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EP4484878A1 - Anlage und verfahren zur energie- und/oder stoffversorgung mindestens eines verbrauchers - Google Patents

Anlage und verfahren zur energie- und/oder stoffversorgung mindestens eines verbrauchers Download PDF

Info

Publication number
EP4484878A1
EP4484878A1 EP24183893.7A EP24183893A EP4484878A1 EP 4484878 A1 EP4484878 A1 EP 4484878A1 EP 24183893 A EP24183893 A EP 24183893A EP 4484878 A1 EP4484878 A1 EP 4484878A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steam
storage tank
liquid storage
temperature
working
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.)
Pending
Application number
EP24183893.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thorsten Urbaneck
Dimitri Nefodov
Wang Haochen
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.)
Technische Universitaet Chemnitz
Original Assignee
Technische Universitaet Chemnitz
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 Technische Universitaet Chemnitz filed Critical Technische Universitaet Chemnitz
Publication of EP4484878A1 publication Critical patent/EP4484878A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/08—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by varying the cross-section of the flow channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D2020/0065—Details, e.g. particular heat storage tanks, auxiliary members within tanks
    • F28D2020/0082—Multiple tanks arrangements, e.g. adjacent tanks, tank in tank
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for supplying energy and/or material to at least one consumer according to the preamble of the 1st and 7th patent claims.
  • the process heat supply is largely based on natural gas.
  • the reduction of dependencies must be successful here. This is currently having a very large impact on the purchase price of natural gas or substitutes.
  • the phase-out of the supply of fossil fuels must be accelerated (e.g. massive reduction of greenhouse gas emissions). This can be achieved safely and inexpensively by using renewable energy sources (e.g. wind power, photovoltaics). Due to the fluctuating energy supply, storage solutions (flexibility of supply) and the use of waste heat (increase in efficiency) are required.
  • High-temperature or industrial heat pumps are limited in their maximum operating temperature due to available/suitable refrigerants and technologies.
  • Different heat storage devices are still used to store the heat transfer medium according to the state of the art. These are, for example, steam storage devices in the form of pressure gradient storage devices (e.g. Ruths storage devices). In these, the temperature drops during discharge. This is disadvantageous, for example, in batch processes when the temperature has to constantly rise (e.g. heating up).
  • PCM storage systems storage systems with phase change materials
  • the temperature difference during loading e.g. heat transfer through a wall into the PCM
  • discharging e.g. heat transfer through a wall from the PCM
  • the temperature difference decreases as loading and/or discharging progresses, so that in many cases the charging and/or discharging performance is limited.
  • PCMs were installed in or on steam storage tanks or combined in other ways. This increased the storage capacity, However, the above-mentioned double heat transfer leads to low charging and/or discharging performance and/or to a disadvantageous temperature reduction.
  • a liquid reservoir, a tank, a circulation pump and an evaporator are connected one after the other in terms of flow to form a first
  • a liquid storage tank To form a first liquid circulation circuit, a liquid storage tank, a vapor compressor, a condenser and the liquid collection tank are sequentially fluidly connected to form a second liquid circulation circuit.
  • the publication CN 113932208 A discloses a high temperature heat pump steam supply system with multiple heat sources, a heat pump heating system, a solar assisted flash evaporation system, and a vapor compression system.
  • a thermal hybrid compression heat pump steam system with two heat sources is CN 216408920 U
  • the dual heat source thermal mixed compression heat pump steam system includes a dual heat source evaporation system, a thermal compression system, and a mechanical compression system.
  • the heat pump process control is not optimally adapted to the storage solution. Therefore, the aforementioned solutions have the disadvantage that they are not flexible or not sufficiently flexible and cannot be easily adapted to requirements.
  • a heat pump steam supply system with heat storage function is described in the publication CN 114484398 A
  • the system works with two steam accumulators or steam-liquid accumulators.
  • Steam accumulators, in particular the gradient pressure accumulators mentioned here, have disadvantages, such as falling or too low temperatures during discharge. Falling temperatures during Discharge leads to a shortening of the operating time (e.g. during heating processes).
  • the object of the invention is to develop a system and a method for supplying energy and/or material to at least one consumer, in particular for supplying energy and/or material with temperature increase, with which an energy and/or material supply to one or more consumers with temperatures of, for example, over 120 °C and thus an increase in the supply temperatures and thus higher temperatures during discharge can be realized compared to Ruths storage or hybrid storage concepts and a good coordination of the charging and discharging performance as well as an adaptation of the energy and/or material supply to the demand is ensured, whereby in particular environmentally friendly and inexpensive refrigerants are used and the energy storage density can be increased.
  • This object is solved with the features of the 1st and 7th patent claims. Advantageous embodiments arise from the subclaims.
  • This configuration of the energy and/or material supply system enables a
  • Heat pump storage system can be implemented with which a temperature increase of the working medium output from the first storage tank can be realized by vapor compression and whereby the working medium with the increased temperature can be stored in a further storage tank, namely the high-temperature storage tank.
  • an expansion machine to at least partially reconvert the energy into electricity and/or to connect means for reconverting the energy into electricity downstream of the steam/liquid storage and/or the high-temperature storage: e.g. a steam turbine, a combined gas/steam turbine or a displacement machine.
  • the steam from the first working medium can also be used for process steps in fuel cells or in the chemical industry. The system can therefore be used effectively and flexibly.
  • a multi-stage compression system can be integrated between the steam/liquid storage tank and the high-temperature storage tank, e.g. using several compressors and/or compressor stages. This allows the temperature of the working medium output from the steam/liquid storage tank to be increased even further.
  • mechanical and/or thermal vapor compression of the working fluid released from the steam/liquid storage tank can also be achieved using mechanical and/or thermal compressors.
  • the mechanical and/or thermal vapor compression achieves the aforementioned increase in temperature of the working fluid, which is then stored in the high-temperature storage tank.
  • At least one expansion device and/or a pressure loss-generating component for the working medium is arranged between the high-temperature storage tank and the steam/liquid storage tank, so that the expansion of the working medium (reduction of the pressure) with return to the steam/liquid storage tank can be realized and/or Elements for relaxing the working fluid before it is returned to the steam/liquid storage tank are integrated into the high-temperature storage tank.
  • the pressure loss-generating component can be, for example, a thin pipe or a cross-sectional constriction or a nozzle or an orifice or a diverter or a valve body or another hydraulic device for throttling or a combination thereof.
  • the working fluid is returned to the steam/liquid storage tank in liquid or predominantly liquid form or, depending on the operation, in gaseous form.
  • the vapor/liquid storage device contains in particular the working medium in equilibrium or near equilibrium of two phases, liquid and vapor, whereby the temperature, pressure, mass and fill level of the liquid phase change when the vapor/liquid storage device is loaded and unloaded and thus the storage function corresponds to a mass storage device and a thermal energy storage device.
  • the high-temperature storage device loaded with the compressed working material is designed in particular as a container and is designed, for example, as a tube bundle apparatus with storage material. Additionally or alternatively, encapsulated storage materials or encapsulated storage materials can also be introduced into the container, in which case the storage material(s) consist in particular of phase change material, whereby heat transfer from the working material to the storage material can be achieved with or without a wall for material separation.
  • the working material(s) can preferably be all condensable gases/vapours and/or inorganic or organic liquids, in particular water, alkanes, alcohols (methanol, ethanol) or ammonia or conventional synthetic refrigerants or their mixtures and/or suspensions.
  • the energy and/or material supply to at least one consumer is carried out using a system as described above, wherein according to the invention at least one working substance in the form of steam/gas from the steam/liquid storage device is compressed by means of vapor compression via at least one compressor and/or at least one compressor stage, thereby increasing the temperature of the working substance, and at least one high-temperature storage device is loaded with the working substance with its increased temperature, in which the working substance cools down and/or is at least partially liquefied and is fed back into the steam/liquid storage device in a circuit via at least one expansion device and/or a pressure loss-generating component, wherein at least one heat sink and/or material sink/consumer is supplied and/or electricity is generated via the steam/liquid storage device and/or the compressor/the compressor stage and/or the high-temperature storage device.
  • the process implemented with the plant also enables an effective and flexible energy and/or material supply to the consumer(s).
  • the steam/liquid storage tank and the high-temperature storage tank can be loaded or unloaded simultaneously or at different times.
  • the multi-stage expansion can be carried out, for example, with several expansion devices and/or with several pressure loss-generating components and/or by means of a decentralized expansion in the high-temperature storage tank with distributed throttling points.
  • the steam/liquid storage tank is charged in particular via at least one heat pump and/or via waste heat and/or process heat and/or renewable heat such as solar thermal energy, geothermal energy, environmental heat.
  • a material flow can also be fed directly into the steam/liquid storage tank via the flow B1V without a return line B1R. If no heat and/or material source is available, the material can also be supplied via the return R.
  • the system and the process make it possible to achieve high performance and performance figures (ratio of heat provision to electrical expenditure for the compression of the working material).
  • the charging and discharging performance of the storage units can be well coordinated.
  • the system and the process for energy and/or material supply with temperature increase make it possible to achieve high temperatures during discharging in comparison to steam storage and hybrid storage (state of the art).
  • the high-temperature storage device used is preferably and typically designed as a container.
  • a special design can be, for example, a tube bundle device. Encapsulated storage materials or capsule-free storage materials can also be introduced into the container.
  • heat is transferred from the working material to the storage material with or without a wall for material separation.
  • heat transfer can be improved by fins (on the working fluid side and/or on the storage fluid side).
  • fins on the working fluid side and/or on the storage fluid side.
  • additives in the storage medium e.g. stabilization of the storage fluid, prevention of decomposition and supercooling as well as corrosion, increase of the effective thermal conductivity
  • pipes and channels that carry the working fluid(s) through the storage tank can be equipped with decentralized throttling points for multi-stage expansion.
  • substances e.g. salts, salt hydrates, alkanes, alkenes, paraffins, alcohols, sugar alcohols, polyolefins, fatty acids, esters, nitrates, hydroxides, chlorides, carbonates, fluorides, amides, ethers, glycols, metals, alloys and mixtures and/or suspensions
  • substances are preferably intended which undergo changes in state and high changes in the specific enthalpy due to the solid-liquid phase change.
  • the storage materials can also be combined - in particular several phase change materials (PCM).
  • PCM phase change materials
  • the storage materials are located in the cavity of the tube bundle apparatus or in capsules.
  • the loading is carried out by the compacted working material.
  • an additional electric heater for one or more storage units e.g. additional storage loading or overheating of the working medium, particularly before and after the compressor
  • the discharge takes place via the heat supply to the consumer.
  • the vapor/liquid storage system stores the working material when the two phases, liquid and vapor, are in equilibrium or almost in equilibrium.
  • the temperature, pressure, total mass and fill level of the liquid phase change. This means that the storage function corresponds to a mass storage system and a thermal energy storage system.
  • the position of the vessel can be upright, horizontal or inclined.
  • the vapor/liquid storage can be a single storage unit or consist of several storage units.
  • the storage capacity can be expanded with one or more liquid storage tanks (e.g. hot/warm water storage tanks).
  • liquid storage tanks e.g. hot/warm water storage tanks.
  • All condensable gases/vapours and/or inorganic or organic liquids can be used as working materials.
  • Water, alkanes (e.g. propane, butane), alcohols (e.g. methanol, ethanol), ammonia and conventional synthetic refrigerants as well as their mixtures and suspensions appear particularly suitable.
  • the steam/liquid storage and the high-temperature storage can be loaded simultaneously or at different times. The same applies to unloading.
  • a reference variant according to the invention essentially consists of a single-stage compaction and the use of a working material.
  • a storage system with two different storage units is used, namely with at least one steam/liquid storage unit and with at least one high-temperature storage unit.
  • the first steam/liquid storage unit 2.1 is loaded here, for example, using any first heat source and/or material source 1.1.
  • the first loading B1 of the steam/liquid storage unit 2.1 is carried out via a flow line B1V from the first heat source and/or material source 1.1 to the first steam/liquid storage unit 2.1. From this, a return line B1R of the first loading B1 leads back to the first heat source and/or material source 1.1.
  • a first pump P1 for conveying the working material is integrated into the return line B1R.
  • the first steam/liquid storage unit 2.1 can also be loaded via just a flow line B1V. It is also possible that different mass flows occur in the flow line B1V and the return line B1R (not shown in Figure 1 ).
  • the time-shifted equalization of the mass of the working substance then takes place via the flow line V to the heat and/or material sink (consumer) 6. If no first heat source and/or material source 1.1 is available, the return line R can also serve as a material source for the return of the first working substance A1.
  • Hot water and/or steam enters the first steam/liquid storage tank 2.1 via the flow line B1V. If there is no first heat source and/or material source 1.1, cold condensate (liquid water, first working material A1) can also be fed to the first steam/liquid storage tank 2.1. In both cases, the hot working material A1 is fed to the heat and/or material sink (consumer) 6 with a time delay.
  • a closed process is also possible and necessary if one of the working materials is not allowed to enter a heat and/or material source system and/or a heat and/or material sink system directly.
  • the filling level of the liquid phase in the lower area 2.1a of the first vapor/liquid storage tank 2.1 is variable.
