaltungen von Stellmitteln, wie Ventilen, können eine vorteilhafte Strömungsführung unterstützen bzw. diese sogar bewirken.
  • Die für diese Ausführungsformen der thermischen Speichereinrichtungen notwendigen Wärmespeicher sind bevorzugt als direkt durchströmte und damit direkt belad- und entladbare Wärmespeicher ausgebildet. Auf einen Zwischenkreislauf kann vorteilhaft verzichtet werden.
  • Gemäß einer weiterführenden Ausführungsform der erfindungsgemäßen thermischen Speichereinrichtung ist vorgesehen, dass ein Wärmeübertrager sowohl mit der ersten Wärmepumpe fluidtechnisch verschaltet ist, als auch mit dem Kreislauf, wobei der Wärmeübertrager je nach Betriebszustand als Kältequelle oder als Wärmequelle dienen kann. Bei Wärmeaufnahme durch die erste Wärmepumpe dient der Wärmeübertrager als Wärmequelle, erlaubt also Wärme aufzunehmen und der ersten Wärmepumpe zuzuführen. Bei Betrieb des Kreislaufs zur Stromerzeugung dient der Wärmeübertrager insbesondere als Kältequelle in dem Kreislaufprozess. Eine solche reversible Betriebsmöglichkeit der Prozesse der ersten Wärmepumpe sowie des Kreislaufs ermöglichen eine starke Reduzierung der Anzahl der erforderlichen Funktionsbauteile und Komplexität ihrer Verschaltung.
  • Gemäß einer ebenfalls besonders bevorzugten Ausführungsform der thermischen Speichereinrichtung ist vorgesehen, dass die erste Wärmepumpe als chemische Wärmepumpe ausgeführt ist. Derartige chemische Wärmepumpen sind bspw. beschrieben in: Thermochemical Energy Storage and Conversion: A State of the Art Review of the Experimental Research under Practical Conditions, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Cot-Gores, J., Castell, A., Cabeza, L.F., 16, 5207-5224, 2012; sowie in: A Review of Chemical Heat Pump Technology and Applications, Applied Thermal Engineering, Wongsuwan, W., Kumar, S., Neveu, P., Meunier, F., 21 (2001), 1489-1519.
  • Derartige chemische Wärmepumpen nutzen insbesondere die Druck- bzw. die Temperaturabhängigkeit von Ad- und Absorptionsvorgängen.
  • Gemäß einer weiteren bzw. auch weiterführenden Erfindungsidee ist vorgesehen, dass der Wärmespeicher als thermo-chemischer Wärmespeicher ausgeführt ist. Ein derartiger Wärmespeicher kann bspw. eine Schüttung eines Feststoffes bzw. eine Flüssigkeit umfassen. Eine derartige Schüttung bzw. die Flüssigkeit kann wiederum ein Wärmespeichermedium aufnehmen, welches bspw. Wasserdampf oder Ammoniak sein kann. Die Aufnahmefähigkeit ist hierbei abhängig vom Druck- und Temperaturniveau. Die Aufnahme und die darauf folgende Abgabe von Wärmespeichermedium können durch chemische Reaktionen, reversible Adsorptionsvorgänge und Absorptionsvorgänge erfolgen.
  • Bei der Aufnahme des Wärmespeichermediums wird Wärme freigesetzt, bei der Desorption wird im Gegenzug Wärme benötigt. Beim Laden des Wärmespeichers wird insofern typischerweise eine Wärmesenke bereitgestellt, welche bspw. der vorab beschriebene Warmeübertrager sein kann. Demnach wird dort bspw. das Wärmespeichermedium kondensiert, wobei etwa der Partialdruck des Wärmespeichermediums im Kreislauf der chemischen Wärmepumpe absinkt.
  • Gleichzeitig kann der Wärmespeicher beim Laden mit Wärme, insbesondere mit Abwärme versorgt werden. Derartige Wärme kann dem Wärmespeicher bspw. über einen weiteren Wärmetauscher bzw. insbesondere durch den vorab beschriebenen Warmeübertrager zugeführt werden.
  • Eine Herabsenkung des Partialdrucks im Wärmespeicher führt zu einer Desorption des Wärmespeichermediums, etwa an der Feststoffschüttung oder der Flüssigkeit, wobei der Wärmespeicher Wärmespeichermedium an den Kreislauf verliert. Ist das Wärmespeichermedium bspw. Wasser, wird der Wärmespeicher also dadurch zunehmend getrocknet. Da der Prozess der Desorption des Wärmespeichermediums mit einer Wärmeaufnahme verbunden ist, wird Wärme, insbesondere Abwärme zugeführt, um ein Absinken des Temperaturniveaus im Wärmespeicher zu vermeiden.