  • a second loading B2 leads from the upper area 2.1b of the first steam/liquid storage 2.1 via a second flow B2V and via the first compressor 3.1 to the first high-temperature storage 4.1 with at least one storage material 12 and from there via a first expansion device 5.1 for the working material as return B2R into the steam/liquid storage 2, in particular in liquid form in the lower area 2.1a.
  • the first compressor 3.1 is arranged between an inlet of the first high-temperature storage tank 4.1, so that a vapor compression with temperature increase of the gaseous/vaporous working medium output from the first vapor/liquid storage tank 2.1 is realized, whereby the working medium for loading the first high-temperature storage tank 4.1 has a higher temperature than when exiting the first vapor/liquid storage tank 2.1.
  • a first discharge E1 can lead via a flow line E1V directly to the consumer 6.
  • a flow line V leads from the upper area 2.1b of the first steam/liquid storage tank 2.1 via the first compressor 3.1 directly to the consumer 6.
  • a second discharge as flow E2V and a third discharge as flow E3V lead to the consumer 6 from the first high-temperature storage tank 4.1, whereby the flow E3V of the third discharge from the first steam/liquid storage tank 2.1 is pumped into the first high-temperature storage tank 4.1 via a second pump P2.
  • the consumer or several consumers 6 can be supplied via one, several or all supply lines V, E1V, E2V, E3V.
  • return flows R, E1R and E3R of the discharges 1 and 3 can lead via a third pump P3 to the steam/liquid storage tank 2.1.
  • a return flow E2R of the discharge E2 from the consumer 6 can also lead via a fourth pump P4 to the first high-temperature storage tank 4.1.
  • first vapor/liquid storage device 2.1 is charged by means of a first heat source and/or material source 1.1, which is designed in the manner of a heat pump, consisting of evaporator 1.a, heat pump compressor 1.b, condenser 1.c or gas cooler and heat pump expansion device 1.d.
  • At least one heat sink and/or material sink (consumer) 6 for supplying energy and/or material can be coupled to the first steam/liquid storage device 2.1 and/or the first compressor 3.1 and/or the first high-temperature storage device 4.1.
  • Figure 3 shows a heat pump storage system in a simplified representation with a multi-stage compression, which is implemented here in three stages, with a working medium, three steam/liquid storage tanks 2.1 to 2.3, with a three-/multi-stage expansion, with a first high-temperature storage tank 4.1 and with a first heat source/material source system 1.1.
  • a first loading B1 of the first steam/liquid storage device 2.1 takes place from the first heat source and/or material source 1.1, preferably in its lower region 2.1a, in which liquid working medium is stored, by means of a flow line B1V. Also preferably from the lower region 2.1a of the first steam/liquid storage device 2.1, a return line B1R of the first loading B1 leads back to the first heat source and/or material source 1.1 via a first pump P1.
  • vaporous working material is conducted via a first compressor 3.1 to the second steam/liquid storage tank 2.2 in its lower area 2.2a.
  • vaporous working material is conducted from its upper area 2.2b via a second compressor 3.2 into the lower area 2.3a of a third steam/liquid storage tank 2.3 and from the upper area 2.3b of the third steam/liquid storage tank 2.3 via a third compressor 3.3 as a second load B2 in a flow line B2V to the first high-temperature storage tank 4.1, which also contains a storage material 12.
  • the return B2R of the second load B2 of the working medium from the first high-temperature storage tank 4.1 to the first steam/liquid storage tank 2.1 takes place via the third and second steam/liquid storage tanks 2.2, 2.3, whereby a first expansion device 5.1 is arranged between the first high-temperature storage tank 4.1 and the third steam/liquid storage tank 2.3, a second expansion device 5.2 is arranged between the third steam/liquid storage tank 2.3 and the second steam/liquid storage tank 2.2, and a third expansion device 5.3 is arranged between the second steam/liquid storage tank 2.2 and the first steam/liquid storage tank 2.1.
  • a three-stage vapor compression is carried out, in which the temperature is higher after each compressor 3.1, 3.2, 3.3 in the direction of the flow line B2V.
  • the return flow B2R of the second loading always leads from the expansion devices 5.1, 5.2, 5.3 into the steam/liquid storage tanks 2.1, 2.2, 2.3.
  • the return flow B2R of the second load from the expansion elements 5.1, 5.2, 5.3 leads in at least partially liquid form and/or in gaseous state in particular into the lower regions 2.3a, 2.2a, 2.1a with the liquid phases of the working substance.
  • FIGS. 4 and 5 show further exemplary variants of the system according to the invention for supplying energy and/or materials to a consumer in the form of a heat pump storage system with temperature increase in a simplified representation.
  • a multi-stage compression takes place, which here is designed in two stages, for example, with a first and second heat exchanger 2.1, 2.2 and the first and second compressors 3.1 and 3.2 connected downstream of these and with two working materials A1, A2.
  • the first loading B1 of the first steam/liquid storage tank 2.1 is carried out as in Figure 3 from the first heat source and/or material source 1.1 by means of the flow line B1V into the lower area 2a of the first steam/liquid storage tank 2.1. From the first steam/liquid storage tank 2.1 (lower area 2a), a return line B1R of the first load B1 leads back to the first heat source and/or material source 1.1 via a first pump P1.
  • a first high-temperature storage tank 4.1 is available.
  • a first working substance A1 is located in the first steam/liquid storage tank 2.1 and a working substance A2 is located in the second steam/liquid storage tank 2.2.
  • an internal heat exchanger 7 is provided in the second steam/liquid storage unit 2.2. From the steam phase of the first working substance A1 in the upper region 2.1b of the first steam/liquid storage unit 2.1, the first working substance A1 is compressed via the first compressor and thereby its temperature is increased and flows through the internal heat exchanger 7 located in the lower region 2.2a and via a second expansion device 5.2 (in which the first working substance A1 is at least partially liquefied) back into the first steam/liquid storage unit 2.1 in its lower region 2.1a with the liquid phase.
  • An external heat exchanger 8 is arranged between the first compressor 3.1 and the second steam/liquid storage tank 2.2.
  • the first working substance A1 the vaporous phase from the upper area 2.1b of the first steam/liquid storage tank 2.1, flows via the external heat exchanger 8 and via a second expansion device back into the first area 2.1a (liquid phase) of the first steam/liquid storage tank 2.1.
  • liquid first working substance A1 is also conducted via the external heat exchanger 8 via a fifth pump P5 and then back into the lower area 2.2a of the second steam/liquid storage tank 2.2.
  • the second working substance A2 in the second steam/liquid storage tank 2.2 is thus heated via external heat exchangers 8 using the first working substance A1.
  • the vaporous phase of the second working substance A2 from the upper area 2.2b of the second vapor/liquid storage tank 2.2 is compressed by a second compressor 3.2 and thereby further heated and leads via the flow line B2V of the second load B2 to the first high-temperature storage tank 4.1.
  • the return line B2R of the second load B2 leads from the first High-temperature storage device 4.1 via a first expansion device 5.1 in at least partially liquid form and/or gaseous state into the lower region 2.2a of the second steam/liquid storage device 2.2.
  • the at least one consumer can be supplied by branches (not shown) after the first and/or second steam/liquid storage 2.1, 2.2 and/or after the first and/or second compressor 3.1, 3.2 and/or from the first high-temperature storage 4.1. The connection is then made via corresponding valves (not shown).
  • the Figure 6 shows a heat pump storage system in a simplified representation with a single-stage compression, with a first working medium A1, with a first high-temperature storage 4.1, with a first expansion device 5.1, with a first steam/liquid storage 2.1, with a first heat source and/or material source 1.1 and with a liquid storage 9 as well as with a pump P6 for discharging the first steam/liquid storage 2.1 from the liquid storage 9, and a pump P7 for loading the first steam/liquid storage 2.1.
  • the liquid phase of the working substance A1 is located in the lower area 2.1a of the vapor/liquid storage device 2 and the gaseous phase is located in the upper area 2.1b.
  • the first steam/liquid storage tank 2.1 is loaded and unloaded with the first working medium A1 from the lower area 2.1a via the pumps P6, P7. By transferring the load in at least one circuit U, it is possible, among other things, to increase the pressure of the working medium A1. It is also possible to arrange the liquid storage tank 9 below the first steam/liquid storage tank 2.1 and to circulate the working medium A2 between the first steam/liquid storage tank 2.1 and the liquid storage tank 9 using the pumps P6 and P7, if necessary using the hydrostatic head. Vaporous working medium A1 is compressed from the upper area 2.1a of the first steam/liquid storage tank 2.1 via the first compressor 3.1 and fed to the first high-temperature storage tank 4.1 as a second load B2 via the feed line B2V.
  • the first working substance A1 is at least partially liquefied via the first expansion device 5.1 and fed into the lower region 2.1a of the first vapor/liquid storage unit 2.1.
  • the first loading B1 of the first steam/liquid storage tank 2.1 takes place from the first heat source and/or material source 1.1 by means of the flow line B1V into the lower area 2.1a of the first steam/liquid storage tank 2.1. From the first steam/liquid storage tank 2.1 (lower area 2.1a), the return line B1R of the first loading B1 leads back to the first heat source and/or material source 1.1 via the first pump P1.
  • valves that are not designated.
  • appropriate lines for supplying energy and/or materials to the consumer(s) not shown here can lead to the first steam/liquid storage tank 2.1 and/or to the first compressor 3.1 and/or from the first high-temperature storage tank 4.1.
  • Figure 7 shows a variant of the system with single-stage compression, with a first vapor/liquid storage device 2.1, a first working medium A1, with a first high-temperature storage device 4.1, with a first expansion device 5.1, with a first heat source and/or material source 1.1 and with a third heat exchanger 10 for preheating the sucked-in vaporous first working medium A1 and at least partially bypassing the first high-temperature storage device 4.1 for operation optimization.
  • the first loading B1 of the first steam/liquid storage tank 2.1 takes place from the first heat source and/or material source 1.1 by means of the flow line B1V into the lower area 2.1a of the first steam/liquid storage tank 2.1.
  • the return line B1R of the first loading B1 leads back to the first heat source and/or material source 1.1 via the first pump P1.
  • the vapor/gaseous phase of the first working substance A1 is sucked in from the upper area 2.1b of the first steam/liquid storage 2.1 via the first compressor 3.1 and is then passed through the third heat exchanger 10, which is arranged between the first steam/liquid storage 2.1.
  • the third heat exchanger 10 To preheat the first working substance A1 output from the first steam/liquid storage 2.1, either the first working substance A1 exiting from the first compressor 3.1 and/or the first high-temperature storage 4.1, which has a higher temperature than the working substance A2 exiting from the upper area 2.1b of the first steam/liquid storage 2.1, can be used. normal operation, are passed through the third heat exchanger 10 and thereby increase the temperature of the first working medium A1 upstream of the first compressor 3.1.
  • the return flow B2R of the working medium A1 of the second load B2 emerging from the first high-temperature storage tank 4.1 is returned via the third heat exchanger 10 and the first expansion device 5.1 to the first steam/liquid storage tank 2.1 in the lower area 2.1a (liquid phase).
  • the consumer(s) not shown here can also be supplied with heat via lines not shown to the first steam/liquid storage tank 2.1 and/or the first compressor 3.1 and/or from the first high-temperature storage tank 4.1, for which corresponding valves are provided (not shown).
  • Figure 8 shows the possible arrangement of several high-temperature storage tanks of a heat pump storage system in a simplified representation.
  • a four-stage design of high-temperature storage tanks, each containing a storage material 12, with a controlled multi-stage - in this case four-stage - expansion is provided.
  • a first controlled expansion device/motor valve 11.1 is provided after a first high-temperature storage tank 4.1, a second controlled expansion device/motor valve 11.2 is provided between the first high-temperature storage tank 4.1 and a second high-temperature storage tank 4.2, a third controlled expansion device/motor valve 11.3 is provided between the second and third high-temperature storage tanks 4.2 and 4.3, and a fourth controlled expansion device/motor valve 11.4 is provided between the third and fourth high-temperature storage tanks 4.3 and 4.4.
  • the working substance A1 passes from a shown at least one compressor or at least one compressor stage via the flow of the second load B2V and a fifth expansion device/motor valve 11.5 into the fourth high-temperature storage tank 4.4 and from there via the other aforementioned motor valves and the third 4.3 and second high-temperature storage tank 4.2 into the first high-temperature storage tank 4.1 and from there via the first expansion device 5.1 back into the first vapor/liquid storage tank 2.1 (not shown here).
  • a flow line E2V leads to the discharge of the high-temperature storage tank(s) 4.1 to 4.4 to consumer 6.
  • a return line E2R of the discharge leads via a fourth pump P4 into the high-temperature storage tanks 4.1 to 4.4 and the motor valves 11.1 to 11.5 and exits again as the flow line E2V of the discharge.
  • Figure 9 shows a simplified representation of a first high-temperature storage device 4.1, with decentralized expansion of an example first working substance A1.
  • channels 13 lead through a storage material 12 of the high-temperature storage device 4.1, through which the working substance A1 flows and in which throttle points 14 are arranged. Between the channels 13 and the storage material 12 there is a wall 15 for material separation and heat transfer from the working substance A1 to the storage material 12.
  • the list of selected working materials shows a relatively large operating range in terms of temperature and pressure. If mixtures/suspensions of the working materials mentioned above are used (two- or multi-component systems), the pressure and temperature ranges change depending on the material proportions. For example, for a 50%/50% water-ethanol mixture, the pressures are in the range of 0.0031 MPa to 0.0049 MPa for 20 °C and in the range of 17.8 MPa to 18.2 MPa for 330 °C.
  • the final compression temperature after the first compressor 3.1 depends heavily on the working fluid, the condition of the working fluid entering the compressor and the type of compression and its quality (positive displacement or flow machine, number of compression stages, operating mode, etc.). Therefore, final compression temperatures of up to 800 °C and/or final compression pressures of up to 21 MPa and higher can occur.
  • the temperature is, for example, 100 °C to 150 °C at a pressure of 0.101 MPa to 0.476 MPa
  • the temperature of the working medium in the form of e.g. water/water vapor which according to. Figure 1 and 2 is fed into the high-temperature storage tank 4.1, higher than the temperature in the first steam/liquid storage tank 2.1 and can be a maximum of 700 °C.
  • the pressure of the working medium water/steam is higher than in the first steam/liquid storage tank 2.1 and is a maximum of 2.55 MPa.
  • the working medium for example water/steam
  • the working medium is pumped from the first steam/liquid storage tank 2.1 (temperature 100 °C, pressure 0.101 MPa) into the second steam/liquid storage tank 2.2 via the vapor compression using the first compressor 3.1.
  • the temperature in the second steam/liquid storage tank 2.2 is then higher than in the first steam/liquid storage tank 2.1 and is up to 150 °C.
  • the pressure of the working medium is 0.472 MPa.
  • the temperature of the working medium that is fed to the high-temperature storage tank 4.1 is higher than the temperature in the second steam/liquid storage tank 2.2 and is up to 500 °C.
  • the pressure when fed into the high-temperature storage tank is preferably 1.55 MPa.
  • the temperature of the working medium in the third steam/liquid storage tank 2.3 is then also higher than in the second steam/liquid storage tank 2.2 and is up to 200 °C and the pressure in the third steam/liquid storage tank 2.3 is higher than in the second steam/liquid storage tank 2.2 and is up to 1.55 MPa.
  • the third compressor 3.3 after the third vapor-liquid storage tank 2.3 further increases the temperature and pressure of the working medium, whereby the temperature of the working medium during the second loading B2 of the high-temperature storage tank 4.1 is up to 600 °C and the pressure is up to 3.98 MPa.
  • the variants described above can be used to provide very high temperatures to supply the consumer(s).
  • compressors 3.1, 3.2, 3.3 shown in the drawings, several compressors can be used or combined and/or one or more compressor stages can be used.
  • one or more flow machines e.g. turbine(s)
  • displacement machines e.g. a reciprocating piston machine
  • turbomachines e.g. turbine(s)
  • displacement machines e.g. a reciprocating piston machine
  • fuel cells can also be used as consumers 6.
  • the system and method according to the invention also make it possible to supply one or more consumers with substances, particularly those at high temperatures.
  • This can be used, for example, in the chemical or process engineering industry and is preferably used when working materials are used in the form of ethanol and/or methanol and/or water or mixtures/combinations thereof.
  • a typical supply is steam.
  • the working material can then be fed directly to the consumer. If a different working material is used, at least one heat exchanger is usually used to separate the materials.
  • Heat/energy supply usually takes place in closed circuits, i.e. the material or heat carrier remains in the circuit.
  • the invention provides a system and a method which can be flexibly adapted to the existing heat sources and material sources and which enables one or more consumers to be supplied from one or more heat sinks or one or more material sinks by increasing the temperature after the steam/liquid storage device(s) and using a high-temperature storage device.
  • the consumer(s) can also be supplied with different temperatures using the system and the method.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Energie- und/oder Stoffversorgung mindestens eines Verbrauchers mittels mindestens eines Arbeitsstoffs mit mindestens einer Wärmequelle und/oder Stoffquelle, mindestens einem Speichersystem, mindestens einem Verdichter, mindestens einer Wärmesenke und/oder Stoffsenke (Verbraucher), wobei dass das Speichersystem eine Kombination mindestens eines, mittels mindestens einer Wärmequelle und/oder Stoffquelle beladbaren, Dampf-/ Flüssigkeitsspeichers mit mindestens einem nachgeschalteten Hochtemperaturspeicher ist und die mindestens eine Wärmesenke und/oder Stoffsenke (Verbraucher) zur Energie- und/oder Stoffversorgung und/oder Rückverstromung mit dem aus dem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher und/oder dem Verdichter und/oder der Verdichterstufe und/oder dem Hochtemperaturspeicher ausgegebenen Arbeitsstoff gekoppelt ist. Verfahrensgemäß wird mindestens ein Arbeitsstoff in Form von Dampf/Gas aus dem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher mittels einer Brüdenverdichtung verdichtet und dadurch die Temperatur des Arbeitsstoffes erhöht, wobei mit dem in seiner Temperatur erhöhten Arbeitsstoff eine Beladung mindestens eines Hochtemperaturspeichers erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Energie- und/oder Stoffversorgung mindestens eines Verbrauchers nach dem Oberbegriff des 1. und 7. Patentanspruchs.
  • Die Prozesswärmeversorgung basiert in großen Teilen auf Erdgas. Hier muss die Reduktion von Abhängigkeiten gelingen. Diese haben zurzeit sehr große Auswirkungen auf den Einkaufpreis von Erdgas oder Ersatzstoffen. Parallel ist der Ausstieg aus der Versorgung mit fossilen Energieträgern zu forcieren (z. B. massive Reduktion der Treibhausgasemissionen). Das kann sicher und preiswert durch den Einsatz erneuerbarer Energiequellen (z. B. Windkraft, Photovoltaik) realisiert werden. Aufgrund des schwankenden Energieangebotes sind Speicherlösungen (Flexibilisierung der Versorgung) und die Nutzung der Abwärme (Effizienzsteigerung) erforderlich.
  • Hochtemperatur- oder Industriewärmepumpen sind aufgrund verfügbarer/geeigneter Kältemittel und Techniken in der maximalen Betriebstemperatur begrenzt.
  • Viele Kältemittel haben weiterhin eine schädliche Wirkung (Ozonabbau, Treibhausgaswirkung, giftige Abbauprodukte usw.). Deswegen ist der Umstieg auf natürliche Kältemittel dringend erforderlich.
  • Es werden weiterhin zur Speicherung der Wärmeträger nach dem Stand der Technik unterschiedliche Wärmespeicher eingesetzt. Dies sind beispielsweise Dampfspeicher in Form von Gefälledruckspeichern (z. B. Ruthsspeicher). Bei diesen sinkt die Temperatur bei der Entladung. Das ist z. B. bei Batchprozessen ungünstig, wenn die Temperatur ständig steigen muss (z. B. Aufheizen).
  • Weiterhin sind PCM-Speicher (Speicher mit Phasenwechselmaterialien) bekannt, bei welchen die Temperaturdifferenz bei der Beladung (z. B. Wärmeübertragung durch eine Wand in das PCM) und Entladung (z. B. Wärmeübertragung durch eine Wand aus dem PCM) genutzt wird. Die Temperaturdifferenz sinkt jedoch bei einer fortschreitenden Be- und/oder Entladung, sodass in vielen Fällen die Be- und/oder Entladeleistung begrenzt ist/sind.
  • Bei bekannten hybriden Konzepten wurden PCMs in oder an Dampfspeichern angebaut oder anderweitig kombiniert. Damit konnte zwar die Speicherkapazität erhöht werden, jedoch führt die oben genannte zweifache Wärmeübertragung zu niedrigen Be- und/oder Entladeleistungen und/oder zu einer nachteiligen Temperaturreduktion.
  • Derartige Lösungen werden beispielsweise in den Druckschriften EP 3 260 803 A1 , AT 518793 A1 , AT 518828 A1 oder DE 41 21 462 A1 genannt.
  • Aus der Druckschrift CN 114517925 A ist ein Verfahren zur Wärmeversorgung bzw. Erzeugung von heißem Wasserdampf bekannt. Wasserdampf aus einer vorgelagerten Wärmepumpe wird durch eine anschließende Verdichtung in einem Wasserdampf-Verdichter auf 140 °C erhitzt und einem Druckbehälter zugeführt, der zur Wärmeversorgung dient. Dieses Verfahren ist nicht flexibel einsetzbar.
  • In der DE 10 2013 225 543 B3 wird die Verwendung von Wasserdampf aus einer Dampferzeugungsanlage einer wärmegeführten Kraft-Wärme-Kopplungsanlage beschrieben. Die Bereitstellung des Dampfes erfolgt mit hohen Temperaturen und Drücken, wobei die Betriebsweise mit einer konstanten Temperatur angestrebt wird. D. h. weiterhin, die Anlage realisiert keine Anhebung der Temperatur der Wärmequellenanlage. Außerdem soll der Betrieb mehrerer Speicher mit konstanter Temperatur erfolgen. Die Schrift liefert keine detaillierte Beschreibung der Speicherlösung. Mit den vorliegenden Angaben sind keine Planung, keine Ausführung und kein Betrieb möglich.
  • Es ist ebenfalls die sogenannte Brüdenverdichtung bekannt. Dabei handelt es sich um ein relativ altes Verfahren unter Verdichtung von Gasen und Dämpfen, was prinzipiell gegenüber einer Druckerhöhung von inkompressiblen Fluiden nachteilig ist. Verfahrenstechnisch lässt sich das in vielen Fällen nicht umgehen. Derartige Lösungen sind aus den Druckschriften DE 100 52 766 C2 , DE 91 95 89 B und DE 10 2008 047 283 A1 bekannt.
  • Auch in DE 10 2009 016 775 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserdampf auf hohem Temperaturniveau beschrieben, wobei mittels Abwärme und einer Wärmepumpe Wasserdampf in zwei Temperaturstufen erzeugt wird. In einer dritten Temperaturstufe erfolgt die Nutzung der Brüdenverdichtung, um den Wasserdampf durch Verdichtung auf ein industriell nutzbares Temperaturniveau anzuheben. Speicher sind dabei sind allerdings nicht vorgesehen.
  • Aus der Druckschrift CN 112879995 A ist ein Hochtemperatur-Wärmeversorgungs-Wärmepumpensystem bekannt, das Abwärme zurückgewinnt und ein Kollektorfeld nutzt.
  • Dabei sind ein Flüssigkeitsspeicher, ein Tank, eine Umwälzpumpe und ein Verdampfer nacheinander strömungsmäßig verbunden, um einen ersten
  • Flüssigkeitszirkulationskreislauf zu bilden, ein Flüssigkeitsspeichertank, ein Dampfkompressor, ein Kondensator und der Flüssigkeitssammeltank sind nacheinander strömungstechnisch verbunden, um einen zweiten Flüssigkeitszirkulationskreislauf zu bilden.
  • Die Druckschrift CN 113932208 A offenbart ein Hochtemperatur-Dampfversorgungssystem mit Wärmepumpe mit mehreren Wärmequellen ein Wärmepumpen-Heizsystem, ein solarunterstütztes Flash-Verdampfungssystem und ein Dampfkompressionssystem.
  • Ein thermisches Hybrid-Kompressionswärmepumpen-Dampfsystem mit ebenfalls zwei Wärmequellen ist aus CN 216408920 U bekannt. Das thermische Mischkompressions-Wärmepumpen-Dampfsystem mit zwei Wärmequellen umfasst ein Verdampfungssystem mit zwei Wärmequellen, ein thermisches Kompressionssystem und ein mechanisches Kompressionssystem.
  • In der Druckschrift US 10,794,227 B1 wird ein System und ein Verfahren zur Nutzung latenter Wärme zur Energieerzeugung beschrieben. Darüber hinaus betrifft diese Lösung ein vollständig geschlossenes Latentwärme-Rückgewinnungssystem, das eine Dampfquelle zur Dampferzeugung nutzt. Eine Vielzahl von Leitungen transportiert den Dampf und das resultierende Gas, die expandierte Energie und das Kondensat zu einem Dampfexpander, einem Kompressor, einem Wärmetauscher, einem Akkumulator und einem Dampfkondensator zur Expansion, Kompression und Umwandlung zwischen den Zuständen des Dampfes. Die durch die Expansion und Energiefreisetzung der Dämpfe und Gase erzeugte latente Wärme erzeugt Arbeit zum Antrieb einer Last.
  • Die Wärmepumpen-Prozessführung ist, wenn ein Speicher vorgesehen wurde, nicht optimal an die Speicherlösung angepasst. Deswegen haben vorgenannten Lösungen den Nachteil, dass diese nicht bzw. nicht ausreichend flexibel sind und nicht einfach an den Bedarf angepasst werden können.
  • Ein Wärmepumpen-Dampfversorgungssystem mit Wärmespeicherfunktion ist aus der Druckschrift CN 114484398 A bekannt. Das System arbeitet mit zwei Dampfspeichern beziehungsweise Dampf-Flüssigkeitsspeichern. Dampfspeicher, im Speziellen die hier genannten Gefälledruckspeicher besitzen jedoch Nachteile, wie beispielsweise sinkende oder zu niedrige Temperaturen bei der Entladung. Sinkende Temperaturen während der Entladung führen zu einer Verkürzung der Einsatzzeit (z. B. bei Aufheizprozessen).