  • Der elektrische Energiebedarf beim Laden eines solchen thermo-chemischen Wärmespeichers ist sehr gering, da lediglich Rezirkulationsbauteile, bspw. Pumpen, betrieben werden müssen. Der elektrische Energiebedarf ist daher signifikant unter dem Energiebedarf etwa für eine herkömmliche Wärmepumpe. Eine vollständige Ladung des Wärmespeichers entspricht bspw. einer vollständigen Desorption des Wärmespeichermediums in dem Wärmespeicher.
  • Für die Entladung des Wärmespeichers zur Stromerzeugung wird dem Wärmespeicher ein erhöhter Partialdruck des Wärmespeichermediums zugeführt, wodurch eine chemische Reaktion, eine Adsorption bzw. Absorption dieses Wärmespeichermediums etwa an der Schüttung bzw. Flüssigkeit des Wärmespeichers erfolgt. Dies hat eine Erhöhung des Temperaturniveaus zur Folge, wobei diese Temperaturerhöhung geeignet in den Kreislauf für die Rückverstromung eingespeist werden kann. Die Entladung des Wärmespeichers kann auch unter Betrieb einer Rezirkulationseinheit, bspw. einer Pumpeinheit, erfolgen. Der Strombedarf durch diese Rezirkulationseinheit ist jedoch im Vergleich zur freiwerdenden thermischen Energie, die in elektrische Energie durch die Rückverstromung umgesetzt werden kann, gering.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass weiterhin ein Schritt des Übertragens von thermischer Energie nach dem Ausspeichern dieser aus dem Wärmespeicher auf das Wärmeträgermedium des Kreislaufs umfasst ist. Folglich kann die thermische Energie in dem Kreislauf zur Rückverstromung effizient genutzt werden.
  • Nachfolgend soll die Erfindung im Detail anhand der folgenden
  • Figuren erklärt werden. Hierbei sei darauf hingewiesen, dass die Figuren lediglich schematisch zu verstehen sind und keine Einschränkung hinsichtlich der Ausführbarkeit der Erfindung darstellen.
  • Ebenso sei darauf hingewiesen, dass Bauteile mit gleichen Bezugszeichen eine gleiche technische Wirkung aufweisen.
  • Fernerhin soll die Erfindung wie nachfolgend dargestellt, beansprucht werden sowie auch die Erfindung, die sich aus Kombination der nachfolgend dargestellten Einzelmerkmale ergibt, soweit diese Kombination unter den Erfindungsgedanken zu fassen ist.
  • Hierbei zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Schaltansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen thermischen Speichereinrichtung;
    Figur 2
    eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen thermischen Speichereinrichtung in schematischer Schaltansicht;
    Figur 3
    eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen thermischen Speichereinrichtung in schematischer Schaltansicht;
    Figur 4
    eine diagrammatische Darstellung der thermodynamischen Zustandsänderungen des Arbeitsfluids bei Betrieb einer thermischen Speichereinrichtung, wie sie in Figur 3 dargestellt ist, entsprechend einem T-S-Diagramm.
    Figur 5
    eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen thermischen Speichereinrichtung in schematischer Schaltansicht;
    Figur 6
    eine rechnerische Darstellung des Strom-zu-Strom Wirkungsgrades (Power-to-Power-Efficiancy, PtP-E) in Abhängigkeit der von der ersten Wärmepumpe aufgenommenen thermischen Abwärme (Waste Heat Temperature, WHT);
    Figur 7
    eine flussdiagrammatische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Speicherung von thermischer Energie mittels einer vorab wie auch nachfolgend dargestellten thermischen Speichereinrichtung.
  • Figur 1 zeigt eine Schaltansicht einer ersten möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen thermischen Speichereinrichtung 100, welche neben einer ersten Wärmepumpe 10, einem Wärmespeicher 20 auch einen Kreislauf 30 zur Ausführung eines thermischen Kreisprozesses aufweist, mittels dessen die Rückverstromung der in dem Wärmespeicher 20 gespeicherten thermischen Energie ermöglicht wird. Die erste Wärmepumpe 10 ist dazu ausgebildet, thermische Energie auf einem Temperaturniveau zwischen 40 und 120 °C, insbesondere zwischen 50°C und 90°C, an einer ersten Eingangsseite 11 aufzunehmen und auf einer ersten Ausgangsseite 12 thermische Energie auf einem angehobenen Temperaturniveau zwischen 100 °C und 300 °C, insbesondere zwischen 120°C und 200°C, abzugeben. Die erste Eingangsseite 11 entspricht hierbei einem ersten Wärmetauscher 17 sowie die erste Ausgangsseite 12 einem weiteren Wärmetauscher 18.