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage und ein Verfahren zur Energie- und/oder Stoffversorgung mindestens eines Verbrauchers, insbesondere zur Energie- und/oder Stoffversorgung mit Temperaturanhebung zu entwickeln, mit welchen eine Energie- und/oder Stoffversorgung eines oder mehrerer Verbraucher mit Temperaturen beispielsweise über 120 °C und damit eine Steigerung der Versorgungstemperaturen und somit höhere Temperaturen bei der Entladung im Vergleich zum Ruthsspeicher oder hybriden Speicherkonzepten realisierbar ist und eine gute Abstimmung der Be- und Entladeleistung sowie eine Anpassung der Energie- und/oder Stoffversorgung an den Bedarf gewährleistet wird, wobei insbesondere umweltfreundliche und preiswerte Kältemittel eingesetzt werden und die energetische Speicherdichte erhöht werden kann. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. und 7. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Anlage zur Energie- und/oder Stoffversorgung mindestens eines Verbrauchers mittels mindestens eines Arbeitsstoffs weist dabei
    • mindestens eine Wärmequelle und/oder Stoffquelle,
    • mindestens ein Speichersystem,
    • mindestens einen Verdichter und/oder mindestens eine Verdichterstufe,
    • mindestens eine Wärmesenke und/oder Stoffsenke (Verbraucher) auf, wobei erfindungsgemäß,
      das Speichersystem eine Kombination
    • mindestens eines, mittels mindestens einer Wärmequelle und/oder Stoffquelle beladbaren, Dampf-/Flüssigkeitsspeichers
      mit
    • mindestens einem nachgeschalteten Hochtemperaturspeicher ist,
    • zwischen dem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher und dem Hochtemperaturspeicher mindestens ein Verdichter und/oder eine Verdichterstufe zum Verdichten des Arbeitsstoffes angeordnet ist,
      und
    • mindestens eine Wärmesenke und/oder Stoffsenke (Verbraucher) zur Energie- und/oder Stoffversorgung und/oder Rückverstromung mit dem aus dem Dampf-/ Flüssigkeitsspeicher und/oder dem Verdichter oder der Verdichterstufe und/oder dem Hochtemperaturspeicher ausgegebenen Arbeitsstoff gekoppelt ist.
  • Durch diese Konfiguration der Anlage zur Energie- und/oder Stoffversorgung ist ein
  • Wärmepumpen-Speichersystem realisierbar, mit dem eine Temperaturanhebung des aus dem ersten Speicher ausgegebenen Arbeitsstoffs durch eine Brüdenverdichtung realisierbar ist und wobei der in seiner Temperatur erhöhte Arbeitsstoff in einem weiteren Speicher, nämlich dem Hochtemperaturspeicher gespeichert werden kann.
  • Es ist dadurch erstmalig möglich, einen oder mehrere Verbraucher mit den gleichen hohen Temperaturen aus dem Hochtemperaturspeicher zu versorgen oder auch alle oder einige bzw. nur einen mit aus dem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher ausgegebenen geringeren Temperaturen.
  • Weiterhin ist es auch möglich, mittels einer Entspannungsmaschine eine zumindest teilweise eine Rückverstromung zu realisieren und/oder dem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher und/oder dem Hochtemperaturspeicher Mittel zur Rückverstromung nachzuschalten: z.B. eine Dampfturbine, oder eine kombinierte Gas-/Dampfturbine oder eine Verdrängungsmaschine. Der Dampf des ersten Arbeitsstoffes kann aber auch für Prozessschritte bei Brennstoffzellen oder in der chemischen Industrie eingesetzt werden. Die Anlage ist daher effektiv und flexibel einsetzbar.
  • Um eine gewünschte Temperaturanhebung zu gewährleisten, kann zwischen dem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher und dem Hochtemperaturspeicher eine mehrstufige Verdichtung integriert sein, z.B. mittels mehrerer Verdichter und/oder Verdichterstufen. Damit kann die Temperatur des aus dem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher ausgegebenen Arbeitsstoffes noch mehr angehoben werden.
  • Vor dem Hochtemperaturspeicher kann weiterhin mittels mechanischer und/oder thermischer Verdichter eine mechanische und/oder thermische Brüdenverdichtung des aus dem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher ausgegebenen Arbeitsstoffes realisiert werden. Durch die mechanische und/oder thermische Brüdenverdichtung wird die vorgenannt beschriebene Temperaturerhöhung des Arbeitsstoffes realisiert, der dann im Hochtemperaturspeicher gespeichert wird.
  • Vorteilhafter Weise ist zwischen dem Hochtemperaturspeicher und dem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher mindestens ein Entspannungsorgan und/oder ein druckverlusterzeugendes Bauteil für den Arbeitsstoff angeordnet, so dass eine der Entspannung des Arbeitsstoffes (Reduktion des Drucks) mit Rückführung in den Dampf-/Flüssigkeitsspeicher realisierbar ist und/oder in den Hochtemperaturspeicher sind Elemente zur Entspannung des Arbeitsstoffes vor der Rückführung in den Dampf-/Flüssigkeitsspeicher integriert.
  • Das druckverlusterzeugende Bauteil kann beispielsweise ein dünnes Rohr oder eine Querschnittsverengung oder eine Düse oder eine Blende oder eine Umlenkung oder ein Ventilkörper oder ein anderes hydraulisches Organ zur Drosselung sowie eine Kombination sein.
  • Dadurch wird der Arbeitsstoff in flüssiger oder überwiegend flüssiger Form oder betriebsbedingt auch gasförmig zurück in den Dampf-/Flüssigkeitsspeicher geleitet.
  • Der Dampf-/Flüssigkeitsspeicher beinhaltet insbesondere den Arbeitsstoff beim Gleichgewicht oder annäherndem Gleichgewicht von zwei Phasen flüssig und dampfförmig, wobei bei einer Be- und Entladung des Dampf-/Flüssigkeitsspeichers sich die Temperatur, der Druck, die Masse und der Füllstand der flüssigen Phase ändert und somit die Speicherfunktion einem Massespeicher und einem thermischen Energiespeicher entspricht.
  • Der mittels des verdichteten Arbeitsstoffes beladene Hochtemperatur-Speicher ist insbesondere als Behälter ausgebildet und beispielsweise als ein Rohrbündelapparat mit Speicherstoff ausgeführt. Zusätzlich oder alternativ können auch gekapselte Speicherstoffe oder kapsellose Speicherstoffe in den Behälter eingebracht sein, wobei in diesem Fall der/die Speicherstoffe insbesondere aus Phasenwechselmaterial bestehen, wobei eine Wärmeübertragung vom Arbeitsstoff auf den Speicherstoff ohne oder mit Wand zur Stofftrennung realisierbar ist.
  • Der/die Arbeitsstoff/e können bevorzugt alle kondensierbaren Gase/Dämpfe und/oder anorganische oder organische Flüssigkeiten sein, insbesondere Wasser, Alkane, Alkohole (Methanol, Ethanol) oder Ammoniak oder herkömmliche synthetische Kältemittel oder deren Mischungen und/oder Supensionen.
  • Weiterhin erfindungsgemäß ist mindestens eine Wärmesenke und/oder Stoffsenke (Verbraucher)
    • zur Versorgung mit höheren Temperaturen im Bereich von 40 °C bis 800 °C mit dem Verdichter und/oder dem Hochtemperaturspeicher gekoppelt und/oder
    • zur Versorgung mit niedrigeren Temperaturen im Bereich von 20 °C bis 400 °C mit dem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher gekoppelt.
  • Dies verdeutlicht nochmals die flexible Arbeitsweise der Anlage.
  • Verfahrensgemäß erfolgt die Energie- und/oder Stoffversorgung mindestens eines Verbrauchers unter Einsatz einer vorgenannt beschriebenen Anlage, wobei erfindungsgemäß mindestens ein Arbeitsstoff in Form von Dampf/Gas aus dem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher über mindestens einen Verdichter und/oder mindestens einer Verdichterstufe mittels einer Brüdenverdichtung verdichtet und dadurch die Temperatur des Arbeitsstoffes erhöht wird und mit dem in seiner Temperatur erhöhten Arbeitsstoff eine Beladung mindestens eines Hochtemperaturspeichers erfolgt, in dem sich der Arbeitsstoff abkühlt und/oder zumindest teilweise verflüssigt wird und über mindestens ein Entspannungsorgan und/oder über ein druckverlusterzeugendes Bauteil in einem Kreislauf wieder zurück in den Dampf-/Flüssigkeitsspeicher geleitet wird, wobei über den Dampf-/Flüssigkeitsspeicher und/oder den Verdichter/die Verdichterstufe und/oder den Hochtemperaturspeicher eine Versorgung mindestens einer Wärmesenke und/oder Stoffsenke/eines Verbrauchers und/oder eine Verstromung erfolgt.
  • Auch das mit der Anlage realisierte Verfahren ermöglicht somit eine effektive und flexible Energie- und/oder Stoffversorgung des/der Verbraucher.
  • Dabei kann eine Beladung oder Entladung des Dampf-/Flüssigkeitsspeichers und des Hochtemperaturspeichers gleichzeitig oder zeitlich versetzt erfolgen.
  • Weiterhin ist es möglich, eine mehrstufige Verdichtung eines oder mehrerer Arbeitsstoffe zu realisieren und/oder eine mehrstufige Entspannung eines oder mehrerer Hochtemperatur-Speicher zu realisieren.
  • Die mehrstufige Entspannung kann beispielsweise mit mehreren Entspannungsorganen und/oder mit mehreren druckverlusterzeugenden Bauteilen und/oder mittels einer dezentralen Entspannung im Hochtemperaturspeicher mit verteilten Drosselstellen erfolgen.
  • Eine Beladung des Dampf-/Flüssigkeitsspeichers erfolgt insbesondere über mindestens eine Wärmepumpe und/oder über Abwärme und/oder Prozesswärme und/oder erneuerbare Wärme wie z. B. Solarthermie, Geothermie, Umweltwärme.
  • Weiterhin ist es möglich, die Beladung des Dampf-/Flüssigkeitsspeichers mittels einer konventionellen Versorgung zu realisieren, z.B. über Vor- und/oder Rücklauf eines konventionellen Heizkreises. Dabei kann auch ein Stoffstrom direkt über den Vorlauf B1V ohne Rücklaufleitung B1R in den Dampf-/Flüssigkeitsspeichers geleitet werden. Steht keine Wärme- und/oder Stoffquelle zur Verfügung, ist auch die Stoffzufuhr über den Rücklauf R möglich.
  • Mit der Anlage und dem Verfahren sind hohe Leistungs- und Arbeitszahlen (Verhältnis Wärmebereitstellung zum elektrischen Aufwand für die Verdichtung des Arbeitsstoffes) realisierbar. Die Be- und Entladeleistung/en der Speicher kann gut abgestimmt werden. Weiterhin ist es durch die Anlage und das Verfahren zur Energie- und/oder Stoffversorgung mit Temperaturanhebung möglich, hohe Temperaturen bei der Entladung im Vergleich zu Dampfspeichern und hybriden Speichern (Stand der Technik) zu realisieren.
  • Es ist eine Steigerung der energetischen Speicherdichte sowie eine Steigerung der Flexibilität bei der Wärme- und Stromversorgung möglich.
  • Vorteilhafter Weise ist ein guter Systembetrieb mit Wärmepumpe und Speichern und der Einsatz ökologischer Arbeitsstoffe (Kältemittel) realisierbar.
  • Die Anlage und das Verfahren basieren dabei erfindungsgemäß auf folgenden Ansätzen:
    • der Brüdenverdichtung (mechanisch oder thermisch) eines Arbeitsstoffes,
    • zur Beladung bzw. Nutzung eines Hochtemperatur-Speichers,
    • unter Verwendung Dampf-/Flüssigkeitsspeicher als Wärmequelle und/oder Stoffquelle,
    • der Entspannung des Arbeitsstoffes mit Rückführung in den Dampf-/Flüssigkeitsspeicher.
  • Dabei ist ein Betrieb mit flexiblen Temperaturen bzw. Drücken möglich. Durch die Auswahl des Arbeitsstoffes und des Speicherstoffes lassen sich günstige Anpassungen vornehmen, welches für die Hochtemperatur-Erzeugung und -Speicherung wichtig sind. Dabei muss man beachten, dass die Temperaturen auf der Wärmequellenseite und auf der Wärmesenkenseite schwanken können.
  • Der verwendete Hochtemperatur-Speicher ist bevorzugt und typischerweise als Behälter ausgebildet. Eine spezielle Konstruktion kann beispielsweise ein Rohrbündelapparat sein. Es können auch gekapselte Speicherstoffe oder kapsellose Speicherstoffe in den Behälter eingebracht sein.
  • Es erfolgt in dem Hochtemperatur-Speicher eine Wärmeübertragung vom Arbeitsstoff auf den Speicherstoffe mit oder ohne Wand zur Stofftrennung.
  • Wenn eine Wand ausgebildet ist (Wärmeübertrager) kann die Wärmeübertragung durch Rippen (auf der Arbeitsstoffseite und/oder auf der Speicherstoffseite) verbessert werden. Es ist aber auch der Einsatz von Zusatzstoffen im Speichermedium (z. B. Stabilisierung des Speicherstoffes, Vermeidung der Zersetzung und Unterkühlung sowie Korrosion, Erhöhung der effektiven Wärmeleitfähigkeit) möglich.
  • Optional können Rohre, Kanäle, den/die Arbeitsstoff/e durch den Speicher führen, mit dezentralen Drosselstellen zur mehrstufigen Entspannung ausgerüstet sein.
  • Als Speicherstoffe können alle organischen und anorganischen Feststoffe und/oder Flüssigkeiten sowie deren zusammengesetzten Stoffsysteme verwendet werden.
  • Als Speicherstoffe (z. B. Salze, Salzhydrate, Alkane, Alkene, Paraffine, Alkohole, Zuckeralkohole, Polyolefine, Fettsäuren, Ester, Nitrate, Hydroxide, Chloride, Karbonate, Fluoride, Amide, Ether, Glykole, Metalle, Legierungen und Mischung und/oder Suspensionen) sind dabei vorzugsweise Stoffe vorgesehen, die durch den Phasenwechsel fest-flüssig Zustandsänderungen, hohe Änderungen der spezifischen Enthalpie durchlaufen.
  • Es können aber auch andere Änderungen im atomaren oder molekularen Aufbau genutzt werden. Bei sehr hohen Temperaturen sind unter Umständen auch Feststoffe (z. B. Schüttungen, geformte Elemente) als Speicherstoffe einsetzbar.
  • Die Speicherstoffe können auch kombiniert werden - insbesondere mehrere Phasenwechselmaterialien (PCM). Die Speicherstoffe befinden sich im Hohlraum des Rohrbündelapparats oder in Kapseln.
  • Die Beladung erfolgt durch den verdichteten Arbeitsstoff.
  • Optional ist der Einsatz einer elektrischen Zusatzheizung eines oder mehrerer Speicher (z. B. zusätzliche Speicherbeladung oder auch eine Überhitzung des Arbeitsstoffes insbesondere vor und nach dem Verdichter) realisierbar (in den Zeichnungen nicht dargestellt). Die Entladung erfolgt über die Wärmelieferung an den Verbraucher.
  • Der Dampf-/Flüssigkeitsspeicher speichert den Arbeitsstoff beim Gleichgewicht oder nahezu einem Gleichgewicht der zwei Phasen flüssig und dampfförmig. Bei der Be- und Entladung ändern sich die Temperatur, der Druck, die gesamte Masse und der Füllstand der flüssigen Phase. D. h., die Speicherfunktion entspricht einem Massespeicher und einem thermischen Energiespeicher.
  • Die Lage des Behälters kann stehend, liegend oder schräg sein. Der Dampf-/Flüssigkeitsspeicher kann ein einzelner Speicher sein oder aus mehreren Speichern bestehen.
  • Die Speicherkapazität kann mit einem oder mehreren Flüssigkeitsspeicher erweitert werden (z. B. Heiß-/Warmwasserspeicher).
  • Als Arbeitsstoffe können alle kondensierbaren Gase/Dämpfe und/oder anorganische oder organischen Flüssigkeiten verwendet werden. Besonders geeignet erscheinen Wasser, Alkane (z. B. Propan, Butan), Alkohole (z. B. Methanol, Ethanol), Ammoniak und herkömmliche synthetische Kältemittel sowie deren Mischungen und Suspensionen.
  • Die Beladung des Dampf-/Flüssigkeitsspeichers und des Hochtemperaturspeichers kann gleichzeitig oder zeitlich versetzt erfolgen. Das Gleiche gilt für die Entladung.
  • Eine erfindungsgemäße Referenzvariante besteht im Wesentlichen aus einer einstufigen Verdichtung und dem Einsatz eines Arbeitsstoffes.
  • Weitere Vorteile sind Erweiterungen der Anlage beispielsweise durch die nachfolgend aufgeführten Verschaltungen und Kombinationen erreichbar:
    • mehrstufige Verdichtung, ein Arbeitsstoff,
    • mehrstufige Verdichtung, mehrere Arbeitsstoffe,
      • ∘ mit mindestens einem internem Wärmeübertrager,
      • ∘ mit mindestens einem externem Wärmeübertrager,
    • Erweiterung des Dampf-Flüssigkeitsspeichers mit mindestens einem Flüssigkeitsspeicher,
    • mit einer mindestens einer Umgehung des Hochtemperatur-Speichers und mit mindestens einer Vorwärmung/Überhitzung,
    • mehrstufige Entspannung durch mehrere Hochtemperatur-Speicher mit gesteuerten Entspannungsorganen und/oder dezentrale Entspannung im Speicher mit verteilten Drosselstellen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    Variante der Anlage in Form eines Wärmepumpen-Speicher-Systems in vereinfachter Darstellung, mit einer einstufigen Verdichtung, mit einem Arbeitsstoff, einem Hochtemperatur-Speicher, mit einer Entspannung, mit einem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher, mit einem beliebigen Wärmequellen/ Stoffquellen-System,
    Figur 2
    weitere Variante eines Wärmepumpen-Speicher-Systems, in vereinfachter Darstellung ähnlich wie Figur 1, jedoch mit einem Wärmequellen/Stoffquellen-System in Form einer vorgeschalteten Wärmepumpe und mit einem Wärmesenken-System und/oder einem Stoffsenken-System (Verbraucher),
    Figur 3
    Wärmepumpen-Speicher-System in vereinfachter Darstellung ähnlich wie Figur 1 und 2 mit einer mehrstufigen (hier dreistufigen) Verdichtung, und einer mehrstufigen (hier dreistufigen) Entspannung,
    Figur 4
    Wärmepumpen-Speicher-System in vereinfachter Darstellung mit einer zwei-/ mehrstufigen Verdichtung, mit zwei Arbeitsstoffen, einem Hochtemperatur-Speicher, mit einem internen Wärmeübertrager, mit einer zwei-/mehrstufigen Entspannung, mit zwei Dampf-/Flüssigkeitsspeichern und mit einem Wärmequellen-System,
    Figur 5
    Wärmepumpen-Speicher-System, ähnlich wie Figur 4, jedoch mit einem externen Wärmeübertrager,
    Figur 6
    Wärmepumpen-Speicher-System in vereinfachter Darstellung mit einer einstufigen Verdichtung, mit einem Arbeitsstoff, mit einem Hochtemperatur-Speicher, mit einer Entspannung, mit einem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher, mit einem Wärmequellen/Stoffquellen-System und mit einem Flüssigkeitsspeicher und mit Pumpen zur Be- und Entladung (Druckerhöhung), ggf. Nutzung der hydrostatischen Höhe (Anordnung unter dem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher)
    Figur 7
    Wärmepumpen-Speicher-System, vereinfachte Darstellung mit einer einstufigen Verdichtung, mit einem Arbeitsstoff, mit einem Hochtemperatur-Speicher, mit einer Entspannung, mit einem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher, mit einem sowie mit einem Wärmeübertrager zur Vorwärmung des angesaugten Gases/Dampfes und einer Umgehung des Hochtemperatur-Speichers zur Betriebsoptimierung,
    Figur 8
    Wärmepumpen-Speicher-System, vereinfachte Darstellung einer vier-/mehrstufigen Ausführung des Hochtemperatur-Speichers, mit einer vier-/mehrstufigen geregelten Entspannung,
    Figur 9
    Wärmepumpen-Speicher-System, vereinfachte Darstellung einer einstufigen Ausführung des Hochtemperatur-Speichers, mit dezentraler Entspannung mit verteilten Drosselstellen im Hochtemperatur-Speicher.
  • In den Figuren 1 und 2 ist in vereinfachter Darstellung eine Grundvariante einer Anlage zur Energie- und/oder Stoffversorgung eines Verbrauchers mit
    • einer ersten Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1,
    • einem ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1,
    • einem ersten Verdichter 3.1,
    • einem ersten Hochtemperaturspeicher 4.1,
    • einer Wärmesenke und/oder Stoffsenke (Verbraucher) 6, dargestellt.
  • Es wird ein Speichersystem mit zwei unterschiedlichen Speichern verwendet und zwar mit mindestens einem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher und mit mindestens einem Hochtemperaturspeicher.
  • Der erste Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 wird hier zum Beispiel mittels einer beliebigen ersten Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1 beladen. Die erste Beladung B1 des Dampf-/ Flüssigkeitsspeichers 2.1 wird dabei über einen Vorlauf B1V von der ersten Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1 zum ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 realisiert. Von diesem führt wahlweise ein Rücklauf B1R der ersten Beladung B1 wieder zur ersten Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1. in den Rücklauf B1R ist eine erste Pumpe P1 für die Förderung des Arbeitsstoffs integriert. Der erste Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 kann aber auch nur über einen Vorlauf B1V beladen werden. Es ist ebenfalls möglich, dass im Vorlauf B1V und im Rücklauf B1R unterschiedliche Masseströme auftreten (keine Darstellung in Figur 1). Der zeitlich verschobene Ausgleich der Masse des Arbeitsstoffes erfolgt dann über den Vorlauf V zur Wärme- und/oder Stoffsenke (Verbraucher) 6. Steht keine erste Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1 zur Verfügung kann der Rücklauf R auch als Stoffquelle zur Rückführung des ersten Arbeitsstoffes A1 dienen.
  • Wird beispielsweise Wasser verwendet, ist eine offenen Prozessführung denkbar. Über den Vorlauf B1V gelangt heißes Wasser und/oder Dampf in den ersten Dampf-/ Flüssigkeitsspeicher 2.1. Ist keine erste Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1 vorhanden, kann auch kaltes Kondensat (flüssiges Wasser, erster Arbeitsstoff A1) dem ersten Dampf-/ Flüssigkeitsspeicher 2.1 zugeführt werden. In beiden Fällen wird der heiße Arbeitsstoff A1 zeitverzögert zur Wärme- und/oder Stoffsenke (Verbraucher) 6 geleitet.
  • Ein geschlossene Prozessführung ist auch möglich und notwendig, wenn einer der Arbeitsstoffe nicht direkt in ein Wärme- und/oder Stoffquellen-System und/oder in ein Wärme- und/oder Stoffsenken-System gelangen darf.
  • Im unteren Bereich 2.1a des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1 befindet sich dabei eine flüssige Phase eines ersten Arbeitsstoffs A1 und im oberen Bereich 2.1b eine dampfförmige und/oder gasförmige Phase des ersten Arbeitsstoffs A1.
  • Der Füllstand der flüssigen Phase im unteren Bereich 2.1a des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1 ist dabei variabel.
  • Weiterhin führt eine zweite Beladung B2 vom oberen Bereich 2.1b des ersten Dampf/Flüssigkeitsspeichers 2.1 über einen zweiten Vorlauf B2V und über den ersten Verdichter 3.1 zum ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 mit mindestens einem Speicherstoff 12 und von diesem über ein erstes Entspannungsorgan 5.1 für den Arbeitsstoff als Rücklauf B2R in den Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2, insbesondere in flüssiger Form in den unteren Bereich 2.1a.
  • Somit ist zwischen einem Eingang des ersten Hochtemperaturspeichers 4.1 der erste Verdichter 3.1 angeordnet, so dass eine Brüdenverdichtung mit Temperaturerhöhung des aus dem ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 ausgegebenen gas-/dampfförmigen Arbeitsstoffs realisiert wird, wodurch der Arbeitsstoff zur Beladung des ersten Hochtemperaturspeichers 4.1 eine höhere Temperatur aufweist, als beim Austritt aus dem ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1.
  • Zwischen einem Ausgang des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1, der am oberen Bereich 2.1b angeordnet ist, kann eine erste Entladung E1 über einen Vorlauf E1V direkt zum Verbraucher 6 führen.
  • Alternativ führt ein Vorlauf V aus dem oberen Bereich 2.1b des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1 über den ersten Verdichter 3.1 direkt zum Verbraucher 6.
  • Zusätzlich führen zum Verbraucher 6 aus dem ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 eine zweite Entladung als Vorlauf E2V und eine dritte Entladung als Vorlauf E3V wobei der Vorlauf E3V der dritten Entladung aus dem ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 über eine zweite Pumpe P2 in den ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 gefördert wird.
  • Der Verbraucher oder auch mehrere Verbraucher 6 können über einen, mehrere oder alle Vorläufe V, E1V, E2V, E3V versorgt werden.
  • Von dem Verbraucher 6 können Rückläufe R, E1R und E3R der Entladungen 1 und 3 über eine dritte Pumpe P3 zum Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 führen.
  • Weiterhin kann auch ein Rücklauf E2R der Entladung E2 vom Verbraucher 6 über eine vierte Pumpe P4 zum ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 führen.
  • Im Unterschied zu Figur 1, in welcher die beliebige erste Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1 schematisch dargestellt ist, wird gemäß Figur 2 der erste Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 mittels einer ersten Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1 beladen, welche in der Art einer Wärmepumpe ausgeführt ist, bestehend aus Verdampfer 1.a, WärmepumpenVerdichter 1.b, Verflüssiger 1.c oder Gaskühler und Wärmepumpen-Entspannungsorgan 1.d.
  • Alle Vorläufe und die Rückläufe sind über nicht bezeichnete Ventile schaltbar.
  • Gemäß der Figuren 1 und 2 kann durch entsprechende Schaltungen der Ventile mindestens eine Wärmesenke und/oder Stoffsenke (Verbraucher) 6 zur Energie- und/oder Stoffversorgung mit dem ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 und/oder dem ersten Verdichter 3.1 und/oder dem ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 gekoppelt sein.