  • Die thermische Energie auf der ersten Ausgangsseite 12 wird bei Betrieb der thermischen Speichereinrichtung 100 wenigstens teilweise auf ein Wärmespeichermedium 21 übertragen, welches die so aufgenommene thermische Energie dem Wärmespeicher 20 zuführt und darin zwischenzeitlich deponiert. Ausführungsgemäß befindet sich das Wärmespeichermedium 21 in einem geeigneten Fluidleitungssystem, welches wärmetechnisch mit der ersten Ausgangsseite 12 verschaltet ist, sowie auch gleichzeitig mit dem Wärmespeicher 20 wärmetechnisch wechselwirken kann. Hierbei sei darauf hingewiesen, dass das Wärmespeichermedium sowohl im Sinne eines sich in dem Wärmespeicher 20 befindlichen Mediums zur Wärmespeicherung ausgebildet sein kann, als auch als Medium, welches den Wärmeübertrag zwischen der ersten Ausgangsseite 12 der ersten Wärmepumpe 10 sowie dem Wärmespeicher 20 vermittelt. In einer anderen Ausführungsform kann auch auf das Wärmespeichermedium 21 und das dazugehörige Fluidleitungssystem verzichtet werden, wobei die Ausgangsseite 12 direkt mit dem Wärmespeicher 20 verschaltet ist, bzw. in diesen integriert ist. Gemäß dieser Konfiguration gibt das Arbeitsfluid der Wärmepumpe 10 die Wärme direkt an den bzw. in dem Wärmespeicher 20 ab.
  • Nach Zwischenspeicherung der thermischen Energie in dem Wärmespeicher 20 kann zu einem nachfolgenden Zeitpunkt diese thermische Energie wiederum entnommen werden, um sie dem Kreislauf 30 zuzuführen. Hierbei kann, wie vorliegend durch eine geeignete wärmetechnische Verschaltung erreicht, die thermische Energie auf das in dem Kreislauf 30 befindliche Wärmeträgermedium 32 mittels eines Wärmetauschers 37 übertragen werden. Der Kreislauf ist zur Ausführung eines thermischen Kreislaufprozesses ausgebildet und das Wärmeträgermedium 32 vermag die mit dem Kreislauf 30 verschaltete Stromerzeugungseinrichtung 31 zu energetisieren.
  • Die Stromerzeugungseinrichtung 31 ist vorliegend als Expander 36 ausgebildet, welcher mit einem Stromgenerator (G) mechanisch zusammenwirkt. Als Kältequelle dient in diesem thermischen Kreisprozess ein weiterer Wärmetauscher 38, der ebenso in den Kreislauf 30 verschaltet ist. Zur Fluidbeförderung bzw. zur unterstützten Fluidbeförderung sieht der Kreislauf 30 eine Pumpe 35 vor, die das darin befindliche Wärmeträgermedium 32 mit einer Strömung beaufschlagt.
  • Ausführungsgemäß vermag die thermische Speichereinrichtung 100 folglich Wärme an der ersten Eingangsseite 11 der ersten Wärmepumpe 10 aufzunehmen, und diese auf einem erhöhten Temperaturniveau über die erste Ausgangsseite 12 der ersten Wärmepumpe 10 wieder auszukoppeln. Hierbei wird der Wärmepumpe 10 sowohl thermische Wärme an der ersten Eingangsseite 11 zur Verfügung gestellt, als auch elektrische Energie, welche vorliegend zum Betrieb eines Motors (M) vorgesehen ist, der einen Verdichter 15 antreibt. Der Verdichter 15 ist dazu ausgebildet, thermische Wärme auf einem angehobenen Temperaturniveau zwischen 100 °C und 300 °C, insbesondere zwischen 120°C und 200°C, bereitzustellen.
  • Die erste Wärmepumpe 10 ist vorliegend weiterhin als geschlossener Kreislauf ausgebildet, in welchem ein nicht weiter mit Bezugszeichen versehenes Kreislaufmedium zirkuliert wird. Zur Druckänderung dieses Kreislaufmediums ist ein Stellmittel 16 als Druckänderungseinheit in die erste Wärmepumpe 10 verschaltet.