  • Damit wird ein äußerst flexibles Wärmepumpen-/Speichersystem mit Temperaturanhebung geschaffen.
  • Figur 3 zeigt ein Wärmepumpen-Speicher-System in vereinfachter Darstellung mit einer mehrstufigen Verdichtung, die hier dreistufig ausgeführt ist, mit einem Arbeitsstoff, drei Dampf-/Flüssigkeitsspeichern 2.1 bis 2.3, mit einer drei-/mehrstufigen Entspannung, mit einem ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 und mit einem ersten Wärmequellen/Stoffquellen-System 1.1.
  • Von der ersten Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1 erfolgt eine erste Beladung B1 des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1 bevorzugt in dessen unteren Bereich 2.1a, in dem flüssiges Arbeitsmedium gespeichert ist, mittels eines Vorlaufes B1V. Ebenfalls bevorzugt vom unteren Bereich 2.1a des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1 führt über eine erste Pumpe P1 ein Rücklauf B1R der ersten Beladung B1 zurück zur ersten Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1.
  • Aus dem ersten oberen Bereich 2.1b des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1 wird dampfförmiger Arbeitsstoff über einen ersten Verdichter 3.1 zum zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.2 in dessen unteren Bereich 2.2a geleitet. Vom zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.2 wird aus dessen oberen Bereich 2.2b dampfförmiger Arbeitsstoff über einen zweiten Verdichter 3.2 in den unteren Bereich 2.3a eines dritten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.3 geleitet und vom oberen Bereich 2.3b des dritten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.3 über einen dritten Verdichter 3.3 als zweite Beladung B2 in einem Vorlauf B2V dem ersten Hochtemperaturspeicher 4.1, der ebenfalls einen Speicherstoff 12 enthält, zugeführt.
  • Der Rücklauf B2R der zweiten Beladung B2 des Arbeitsstoffs vom ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 zum ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 erfolgt über den dritten und zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.2, 2.3, wobei zwischen dem ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 und dem dritten Dampf/Flüssigkeitsspeicher 2.3 ein erstes Entspannungsorgan 5.1, zwischen dem dritten Dampf/Flüssigkeitsspeicher 2.3 und dem zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.2 ein zweites Entspannungsorgan 5.2 und dem zwischen dem zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.2 und dem ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 ein drittes Entspannungsorgan 5.3 angeordnet ist.
  • Durch die Verwendung von hier drei hintereinander in Reihe geschalteten Dampf-/Flüssigkeitsspeichern 2.1, 2.2, 2.3 mit den jeweils drei nachgeordneten Verdichtern 3.1, 3.2, 3.3 erfolgt eine dreistufige Brüdenverdichtung, bei welcher nach jedem Verdichter 3.1, 3.2, 3.3 in Richtung des Vorlaufes B2V die Temperatur höher ist.
  • Der Rücklauf B2R der zweiten Beladung führt aus den Entspannungsorganen 5.1, 5.2, 5.3 immer in die Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1, 2.2, 2.3.
  • Bevorzugt führt der Rücklauf B2R der zweiten Beladung aus den Entspannungsorganen 5.1, 5.2, 5.3 in zumindest teilweise flüssiger Form und/oder in gasförmigem Zustand insbesondere in die unteren Bereiche 2.3a, 2.2a, 2.1a der mit den flüssigen Phasen des Arbeitsstoffs.
  • Ein hier nicht dargestellter Verbraucher 6 kann über entsprechende Leitungen, die hier ebenfalls nicht dargestellt sind versorgt werden. Es kann beispielsweise
    • nach mindestes einem oder jedem der drei Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1, 2.2, 2.3
      und/oder
    • nach mindestens einem oder jedem der Verdichter 3.1, 3.2, 3.3
      und/oder
    • von einem Ausgang des ersten Hochtemperaturspeichers
    über entsprechende Leitungen sowie nicht dargestellte Ventile und deren Schaltungen zum Verbraucher eine entsprechende Verbindung für die Versorgung des/der Verbraucher vorgesehen sein, je nachdem mit welchem Temperaturniveau der/die Verbraucher versorgt werden soll/sollen.
  • Die Figuren 4 und 5 zeigen weitere beispielhafte Varianten der erfindungsgemäßen Anlage zur Energie- und/oder Stoffversorgung eines Verbrauchers in Form eines Wärmepumpen-Speichersystems mit Temperaturanhebung in vereinfachter Darstellung. Hier erfolgt ebenfalls eine mehrstufige Verdichtung, die hier beispielsweise zweistufig ausgeführt ist, mit einem jeweils ersten und zweiten Wärmeübertrager 2.1, 2.2 und diesen nachgeschalteten ersten und zweiten Verdichtern 3.1 und 3.2 und mit zwei Arbeitsstoffen A1, A2.
  • Die erste Beladung B1 des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1 erfolgt wie bei Figur 3 von der ersten Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1 mittels des Vorlaufes B1V in den unteren Bereich 2a des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1. Vom ersten Dampf-/ Flüssigkeitsspeicher 2.1 (unterer Bereich 2a) führt über eine erste Pumpe P1 ein Rücklauf B1R der ersten Beladung B1 zurück zur ersten Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1.
  • Weiterhin ist ein erster Hochtemperaturspeicher 4.1 vorhanden.
  • In dem ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 befindet sich ein erster Arbeitsstoff A1 und in dem zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.2 ein Arbeitsstoff A2.
  • Die Varianten der Figuren 4 und 5 unterscheiden sich durch einen internen Wärmeübertrager 7 (Figur 4) und einen externen Wärmeübertrager 8 (Figur 5).
  • Bei Figur 4 ist in dem zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.2 ein interner Wärmeübertrager 7 vorgesehen. Aus der Dampfphase des ersten Arbeitsstoffs A1 im oberen Bereich 2.1b des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 wird über den ersten Verdichter der erste Arbeitsstoff A1 verdichtet und dadurch in seiner Temperatur erhöht und fließt durch den im unteren Bereich 2.2a befindlichen internen Wärmeübertrager 7 und über ein zweites Entspannungsorgan 5.2 (in welchem der erste Arbeitsstoff A1 zumindest teilweise verflüssigt wird) zurück in den ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 in dessen unteren Bereich 2.1a mit der flüssigen Phase.
  • Dadurch wird mittels des internen Wärmeübertragers 7 der zweite Arbeitsstoff A2 im zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.2 erwärmt.
  • Bei Figur 5 ist zwischen dem ersten Verdichter 3.1 und dem zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.2 ein externer Wärmeübertrager 8 angeordnet.
  • Der erste Arbeitsstoff A1 die dampfförmige Phase aus dem oberen Bereich 2.1b des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1 strömt über den externen Wärmeübertrager 8 und über ein zweites Entspannungsorgan zurück in den ersten Bereich 2.1a (flüssige Phase) des ersten Dampf-Flüssigkeitsspeichers 2.1. Aus dem unteren Bereich 2.2a des zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.2 wird flüssiger erster Arbeitsstoff A1 über eine fünfte Pumpe P5 ebenfalls über den externen Wärmeübertrager 8 geleitetet und wieder zurück in den unteren Bereich 2.2a des zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.2 geführt. Der im zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.2 befindliche zweite Arbeitsstoff A2 wird somit über externe Wärmeübertrager 8 mittels des ersten Arbeitsstoffes A1 erwärmt.
  • Bei beiden Varianten nach den Figuren 4 und 5 wird die dampfförmige Phase des zweiten Arbeitsstoff A2 aus dem oberen Bereich 2.2b des zweiten Dampf-/ Flüssigkeitsspeichers 2.2 über einen zweiten Verdichter 3.2 verdichtet und dadurch weiter erwärmt und führt über den Vorlauf B2V der zweiten Beladung B2 zum ersten Hochtemperaturspeicher 4.1. Der Rücklauf B2R der zweiten Beladung B2 führt aus dem ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 über ein erstes Entspannungsorgan 5.1 in zumindest teilweise flüssiger Form und/oder gasförmigem Zustand in den unteren Bereich 2.2a des zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.2.
  • Der mindestens eine Verbraucher (nicht dargestellt) kann durch Abzweige (nicht dargestellt) nach dem ersten und/oder zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1, 2.2 und/oder nach dem ersten und/oder zweiten Verdichter 3.1, 3.2 und/oder aus dem ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 versorgt werden. Die Verschaltung erfolgt dann über entsprechende (nicht dargestellte Ventile).
  • Die Figur 6 zeigt ein Wärmepumpen-Speicher-System in vereinfachte Darstellung mit einer einstufigen Verdichtung, mit einem ersten Arbeitsstoff A1, mit einem ersten Hochtemperatur-Speicher 4.1, mit einem ersten Entspannungsorgan 5.1, mit einem ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1, mit einer ersten Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1 und mit einem Flüssigkeitsspeicher 9 sowie mit einer Pumpe P6 zum Entladen des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1 aus dem Flüssigkeitsspeicher 9, und einer Pumpe P7 zur Beladung des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1.
  • Wie bei den vorangegangenen Beispielen befindet sich in dem unteren Bereich 2.1a des Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2 die flüssige Phase des Arbeitsstoffs A1 und in dem oberen Bereich 2.1b die gasförmige Phase.
  • Über die Pumpen P6, P7 erfolgt eine Be- und Entladung des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1 mit erstem Arbeitsstoff A1 aus dem unteren Bereich 2.1a. Durch eine Umladung in mindestens einem Kreislauf U ist unter anderem eine Druckerhöhung des Arbeitsstoffes A1 möglich. Weiterhin ist es möglich, den Flüssigkeitsspeicher 9 unterhalb des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1 anzuordnen und den Arbeitsstoff A2 ggf. unter Nutzung der hydrostatischen Höhe, zwischen dem ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 und dem Flüssigkeitsspeicher 9 mittels der Pumpen P6 und P7 umzuwälzen. Aus dem oberen Bereich 2.1a des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1 wird über den ersten Verdichter 3.1 dampfförmiger Arbeitsstoff A1 verdichtet und über den Vorlauf B2V als zweite Beladung B2 dem ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 zugeführt.
  • Aus dem ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 wird der erste Arbeitsstoff A1 über das erste Entspannungsorgan 5.1 zumindest teilweise verflüssigt und in den unteren Bereich 2.1a des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1 geleitet.
  • Wie bei den Figuren 4 und 5 erfolgt die erste Beladung B1 des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1 von der ersten Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1 mittels des Vorlaufes B1V in den unteren Bereich 2.1a des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1. Vom ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 (unterer Bereich 2.1a) führt über die erste Pumpe P1 der Rücklauf B1R der ersten Beladung B1 zurück zur ersten Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1.
  • Über nicht bezeichnete Ventile werden die verschiedenen Schaltzustände realisiert. Weiterhin können zu dem/den hier nicht dargestellten Verbraucher/n nach dem ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1 und/oder nach dem ersten Verdichter 3.1 und/oder aus dem ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 entsprechende Leitung zur Energie- und/oder Stoffversorgung des/der Verbraucher führen.
  • Figur 7 zeigt eine Variante der Anlage mit einstufiger Verdichtung, mit einem ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1, einem ersten Arbeitsstoff A1, mit einem ersten Hochtemperatur-Speicher 4.1, mit einem ersten Entspannungsorgan 5.1, mit einer ersten Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1 sowie mit einem dritten Wärmeübertrager 10 zur Vorwärmung des angesaugten dampfförmigen ersten Arbeitsstoffes A1 und einer zumindest teilweisen Umgehung des ersten Hochtemperatur-Speichers 4.1 zur Betriebsoptimierung.
  • Auch hier erfolgt die erste Beladung B1 des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1 von der ersten Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1 mittels des Vorlaufes B1V in den unteren Bereich 2.1a des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1. Vom ersten Dampf-/ Flüssigkeitsspeicher 2.1 (unterer Bereich 2.1a) führt über die erste Pumpe P1 der Rücklauf B1R der ersten Beladung B1 zurück zur ersten Wärmequelle und/oder Stoffquelle 1.1.
  • Aus dem oberen Bereich 2.1b des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers 2.1 wird über den ersten Verdichter 3.1 die dampf-/gasförmige Phase des ersten Arbeitsstoffs A1 angesaugt und führt hier über den dritten Wärmeübertrager 10, der zwischen dem ersten Dampf-/ Flüssigkeitsspeicher 2.1 angeordnet ist. Zur Vorwärmung des aus dem ersten Dampf-/ Flüssigkeitsspeicher 2.1 ausgegebenen ersten Arbeitsstoffs A1 können entweder der aus dem ersten Verdichter 3.1 und/oder der aus dem ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 austretende erste Arbeitsstoff A1, der eine höhere Temperatur als der aus dem oberen Bereich 2.1b des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 austretende Arbeitsstoff A2 im Normalbetrieb aufweist, über den dritten Wärmeübertrager 10 geführt werden und dadurch die Temperatur des ersten Arbeitsstoffs A1 vor dem ersten Verdichter 3.1 erhöhen.
  • Dazu wird der aus dem ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 austretende Rücklauf B2R des Arbeitsstoffes A1 der zweiten Beladung B2 über den dritten Wärmeübertrager 10 und das erste Entspannungsorgan 5.1 zum ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 in den unteren Bereich 2.1a (flüssige Phase) zurückgeleitet.
  • Der/die hier nicht dargestellte/n Verbraucher kann/können auch hier über nicht dargestellte Leitungen nach dem ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 und/oder dem ersten Verdichter 3.1 und/oder aus dem ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 mit Wärme versorgt werden, wofür entsprechende Ventile vorgesehen sind (nicht dargestellt).
  • Weiterhin ist es möglich, anstelle der oder zusätzlich zu den in den vorgenannten Ausführungsbeispielen verwendeten Verdichter 3.1, 3.2, 3.3 auch weitere Verdichter und/oder eine oder mehrere Verdichterstufen einzusetzen.
  • Nicht dargestellt ist auch die Möglichkeit, nach dem/den Verdichtern bzw. einer, mehreren oder allen Verdichtern und/oder Verdichterstufen jeweils eine elektrische Zusatzheizung zu integrieren, um bedarfsweise die Temperatur des Arbeitsstoffs weiter zu erhöhen.
  • Figur 8 zeigt die mögliche Anordnung mehrerer Hochtemperaturspeicher eines Wärmepumpen-Speicher-Systems in vereinfachter Darstellung.
  • Es wird eine vierstufige Ausführung von Hochtemperaturspeichern, die jeweils einen Speicherstoff 12 beinhalten, mit einer geregelten mehrstufigen - hier vierstufigen Entspannung vorgesehen.
  • Nach einem ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 ist ein erstes geregeltes Entspannungsorgan/Motorventil 11.1, zwischen dem ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 und einem zweiten Hochtemperaturspeicher 4.2 ist ein zweites geregeltes Entspannungsorgan/Motorventil 11.2, zwischen dem zweiten und dem dritten Hochtemperaturspeicher 4.2 und 4.3 ein drittes geregeltes Entspannungsorgan/Motorventil 11.3, zwischen dem dritten und dem vierten Hochtemperaturspeicher 4.3 und 4.4 ein viertes geregeltes Entspannungsorgan Motorventil 11.4 vorgesehen. Der Arbeitsstoff A1 gelangt von einem hier nicht dargestellten mindestens einem Verdichter oder eine mindestens eine Verdichterstufe über den Vorlauf der zweiten Beladung B2V und ein fünftes Entspannungsorgan/ Motorventil 11.5 in den hier vierten Hochtemperaturspeicher 4.4 und von dort über die weiteren vorgenannten Motorventile und den dritten 4.3 und zweiten Hochtemperaturspeicher 4.2 in den ersten Hochtemperaturspeicher 4.1 und von diesem über das erste Entspannungsorgan 5.1 zurück in den hier nicht dargestellten ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1.
  • Aus dem hier obersten vierten Hochtemperaturspeicher führt weiterhin ein Vorlauf E2V zur Entladung des /der Hochtemperaturspeicher 4.1 bis 4.4 zum Verbraucher 6.
  • Vom Verbraucher 6 führt ein Rücklauf E2R der Entladung über eine vierte Pumpe P4 in die Hochtemperaturspeicher 4.1 bis 4.4 und die Motorventile 11.1 bis 11.5 und tritt wieder als Vorlauf E2V der Entladung aus.
  • Bei den Figuren 1 bis 8 erfolgt die Entspannung des Arbeitsstoffs über ein Entspannungsorgan.
  • Es ist jedoch alternativ oder zusätzlich möglich, bereits in dem Hochtemperaturspeicher oder in den Hochtemperaturspeichern eine Entspannung des Arbeitsstoffs zu realisieren.
  • Figur 9 zeigt dazu in vereinfachte Darstellung einen ersten Hochtemperatur-Speichers 4.1, mit dezentraler Entspannung eines beispielsweisen ersten Arbeitsstoffs A1. Dazu führen durch einen Speicherstoff 12 des Hochtemperaturspeichers 4.1 Kanäle 13, durch welche der Arbeitsstoff A1 strömt und in welchen Drosselstellen 14 angeordnet sind. Zwischen den Kanälen 13 und dem Speicherstoff 12 ist eine Wand 15 zur Stofftrennung und Wärmübertragung vom Arbeitsstoff A1 auf den Speicherstoff 12 vorhanden.
  • Durch die Drosselstellen 14 wird eine mehrfache und/oder teilweise Entspannung des Arbeitsstoffs A1 bereits im Hochtemperaturspeicher 4.1 realisiert.
  • Bei den vorgenannt beschriebenen Varianten mit nur einem ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 (siehe Figuren 1, 2, 5, 6, 7) betragen im ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 die Temperatur und der Druck des Arbeitsstoffes.
    • in Form von Wasser bevorzugt 30 °C bis 370 °C und 0,0042 MPa bis 21 MPa,
    • in Form von Ammoniak bevorzugt -30 °C bis 130 °C und 0,0716 MPa bis 10,89 MPa,
    • in Form von Aceton bevorzugt 55 °C bis 230 °C und 0,098 MPa bis 4,36 MPa,
    • in Form von Methanol bevorzugt 60 °C bis 240 °C und 0,0847 MPa bis 8,18 MPa,
    • in Form von Ethanol bevorzugt 50 °C bis 240 °C und 0,0294 MPa bis 6,095 MPa,
    • in Form von R1234ze(Z) (synthetisches Kältemittel) bevorzugt 20 °C bis 100 °C und 0,4234 MPa bis 3,03 MPa,
    • in Form von Propan bevorzugt 20 °C bis 90 °C und 0,836 MPa bis 3,76 MPa,
    • in Form von Butan bevorzugt 20 °C bis 150 °C und 0,208 MPa bis 3,67 MPa.
  • Die Aufzählung der ausgewählten Arbeitsstoffe zeigt einen relativ großen Betriebsbereich hinsichtlich der Temperatur und des Drucks. Werden Mischungen/Suspensionen der beispielhaft vorgenannten Arbeitsstoffe verwendet (Zwei- oder Mehrstoffsysteme) ändern sich die Druck- und Temperaturbereiche in Abhängigkeit der Stoffanteile. Beispielhaft liegen für eine 50%/50%-Wasser-Ethanol-Mischung die Drücke im Bereich von 0,0031 MPa bis 0,0049 MPa für 20 °C sowie im Bereich von 17,8 MPa bis 18,2 MPa für 330 °C.
  • Die Verdichtungsendtemperatur nach dem ersten Verdichter 3.1 hängt stark vom Arbeitsstoff, dem Eintrittszustand des Arbeitsstoffes in den Verdichter sowie der Art der Verdichtung und deren Qualität ab (Verdrängungs- oder Strömungsmaschine, Anzahl der Verdichtungsstufen, Betriebsweise usw.). Deswegen können Verdichtungsendtemperaturen bis 800 °C und/oder Verdichtungsenddrücke bis 21 MPa und höher auftreten.
  • Nachfolgend werden beispielhaft möglichen Druck-/Temperaturverhältnisse für einen Arbeitsstoff Wasser/Wasserdampf beschrieben.
  • In dem ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 beträgt die Temperatur beispielsweise 100 °C bis 150 °C bei einem Druck von 0,101 MPa bis 0,476 MPa
  • Nach dem ersten Verdichter 3.1 ist die Temperatur des Arbeitsstoffs in Form von beispielsweise Wasser/Wasserdampf, der gem. Figur 1 und 2 in den Hochtemperatur-speicher 4.1 geleitet wird, höher als die Temperatur im ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 und kann maximal 700 °C betragen. Der Druck des Arbeitsstoffs Wasser/Wasserdampf ist höher als im ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 beträgt maximal 2,55 MPa.
  • Für die nachfolgenden Varianten werden der Einfachheit halber konkrete Temperaturen und Drücke genannt, die jedoch auch abweichen können.
  • Werden gemäß einer nicht dargestellten Variante in Anlehnung zu Figur 3 zwei Dampf-/ Flüssigkeitsspeicher 2.1, 2.2 verwendet, wird aus dem ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 (Temperatur 100 °C, Druck 0,101 MPa) über die Brüdenverdichtung mittels des ersten Verdichters 3.1 der Arbeitsstoff beispielsweise Wasser/Wasserdampf in den zweiten Dampf-Flüssigkeitsspeicher 2.2 gefördert. Die Temperatur im zweiten Dampf-/ Flüssigkeitsspeicher 2.2 ist dann höher als im ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1 und beträgt bis 150 °C. Der Druck des Arbeitsstoffs liegt bei 0,472 MPa.
  • Durch die weitere Verdichtung nach dem zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.2 mittels des Verdichters 3.2 ist die Temperatur des Arbeitsstoffs, der dem Hochtemperaturspeicher 4.1 zugeführt wird, höher als die Temperatur im zweiten Dampf-/ Flüssigkeitsspeicher 2.2 und beträgt bis 500 °C. Der Druck liegt bei Zuführung in den Hochtemperaturspeicher bei bevorzugt bei 1,55 MPa.
  • Werden gemäß Figur 3 drei Dampf/-Flüssigkeitsspeicher 2.1, 2.2, 2.3 mit jeweils nachgeordneten Verdichtern 3.1, 3.2, 3.3 in Reihe hintereinander angeordnet, so liegen Druck und Temperatur der beiden ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.1, 2.2 in den bereits vorgenannten Bereichen mit zwei Dampf-/Flüssigkeitsspeichern 2.1 und 2.2 und zwei Verdichtern 3.1, 3.2.
  • Die Temperatur des Arbeitsstoffs im dritten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.3 liegt dann ebenfalls höher als im zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.2 und beträgt bis 200 °C und der Druck im dritten Dampf-/Flüssigkeitsspeicher 2.3 ist höher als im zweiten Dampf-/ Flüssigkeitsspeicher 2.2 und beträgt bis 1,55 MPa.
  • Durch den weiteren dritten Verdichter 3.3 nach dem dritten Dampf-Flüssigkeitsspeicher 2.3 werden Temperatur und Druck des Arbeitsstoffs weiter angehoben, wodurch die Temperatur des Arbeitsstoffs bei der zweiten Beladung B2 des Hochtemperaturspeichers 4.1 bis 600 °C und der Druck bei bis 3,98 MPa.
  • Durch die vorgenannt beschriebenen Varianten können zur Versorgung des/der Verbraucher sehr hohe Temperaturen bereitgestellt werden.
  • Bei der Verwendung anderer Arbeitsstoffe ändern sich die Temperatur-/Druckbereiche.
  • Diese können für die verwendeten Arbeitsstoffe aus einschlägigen Quellen bezogen/bestimmt/berechnet werden.
  • Die in den Figuren dargestellten Varianten sind untereinander kombinierbar und erweiterbar.
  • Anstelle der in den Zeichnungen dargestellten Verdichter 3.1, 3.2, 3.3 können jeweils auch mehrere Verdichter verwendet werden bzw. kombiniert sein und/oder auch ein oder mehrere Verdichterstufen eingesetzt werden.
  • Zwischen dem Hochtemperaturspeicher 4.1 und dem Verbraucher 6 und können beispielsweise ein oder mehrere Strömungsmaschinen (z.B.Turbine/n) und/oder Verdrängungsmaschinen (z.B. eine Hubkolbenmaschine) zur Rückverstromung angeordnet sein.
  • Weiterhin können auch als Verbraucher 6 beispielsweise auch ein oder mehrere Strömungsmaschinen (z.B. Turbine/n) und/oder Verdrängungsmaschinen (z.B. eine Hubkolbenmaschine) und/oder Brennstoffzellen eingesetzt werden.
  • Neben der Wärmeversorgung/Energieversorgung eines oder mehrerer Verbraucher ist es mit der erfindungsgemäßen Anlage und dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, eine Stoffversorgung eines oder mehrerer Verbraucher mit Stoffen insbesondere hoher Temperatur/en zu realisieren. Dies kann beispielsweise in der chemischen oder verfahrenstechnischen Industrie Anwendung finden und bevorzugt bei Verwendung von Arbeitsstoffen in Form von Ethanol und/oder Methanol und/oder Wasser bzw. deren Mischungen/Kombinationen.
  • Typisch ist die Versorgung mit Wasserdampf. Dann kann der Arbeitsstoff direkt zum Verbraucher geleitet werden. Wird ein anderer Arbeitsstoff verwendet, setzt man üblicherweise mindestens einen Wärmeübertrager zur Stofftrennung ein.
  • Eine Wärme-/Energieversorgung findet meist in geschlossenen Kreisläufen statt, d.h. der Stoff bzw. Wärmeträger bleibt im Kreislauf.
  • Bei einer Stoff-/und Energieversorgung ist auch eine offene Prozessführung möglich, dass werden den dargestellten Prozessen auf der Quellen- und/oder Senkenseite Stoffe zu- und abgeführt um chemische und/oder verfahrenstechnische Prozesse zu realisieren.
  • Wärmequellen können beispielsweise sein:
    • Abwärme aus industriellen und/oder kraftwerkstechnischen Prozessen,
    • Umweltwärme,
    • Abwasserströme,
    • regenerative Wärmequellen,
    • Wärme aus Heiznetzen bzw. Heizkreisläufen,
    • Wärme aus Rückkühlanlagen,
    • Abwärme aus Rechenzentren.
  • Diese können auch kombiniert genutzt werden.