  • Ausführungsgemäß kann die Erfindung, wie oben bereits ausgeführt, auch den Einsatz eines leicht nassen, trockenen und/oder isentropen Arbeitsfluids (Wärmepumpenmedium), insbesondere Fluorketone (z.B. CF3CF2C(0)CF(CF3)2), Kältemittel (chlorierte und/oder fluorierte Kohlenwasserstoffe (z.B. R245ca)), Kohlenwasserstoffe (z.B. Butan, Pentan) und sonstige organische Lösemittel (z.B. Toluol) vorsehen.
  • Ausführungsgemäß vermag also die erste Wärmepumpe 10 durch gleichzeitige Aufnahme von elektrischer Energie sowie thermischer Energie, die typischerweise in Form von Abwärmeenergie zur Verfügung gestellt wird, die durch sie abgegebene Gesamtwärme zu erhöhen und auf ein für eine Zwischenspeicherung in dem Wärmespeicher 20 geeignetes Temperaturniveau anzuheben.
  • Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen thermischen Speichereinrichtung 100 in schematischer Schaltansicht. Hierbei unterscheidet sich die in Figur 2 gezeigte Ausführungsform von der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform lediglich dahingehend, dass der ersten Wärmepumpe 10 eine zweite Wärmepumpe 40 wärmetechnisch vorgeschaltet ist, wobei die zweite Wärmepumpe 40 dazu ausgebildet ist, thermische Energie auf einem Temperaturniveau zwischen 0 °C und 60 °C an einer zweiten Eingangsseite 41 aufzunehmen und an einer zweiten Ausgangsseite 42 thermische Energie auf einem angehobenen Temperaturniveau zwischen 40 °C und 120 °C insbesondere zwischen 50°C und 90°C, abzugeben. Die zweite Eingangsseite der zweiten Wärmepumpe 40 ist vorliegend als Wärmetauscher 47 ausgebildet. Die zweite Ausgangsseite der zweiten Wärmepumpe 40 entspricht hierbei dem Wärmetauscher 17, der auch die erste Eingangsseite 11 der ersten Wärmepumpe 10 darstellt.
  • Erste Wärmepumpe 10 und zweite Wärmepumpe 40 sind folglich über einen Wärmetauscher 17 miteinander wärmetechnisch gekoppelt. Zur Erhöhung des Temperaturniveaus der in die zweite Wärmepumpe 40 eingekoppelten Wärme sieht die zweite Wärmepumpe 40 einen Verdichter 45 vor, der wiederum über einen Motor (M) elektrisch betrieben werden kann. Weiter kann die zweite Wärmepumpe 40 auch eine als Druckänderungseinheit arbeitendes Stellmittel 46 aufweisen, die dazu ausgebildet ist, das in der zweiten Wärmepumpe 40 zirkulierte Fluid mit einer Strömung zu beaufschlagen.
  • Figur 3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen thermischen Speichereinrichtung 100, wobei ausführungsgemäß die erste Wärmepumpe 10 mit dem Kreislauf 30 wärmetechnisch verschaltet ist. Weiterhin weisen die Wärmepumpe 10 und der Kreislauf 30 gemeinsame Bauteile auf, die zur prozesstechnischen Kopplung beider Prozesse geeignet sind.
  • Die erste Wärmepumpe 10 ist ausführungsgemäß als durch einen Motor (M) angetriebenen Verdichter 15 ausgebildet. Der Motor (M) kann bei anderer Betriebsart auch als Generator (G) betrieben werden. Insofern kann der Motor (M) auch als Stromerzeugungseinrichtung 31 genutzt werden. Der Verdichter 15 ist mechanisch mit einem Expander 36 über eine gemeinsame Welle, die möglicherweise auch eine Kupplung aufweisen kann, verbunden, so dass je nach Betriebsart der Motor (M) bzw. Generator (G) jeweils mit dem Verdichter 15 bzw. dem Expander 36 mechanisch wechselwirkt. Insofern weist die vorliegende Ausführungsform eine Verdichter-Expandereinheit 50 auf, die gleichzeitig sowohl von der ersten Wärmepumpe 10 als auch von dem Kreislauf 30 umfasst ist.
  • Bei Betrieb des Motors (M) zur Stromaufnahme und gleichzeitiger mechanischer Wechselwirkung mit dem Verdichter 15, kann über die erste Eingangsseite 11 aufgenommene thermische Energie auf ein höheres Temperaturniveau angehoben werden. Das Temperaturniveau ist geeignet zur thermischen Zwischenspeicherung in dem Wärmespeicher 20. Die durch den Betrieb des Verdichters 15 bereitgestellte thermische Energie wird auf das Wärmespeichermedium 21 übertragen, welches auch gleichzeitig das in der ersten Wärmepumpe 10 zirkulierte Wärmepumpenmedium ist. Nach erfolgter Abgabe der thermischen Energie in dem Wärmespeicher 20 wechselwirkt das Wärmespeichermedium 21 mit einem als Druckänderungseinheit arbeitenden Stellmittel 16 und strömt zurück zur ersten Eingangsseite 11 der Wärmepumpenschaltung.
  • Die erste Eingangsseite 11 ist als Wärmeübertrager 60 ausgebildet, der sowohl als Wärmequelle wie auch als Kältequelle je nach Betriebszustand eingesetzt werden kann.
  • Wird nun etwa der ersten Eingangsseite 11 keine thermische Energie mehr zugeführt, kann eine Entnahme von thermischer Energie aus dem Wärmespeicher 20 erfolgen. Hierbei ist es erforderlich, den Wärmeübertrager 60 soweit mit Kälte zu versorgen, dass dieser in dem Kreislauf 30 als Kältequelle genutzt werden kann. Dementsprechend kann nun thermische Energie aus dem Wärmespeicher 20 entnommen werden, die vorliegend über den Expander 36 geführt und zum Betrieb der Stromerzeugungseinrichtung 31 als Generator (G) genutzt wird. Nach erfolgter Entspannung über den Expander 36 kann das Wärmeträgermedium 32 dem Wärmeübertrager 60 zugeleitet werden. Um den Kreislauf 30 zu schließen bzw. das Wärmeträgermedium 32 zurück zum Wärmespeicher 20 zu führen, ist der Wärmeübertrager 60 mit einer weiteren Leitung verschaltet, die diese Rückführung erlaubt, wobei diese Leitung mit einer Pumpe 35 zur Beaufschlagung des Wärmeträgermediums 32 mit einer Strömung versehen sein kann.
  • Ausführungsgemäß ist es auch möglich, dass die von der Ausführungsform umfassten Stellmittel 16 und Pumpe 35 durch eine einzige Einheit ersetzt sind, wobei diese in jeweils entgegen gesetzte Richtungen betrieben werden kann. Hierbei ist es auch sinnvoll bzw. erforderlich, dass die beiden gezeigten Leitungsführungen als eine einzige Leitungsführung ausgebildet sind.
  • Ebenfalls ist es ausführungsgemäß denkbar, dass die Verdichter-Expandereinheit 50 lediglich eine Arbeitsmaschine aufweist, welche sowohl die Funktion des Verdichters 15 als auch die des Expanders 36 erfüllen kann. Hierbei kann es wiederum erforderlich sein, dass die Arbeitsmaschine bei gegengleichen Strömungen entsprechend genutzt werden kann. Hierbei ist es auch wieder sinnvoll bzw. erforderlich, dass die beiden gezeigten Leitungsführungen als eine einzige Leitungsführung ausgebildet sind.
  • Figur 4 zeigt schematisch die thermodynamischen Zustandsänderungen des Arbeitsfluids bei Betrieb einer thermischen Speichereinrichtung 100, wie sie in Figur 3 dargestellt ist, in einem T-S-Diagramm. Die einzelnen bezeichneten Zustände in dem gezeigten Diagramm korrespondieren hierbei zu den in Figur 3 gezeigten Bezugszeichen 81, 82, 83, 84 und 91, 92, 93, und 94, welche Orte angeben, an welchen das Arbeitsfluid einen spezifischen Zustand aufweist. Hierbei ist die Phasengrenzlinie für ein nahezu isentropes Arbeitsfluid (rechter Ast der Phasengrenzlinie) als dicke Linie gezeigt. Diese Phasengrenzlinie schließt nach unten hin den Bereich einer Zweiphasenmischung ein. Weiter ist als verdickte Linie auf dem isothermen Temperaturniveau 86 ein idealisierter Phasenübergang dargestellt, wie er etwa in einem Latentwärmespeicher erfolgen kann, wobei z.B. das Aufschmelzen und Erstarren des Speichermaterials auf einem Temperaturniveau erfolgt. Da bei realen Verhältnissen sich die Erstarrungstemperatur leicht von der Schmelztemperatur unterscheidet, ist der Phasenübergang als verdickte Linie dargestellt, um diese leichte Temperaturdifferenz besser zu veranschaulichen.