  • Wärmesenken können beispielsweise sein:
    • Wärmeversorgungssysteme für industrielle, verfahrenstechnische, chemische Prozesse,
    • Raumheizung,
    • Klimatisierung,
    • Brauchwasserserwärmung,
    • Kraftwerksprozesse,
    • Trocknung,
    • Kälteerzeugung.
  • Es können auch mehrere Wärmesenken versorgt werden.
  • Stoffquellen können beispielsweise sein:
    • Stoffe aus einer natürlichen oder künstlichen Quelle, z.B.
    • Abwasserstrom,
    • natürliches oder künstliches Gewässer,
    • Abgasstrom aus einem Verbrennungsprozess oder chemischen Prozess,
    • kontinuierlicher oder nichtkontinuierlicher Produktstrom aus einem Prozess, Diese können auch kombiniert genutzt werden.
  • Stoffsenken können beispielsweise sein:
    • industrielle, verfahrenstechnische, chemische Prozesse,
    • Kraftwerksprozesse,
    • Raumheizung,
    • Klimatisierung,
    • Brauchwasserserwärmung,
    • Trocknung,
    • Kälteerzeugung,
    • kontinuierliche und/oder nichtkontinuierliche Produktionsprozesse, Es können auch mehrere Stoffsenken versorgt werden.
  • Mit der Erfindung wird eine Anlage und ein Verfahren zur Verfügung gestellt, welches flexibel an die vorhandenen Wärmequellen und Stoffquellen anpassbar ist und unter Temperaturerhöhung nach dem/den Dampf-/Flüssigkeitsspeicher/n und der Verwendung eines Hochtemperaturspeichers eine Versorgung eines oder mehrerer Verbraucher aus einem oder mehreren Wärmesenken oder einer oder mehreren Stoffsenken ermöglicht. Dabei können der/die Verbraucher mittels der Anlage und dem Verfahren auch mit unterschiedlichen Temperaturen versorgt werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1.1
    erste Wärmequelle und/oder Stoffquelle
    1.a
    Verdampfer
    1.b
    Wärmepumpenverdichter
    1.c
    Verflüssiger
    1.d
    Gaskühler und Wärmepumpen-Entspannungsorgan
    2.1
    erster Dampf-/Flüssigkeitsspeicher
    2.1a
    unterer Bereich des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers
    2.1b
    oberer Bereich des ersten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers
    2.2
    zweiter Dampf-/Flüssigkeitsspeicher
    2.2a
    unterer Bereich des zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers
    2.2b
    oberer Bereich des zweiten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers
    2.3
    dritter Dampf-/Flüssigkeitsspeicher
    2.3a
    unterer Bereich des dritten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers
    2.3b
    oberer Bereich des dritten Dampf-/Flüssigkeitsspeichers
    3.1
    erster Verdichter
    3.2
    zweiter Verdichter
    3.3
    dritter Verdichter
    4.1
    erster Hochtemperaturspeicher
    4.2
    zweiter Hochtemperaturspeicher
    4.3
    dritter Hochtemperaturspeicher
    4.4
    vierter Hochtemperaturspeicher
    5.1
    erstes Entspannungsorgan
    5.2
    zweites Entspannungsorgan
    5.3
    drittes Entspannungsorgan
    6
    Wärmesenke und/oder Stoffsenke (Verbraucher)
    7
    interner Wärmeübertrager
    8
    externer Wärmeübertrager
    9
    Flüssigkeitsspeicher
    10
    dritter Wärmeübertrager
    11.1
    erstes geregeltes Entspannungsorgan/Motorventil
    11.2
    zweites geregeltes Entspannungsorgan/Motorventil
    11.3
    drittes geregeltes Entspannungsorgan/Motorventil
    11.4
    viertes geregeltes Entspannungsorgan/Motorventil
    11.5
    fünftes geregeltes Entspannungsorgan/Motorventil
    12
    Speicherstoff
    13
    Kanäle
    14
    Drosselstellen
    15
    Wand
    A1
    erster Arbeitsstoff
    A2
    zweiter Arbeitsstoff
    B1
    erste Beladung
    B1R
    Rücklauf der ersten Beladung B1
    B1V
    Vorlauf der ersten Beladung B1
    B2
    zweite Beladung
    B2R
    Rücklauf der zweiten Beladung B2
    B2V
    Vorlauf der zweiten Beladung B2
    E1
    erste Entladung
    E1R
    Rücklauf der Entladung 1
    E1V
    Vorlauf der Entladung 1
    E2
    zweite Entladung
    E2R
    Rücklauf der Entladung 2
    E2V
    Vorlauf der Entladung 2
    E3
    dritte Entladung
    E3R
    Rücklauf der Entladung 3
    E3V
    Vorlauf der Entladung 3
    P1
    erste Pumpe
    P2
    zweite Pumpe
    P3
    dritte Pumpe
    P4
    vierte Pumpe
    P5
    fünfte Pumpe
    P6
    sechste Pumpe
    P7
    siebente Pumpe
    R
    Rücklauf
    U
    Kreislauf
    V
    Vorlauf

Claims (10)

  1. Anlage zur Energie- und/oder Stoffversorgung mindestens eines Verbrauchers (6) mittels mindestens eines Arbeitsstoffs (A1, A2) mit
    - mindestens einer Wärmequelle und/oder Stoffquelle (1.1, 6),
    - mindestens einem Speichersystem,
    - mindestens einem Verdichter (3.1, 3.2, 3.3) und/oder einer Verdichterstufe,
    - mindestens einer Wärmesenke und/oder Stoffsenke (Verbraucher) (6),
    wobei das Speichersystem eine Kombination
    - mindestens eines, mittels mindestens einer Wärmequelle und/oder Stoffquelle (1.1, 6) beladbaren, Dampf-/Flüssigkeitsspeichers (2.1, 2.2, 2.3) mit
    - mindestens einem Hochtemperaturspeicher (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) ist,
    wobei
    - zwischen dem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher (2.1, 2.2, 2.3) und dem Hochtemperaturspeicher (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) mindestens ein Verdichter (3.1, 3.2, 3.3) und/oder eine Verdichterstufe zum Verdichten des Arbeitsstoffes (A1, A2) angeordnet ist
    und
    - die mindestens eine Wärmesenke und/oder Stoffsenke (Verbraucher) (6) zur Energie- und/oder Stoffversorgung und/oder zumindest teilweise Rückverstromung mit dem aus dem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher (2.1, 2.2, 2.3) und/oder dem Verdichter (3.1, 3.2, 3.3) und/oder der Verdichterstufe und/oder dem Hochtemperaturspeicher (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) ausgegebenen Arbeitsstoff (A1, A2) gekoppelt ist.
  2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Dampf-/ Flüssigkeitsspeicher (2.1, 2.2, 2.3) und dem Hochtemperaturspeicher (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) eine mehrstufige Verdichtung integriert ist und dass diese vor dem Hochtemperaturspeicher (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) eine mechanische und/oder thermische Brüdenverdichtung mittels mechanischer und/oder thermischer Verdichter (3.1, 3.2, 3.3) aufweist.
  3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    - dass zwischen dem Hochtemperaturspeicher (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) und dem Dampf-/ Flüssigkeitsspeicher (2.1, 2.2, 2.3) mindestens ein Entspannungsorgan und/oder ein druckverlusterzeugendes Bauteil (5.1, 5.2, 5.3) für den Arbeitsstoff (A1, A2) angeordnet ist, so dass eine der Entspannung des Arbeitsstoffes (A1, A2) mit Rückführung in den Dampf-/Flüssigkeitsspeicher (2.1, 2.2, 2.3) realisierbar ist und/oder
    - dass in den Hochtemperaturspeicher (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) Elemente zur Entspannung des Arbeitsstoffes (A1, A2) vor der Rückführung in den Dampf-/Flüssigkeitsspeicher (2.1, 2.2, 2.3) integriert sind.
  4. Anlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Dampf-/Flüssigkeitsspeicher (2.1, 2.2, 2.3) den Arbeitsstoff (A1, A2) beim Gleichgewicht oder nahezu/betriebsbedingt einem Gleichgewicht von zwei Phasen flüssig und dampfförmig zu beinhaltet und dass bei einer Be- und Entladung des Dampf-/Flüssigkeitsspeichers (2.1, 2.2, 2.3) sich die Temperatur, der Druck, die Masse und der Füllstand der flüssigen Phase ändert und somit die Speicherfunktion einem Massespeicher und einem thermischen Energiespeicher entspricht und/oder dass
    - der mittels des verdichteten Arbeitsstoffes (A1, A2) beladene Hochtemperatur-Speicher (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) als Behälter ausgebildet ist und ein Rohrbündelapparat mit Speicherstoff (12) ist und/oder gekapselte Speicherstoffe (12) oder kapsellose Speicherstoffe (12) in den Behälter eingebracht sind, wobei der/die Speicherstoffe (12) insbesondere aus Phasenwechselmaterial bestehen und dass eine Wärmeübertragung vom Arbeitsstoff (A1, A2) auf den Speicherstoff (12) mit oder ohne Wand (15) zur Stofftrennung realisierbar ist.
  5. Anlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Arbeitsstoff/e (A1, A2) alle kondensierbaren Gase/Dämpfe und/oder anorganische oder organische Flüssigkeiten sind, insbesondere Wasser, Alkane, Alkohole (Methanol, Ethanol) oder Ammoniak oder herkömmliche synthetische Kältemittel und/oder Zusatzstoffe oder deren Mischungen und/oder Suspensionen sind.
  6. Anlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wärmesenke und/oder Stoffsenke (Verbraucher) (6)
    - zur Versorgung mit höheren Temperaturen im Bereich von 40 °C bis 800 °C mit dem Verdichter (3.1, 3.2, 3.3) und/oder dem Hochtemperaturspeicher (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) gekoppelt ist
    und/oder
    - zur Versorgung mit niedrigeren Temperaturen im Bereich von 20 °C bis 400 °C mit dem Dampf-/Flüssigkeitsspeicher (2.1, 2.2, 2.3) gekoppelt ist.
  7. Verfahren zur Energie- und/oder Stoffversorgung mindestens eines Verbrauchers (6) unter Einsatz einer Anlage nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 6, wobei mindestens ein Arbeitsstoff (A1, A2) in Form von Dampf/Gas aus dem Dampf-/ Flüssigkeitsspeicher (2.1, 2.2, 2.3) über mindestens einen Verdichter (3.1, 3.2, 3.3) und/oder mindestens einer Verdichterstufe mittels einer Brüdenverdichtung verdichtet und dadurch die Temperatur des Arbeitsstoffes (A1, A2) erhöht wird und mit dem in seiner Temperatur erhöhten Arbeitsstoff (A1, A2) eine Beladung (B1, B2) mindestens eines Hochtemperaturspeichers (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) erfolgt, und der Arbeitsstoff (A1, A2) in einem Kreislauf wieder zurück in den Dampf-/Flüssigkeitsspeicher (2.1, 2.2, 2.3) geleitet wird, wobei über den Dampf-/Flüssigkeitsspeicher (2.1, 2.2, 2.3) und/oder den Verdichter (3.1, 3.2, 3.3) und/oder den Hochtemperaturspeicher (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) mit dem Arbeitsstoff (A1, A2) eine Energie- und/oder Stoffversorgung mindestens einer Wärmesenke und/oder Stoffsenke/eines Verbrauchers (6) und/oder eine Rückverstromung erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsstoff (A1, A2) nach mindestens einer Entspannung (Reduktion des Drucks) wieder zurück in den Dampf-/Flüssigkeitsspeicher (2.1, 2.2, 2.3) geleitet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
    - dass eine Beladung (B1, B2) und/oder eine Stoffzufuhr über B1V und/oder R oder eine Entladung (E1, E2, E3) des Dampf-/Flüssigkeitsspeichers (2.1, 2.2, 2.3) und des Hochtemperaturspeichers (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) und/oder eine Stoffentnahme über V gleichzeitig oder zeitlich versetzt und dass eine mehrstufige Verdichtung eines oder mehrerer Arbeitsstoffe (A1, A2) erfolgt
    und/oder
    - dass eine mehrstufige Entspannung eines oder mehrerer Hochtemperatur-Speicher (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) mit mehreren Entspannungsorganen und/oder mit mehreren druckverlusterzeugenden Bauteilen (5.1, 5.2, 5.3) oder eine dezentrale Entspannung im Hochtemperaturspeicher (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) mit verteilten Drosselstellen (14)
    erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    - dass mehrere Verbraucher (6) gleichzeitig über den Dampf-/Flüssigkeitsspeicher (2.1, 2.2, 2.3) und/oder den Verdichter (3.1, 3.2, 3.3) und/oder den Hochtemperaturspeicher (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) mit unterschiedlichen Temperaturen und/oder mit unterschiedlichen Masseströmen versorgt werden
    und
    - dass eine Beladung (B1, B2) des Dampf-/Flüssigkeitsspeichers (2.1, 2.2, 2.3) über mindestens eine Wärmepumpe und/oder über Abwärme und/oder erneuerbare Wärme wie z. B. Solarthermie, Geothermie und/oder Umweltwärme und/oder über vorhandene Wärmenetze und/oder Prozesswärme und/oder mindestens einen Vorlauf B1V und/oder mindestens einen Rücklauf (R) erfolgt.
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