  • Der Betriebsprozess ist vorliegend für eine unterkritische Betriebsweise dargestellt, d.h. die maximale Arbeitsfluidtemperatur befindet sich immer unter dessen kritischer Temperatur.
  • Die Einspeicherung von Wärme in Wärmespeicher 20 erfolgt auf dem isothermen Temperaturniveau 86 im Bereich zwischen 100°C und 300°C, insbesondere zwischen 120°C und 200°C. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine isotherme Speicherung, wie sie durch Latentwärmespeicher oder thermo-chemische Wärmespeicher möglich ist, d.h. es wird ein Phasenübergang oder eine physikalische bzw. chemische Reaktion zur Speicherung der Wärme genutzt. Im Wärmepumpenkreislauf liegt wenigstens größtenteils kondensiertes Arbeitsfluid an Punkt 91 vor dem Wärmeübertrager 60 vor. Das Temperaturniveau der Wärmeaufnahme 87 liegt zwischen 40°C und 120°C, insbesondere zwischen 50°C und 90°C. Nach der Wärmeaufnahme liegt das Arbeitsfluid im T-S-Diagramm an Punkt 92 vor, es hat also eine Verdampfung bzw. Überhitzung stattgefunden. Nach dem Verdichter 15 liegt das Arbeitsfluid bei einer höheren Temperatur an Punkt 93 vor. Die Wärmeabgabe an den Wärmespeicher 20 erfolgt bis der Punkt 94 erreicht ist. Dann erfolgt eine weitere Wärmeabgabe bzw. Druckänderung bis der Ausgangszustand 91 wieder erreicht ist.
  • Der thermische Kreislauf zur Rückverstromung ist ebenfalls in Fig. 4 gezeigt. Hierbei wird Arbeitsfluid in der Flüssigphase von Punkt 81 nach Punkt 82 komprimiert. Dann erfolgt eine Wärmeaufnahme aus dem Wärmespeicher 20 bis der Punkt 83 erreicht ist. Durch die Expansion in dem Expander 36 wird Arbeit verrichtet und über die Stromerzeugungseinrichtung 31 nach außen abgegeben. Nach der Expansion liegt das Arbeitsfluid an Punkt 84 vor und erreicht durch den Wärmeentzug mit Kondensation wieder den Ausgangszustand 81.
  • Figur 5 zeigt eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen thermischen Speichereinrichtung 100, wobei die Wärmepumpe 10 sowie der Wärmespeicher 20 in einem geschlossene Kreislauf miteinander verschaltet sind. Die Wärmepumpe 10 ist als chemische Wärmepumpe ausgeführt, wobei der Wärmespeicher 20 als thermo-chemischer Wärmespeicher ausgeführt ist. Das System aus erster Wärmepumpe 10 und Wärmespeicher 20 erlaubt durch geeignete Adsorption- und Desorptionsvorgänge, bzw. chemische und physikalische Reaktionen in dem Wärmespeicher 20 die Bereitstellung von thermischer Energie, die wiederum dem Kreislauf 30 zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Um den Wärmespeicher 20 mit thermischer Energie aufzuladen, ist an der ersten Eingangsseite 11 der ersten Wärmepumpe 10 ein Wärmetauscher 17 vorgesehen. Über diesen kann geeignet Wärme zu- bzw. abgeführt werden. Weiter umfasst die erste Wärmepumpe 10 eine Strömungsmaschine 19 (Verdichter), welche das in diesem Kreislauf geführte Wärmespeichermedium 21 zwischen Wärmespeicher 20 und erster Eingangsseite 11 bewegt, also mit einer Strömung beaufschlagt. Je nach Strömungszustand bzw. nach eingekoppelter thermischer Wärme kann in dem Wärmespeicher durch Absorption bzw. Adsorption und entsprechenden Desorptionsprozessen, bzw. durch chemische und physikalische Reaktionen thermische Energie aufgenommen werden (typischerweise durch eine Desorption) bzw. thermische Energie abgegeben werden (typischerweise durch eine Absorption bzw. Adsorption). Die bei Betrieb der ersten Wärmepumpe 10 frei werdende Wärme kann in dem Wärmespeicher auch zeitweise zwischengespeichert werden.
  • Figur 6 zeigt eine idealisierte Berechnung des Strom-zu-Strom-Wirkungsgrad (PtP-E) in Abhängigkeit des Temperaturniveaus der der ersten Wärmepumpe 10 zur Verfügung gestellten Wärme, die vorliegend als Abwärme bereitgestellt wird. Dieses Temperaturniveau (WHT) betrifft typische in einem Kraftwerksprozess anfallende Temperaturniveaus von Abwärme.
  • Die Berechnungen hierzu gehen von vereinfachten Annahmen aus, welche jedoch einen Vergleich unterschiedlicher Wärmespeicherverfahren sowie der damit in Verbindung stehenden thermischen Speichereinrichtungen sinnvoll ermöglichen.
  • Die mit C bezeichnete Kurve geht von verhältnismäßig konservativen Annahmen zu den Wirkungsgraden einzelner Komponenten der thermischen Speichereinrichtung 100 aus. Hierbei wird angenommen, dass der Kreislauf 30 als ORC (Organic Rankine Cycle) betrieben wird. Der Gütegrad der Wärmepumpe (d.h. das Verhältnis von Wirkungsgrad zu Carnot-Wirkungsgrad) sowie des Kreislaufs 30 wurden zu 50 % angenommen. Die Wärmespeichertemperatur in dem Wärmespeicher 20 wurde zu 140 °C angenommen, Wärmeverluste betragen 10 %, die Grädigkeit im Wärmespeicher ist 25 K, die Kondensationstemperatur des ORC 35 °C. Trotz dieser verhältnismäßig konservativen Annahmen, ist der Wirkungsgrad bei einem Temperaturniveau von mehr als 90 °C bereits etwa 40 %.
  • Weiter optimierte Wirkungsgrade einzelner Komponenten wurden für den Fall B angesetzt, zu welchen angenommen wurde, dass der Gütegrad der Wärmepumpe sowie des ORC 60 % beträgt, die Wärmespeichertemperatur 130 °C, Wärmeverluste 5 %, Grädigkeit im Wärmespeicher 15 K, die Kondensationstemperatur des ORC 30 °C. Unter derartigen Annahmen sind bereits Wirkungsgrade der thermischen Speichereinrichtung 100 von mehr als 50 % bei Abwärmemengen auf einem Temperaturniveau von mehr als 70 °C erreichbar.
  • Weitergehende technische Verbesserungen, wie sie etwa durch eine stark reduzierte Stromaufnahme möglich sind, sind in der Kurve gemäß Fall A dargestellt. Hierbei wurde angenommen, dass die Wärmepumpe einen deutlich höheren Strom-zu-Wärme-Wirkungsgrad aufweist. Einen solchen kann bspw. durch eine chemische Wärmepumpe, wie weiter oben beschrieben, als erste Wärmepumpe 10 erreicht werden. Die erforderliche Stromaufnahme wurde vorliegend lediglich abgeschätzt. Wesentlich ist jedoch, dass die chemische Wärmepumpe in erster Linie thermische Energie aufnimmt, ohne elektrische Energie etwa durch Verbrauch durch einen Verdichter zu erfordern. Die Abschätzung ergibt, dass bereits bei Temperaturniveaus von 50 °C und darüber ein Strom-zu-Strom-Wirkungsgrad von über 70 % erreichbar ist.
  • Figur 7 zeigt eine flussdiagrammatische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Speicherung von thermischer Energie mittels einer vorab beschriebenen thermischen Speichereinrichtung, welches folgende Schritte umfasst:
    • Aufnehmen von thermischer Energie auf einem Temperaturniveau zwischen 40 °C und 120 °C, insbesondere zwischen 50°C und 90°C, durch die erste Wärmepumpe an einer ersten Eingangsseite (Verfahrensschritt 201);
    • Abgeben von thermischer Energie auf einem angehobenen Temperaturniveau zwischen 100 °C und 300 °C, insbesondere zwischen 120°C und 200°C, auf einer ersten Ausgangsseite (Verfahrensschritt 202);
    • Übertragen wenigstens eines Teils der thermischen Energie auf der Ausgangsseite auf ein Wärmespeichermedium (Verfahrenschritt 203);
    • Deponieren der thermischen Energie des Wärmespeichermediums in dem Wärmespeicher (Verfahrensschritt 204).
  • Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Claims (14)

  1. Thermische Speichereinrichtung (100) umfassend eine erste Wärmepumpe (10), einen mit der ersten Wärmepumpe (10) wärmetechnisch verschalteten Wärmespeicher (20), sowie einen Kreislauf (30) zur Ausführung eines thermischen Kreisprozesses und zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels einer darin verschalteten Stromerzeugungseinrichtung (31), die über ein in dem Kreislauf (30) geführtes Wärmeträgermedium (32) energetisiert werden kann, wobei der Kreislauf (30) ebenfalls wärmetechnisch mit dem Wärmespeicher (20) verschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmepumpe (10) dazu ausgebildet ist, thermische Energie auf einem Temperaturniveau zwischen 40 °C und 120 °C, insbesondere zwischen 50°C und 90°C, an einer ersten Eingangsseite (11) aufzunehmen und auf einer ersten Ausgangsseite (12) thermische Energie auf einem angehobenen Temperaturniveau zwischen 100 °C und 300 °C, insbesondere zwischen 120°C und 200°C, abzugeben, wobei die thermische Energie auf der ersten Ausgangsseite (12) wenigstens teilweise auf ein Wärmespeichermedium (21) übertragen wird, welches die thermische Energie in dem Wärmespeicher (20) deponiert.
  2. Thermische Speichereinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmepumpe (10) dazu ausgebildet ist, elektrische Energie bei einer Leistung von wenigstens 1 MW aufzunehmen.
  3. Thermische Speichereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von an der Ausgangsseite (12) der ersten Wärmepumpe (10) abgeführter thermischer Energie zu der elektrischen Energie, welche die erste Wärmepumpe (10) zu ihrem Betrieb benötigt, zwischen 1, 5 und 7, insbesondere zwischen 2 und 5 liegt.
  4. Thermische Speichereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (20) als sensibler Wärmespeicher, und/oder als Latentwärmespeicher ausgebildet ist.
  5. Thermische Speichereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid der ersten Wärmepumpe (10) identisch ist mit dem Wärmeträgermedium (32) in dem Kreislauf (30).
  6. Thermische Speichereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Wärmepumpe (10) eine zweite Wärmepumpe (40) wärmetechnisch vorgeschaltet ist, die dazu ausgebildet ist, thermische Energie auf einem Temperaturniveau zwischen 0 °C und 60 °C an einer zweiten Eingangsseite (41) aufzunehmen und auf einer zweiten Ausgangsseite (42) thermische Energie auf einem angehobenen Temperaturniveau zwischen 40 °C und 120 °C, insbesondere 50°C bis 90°C, abzugeben.
  7. Thermische Speichereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium (32) und das Wärmespeichermedium (21) im Wesentlichen identisch sind, insbesondere beide mit dem Wärmspeicher (20) in thermische Wechselwirkung gelangen können.
  8. Thermische Speichereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Speichereinrichtung (100) eine Verdichter-Expander-Einheit (50) aufweist, welche gleichzeitig sowohl von der ersten Wärmepumpe (10) als auch von dem Kreislauf (30) umfasst ist.
  9. Thermische Speichereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Speichereinrichtung (100) eine Arbeitsmaschine (70) aufweist, welche sowohl die Funktion eines Verdichters als auch die Funktion eines Expanders aufweist, und welche gleichzeitig sowohl von der ersten Wärmepumpe (10) als auch von dem Kreislauf (30) umfasst ist.
  10. Thermische Speichereinrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeübertrager (60) sowohl mit der ersten Wärmepumpe (10) fluidtechnisch verschaltet ist, als auch mit dem Kreislauf (30), wobei der Wärmeübertrager (60) je nach Betriebszustand als Kältequelle oder als Wärmequelle dienen kann.
  11. Thermische Speichereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmepumpe (10) als chemische Wärmepumpe ausgeführt ist.
  12. Thermische Speichereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (20) als thermo-chemischer Wärmespeicher ausgeführt ist.
  13. Verfahren zur Speicherung von thermischer Energie mittels einer thermischen Speichereinrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches folgende Schritte umfasst:
    - Aufnehmen von thermischer Energie auf einem Temperaturniveau zwischen 40 °C und 120 °C, insbesondere zwischen 50°C und 90°C, durch die erste Wärmepumpe (10) an einer ersten Eingangsseite (11);
    - Abgeben von thermischer Energie auf einem angehobenen Temperaturniveau zwischen 100 °C und 300 °C, insbesondere zwischen 120°C und 200°C, auf einer ersten Ausgangsseite (12);
    - Übertragen wenigstens eines Teils der thermischen Energie auf der Ausgangsseite (12) auf ein Wärmespeichermedium (21) ;
    - Deponieren der thermischen Energie des Wärmespeichermediums (21) in dem Wärmespeicher (20).
  14. Verfahren gemäß Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Schritt des Übertragens von thermischer Energie nach dem Ausspeichern dieser aus dem Wärmespeicher (20) auf das Wärmeträgermedium (32) des Kreislaufs (30) umfasst ist.
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