FI130986B1

FI130986B1 - Thermal battery

Info

Publication number: FI130986B1
Application number: FI20230041A
Authority: FI
Inventors: Pasi Petteri Virtanen; Taisto Nieminen
Original assignee: Pasi Petteri Virtanen
Priority date: 2023-07-11
Filing date: 2023-07-11
Publication date: 2024-07-12
Also published as: WO2025012509A1; FI20230041A1

Abstract

Lämpöenergian varastoimiseen ja mainitun energian myöhempään hyväksikäyttöön tarkoitettu lämpöakku (4), joka lämpöakku (4) käsittää lämpöä varastoivaa materiaalia, jonka lämpötila on nostettavissa arvoon 100°C tai lähelle sitä ja jota lämpöenergiaa on mainitusta lämpöakusta (4) purettavissa myöhemmin valittuna ajankohtana. Lämpöakun (4) varaava massa (9) osaksi ja sen lisäksi lämpöakun (4) lämpöä eristävät rakenteet ovat muodostetut kaatopaikalle loppusijoitettavista valikoiduista jätteistä ja että mainittu lämpöakku (4) rakenteineen on sovitettu ja tarkoitettu sijoituspaikalleen jääväksi pysyväksi kaatopaikaksi.A thermal battery (4) intended for storing thermal energy and for the subsequent utilization of said energy, which thermal battery (4) comprises a heat-storing material whose temperature can be raised to 100°C or close to it and whose thermal energy can be discharged from said thermal battery (4) at a later selected time. The storage mass (9) of the thermal battery (4) and, in addition, the thermally insulating structures of the thermal battery (4) are formed from selected waste to be disposed of in a landfill, and that said thermal battery (4) and its structures are adapted and intended as a permanent landfill that remains in its location.

Description

LAMPOAKKULAMP BATTERY

Keksinnön taustaBackground of the invention

Keksintö kohdistuu lämpöenergian varastoimiseen ja mainitun energian myöhempään hy- — väksikäyttöön tarkoitettuun lämpöakkuun, joka lämpöakku käsittää lämpöä varastoivaa ma- teriaalia, jonka lämpötila on nostettavissa arvoon 100°C tai lähelle sitä ja jota lämpöener- glaa on mainitusta lämpöakusta purettavissa myöhemmin valittuna ajankohtana.The invention is directed to a thermal battery intended for the storage of thermal energy and the subsequent beneficial use of said energy, which thermal battery comprises a heat-storing material whose temperature can be raised to a value of 100°C or close to it and whose thermal energy can be discharged from said thermal battery at a later selected time.

Ennestään tunnetaan lämpöenergian varastoina eristetyt vesisäiliöt, eristetyt hiekkasäiliöt, maakuoppaan tai kaivosonkaloon sijoitetut lämminvesivarastot. Tunnetut varaajasäiliöt — ovat yleensä yhtä nestemäistä tai kiinteää varaaja-ainesta sisältäviä. Varaajamassoina tun- netaan yleisesti vettä tai hiekkaa, jotka ovat helposti käsiteltävissä ja täyttävät helposti kaikenmuotoiset säiliöt.Insulated water tanks, insulated sand tanks, hot water tanks placed in an earth pit or mine cavity are already known as thermal energy storage. Known accumulator tanks — usually contain either a liquid or a solid accumulator. Storage masses are commonly known as water or sand, which are easy to handle and easily fill containers of all shapes.

Tunnetuissa ratkaisuissa ei voida käyttää jätemateriaaleja, koska niiden sijoittamista muualle kuin pysyvän, vaarattoman tai vaarallisen jätteen kaatopaikalle, ei sallita (Asetus kaatopai- — koista 331/2013). Näin ollen kaatopaikkajätteitä ei voida käyttää rakentamisessa, kuten ylei- sesti lämpövaraajien massoina.In known solutions, waste materials cannot be used, because their placement elsewhere than at a landfill for permanent, non-hazardous or hazardous waste is not allowed (Decree on landfills 331/2013). Therefore, landfill waste cannot be used in construction, as is generally the case for heat accumulators.

Keksinnön lyhyt selostusBrief description of the invention

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada uusi ratkaisu lämmön varastoimiseksi muodostet- tavasta kaatopaikasta valitsemalla kaatopaikan perustamisen yhteydessä sille tähän tarkoi- — tukseen sopiva jätetäytös. Keksinnössä kaatopaikalle loppusijoitettavat valikoidut jätteet muodostavat joko lämpöakun lämpöä eristäviä osia tai lämpöä varaavia osia. Kun varaavana massana käytetään veden ja mineraaliaineksen yhdistelmää, pitää lämpöakku olla varaavan massan osalta vesitiivis. Lämpöeristeet ovat siten vesitiiviin osuuden ulkopuolella. Keksin- nön mukaisella lämpöakulla saavutetaan olennainen parannus nykyiseen tekniikan tasoon, — kun loppusijoitusjätteille saadaan hyötykäyttöä lämpöakkujen rakentamisessa. Keksinnön mukaiselle lämpöakulle on tunnusomaista, että lämpöakun varaava massa osaksi ja sen li- säksi lämpöakun lämpöä eristävät rakenteet ovat muodostetut kaatopaikalle loppusijoitet- tavista valikoiduista jätteistä ja että mainittu lämpöakku rakenteineen on sovitettu ja tarkoi- tettu sijoituspaikalleen jääväksi pysyväksi kaatopaikaksi. — Keksinnön muille edullisille suoritusmuodoille on tunnusomaista, mitä on esitetty epäitse- näisissä patenttivaatimuksissa.The purpose of the invention is to provide a new solution for storing heat from a landfill to be created by choosing a waste filling suitable for this purpose in connection with the establishment of the landfill. In the invention, the selected waste to be disposed of at the landfill forms either heat-insulating parts or heat-storing parts of the thermal battery. When a combination of water and mineral matter is used as the buffering mass, the thermal battery must be waterproof in terms of the buffering mass. The thermal insulation is therefore outside the watertight part. A thermal battery according to the invention achieves a substantial improvement over the current state of the art, — when disposal waste is put to good use in the construction of thermal batteries. The thermal battery according to the invention is characterized by the fact that part of the storage mass of the thermal battery and, in addition, the heat insulating structures of the thermal battery are formed from selected waste to be disposed of in a landfill, and that said thermal battery with its structures is adapted and intended as a permanent landfill that remains at its location. — Other advantageous embodiments of the invention are characterized by what is presented in the independent patent claims.

Keksinnön etuna tunnettuihin ratkaisuihin nähden on se, että jätteitä varten tarvittu kaato- paikka on hyötykäytössä, kun sen sisältämä jätemateriaali on hyötykäytössä. Lämpöakku kyetään tekemään pääosin jätemateriaalista, eikä lämpöakkua varten tarvita omaa laitos- — pinta-alaa eikä maakuoppaa. Keksinnön mukaan lämpöakku muodostetaan jätteeksi luo- kitelluista mineraaleista ja aineksista, kuten tiili, betoni, kuonat, tuhkat, pilaantuneet maat sekä vesi. Hyödytön jäteaines pyritään sijoittamaan joko eristeeksi tai lämmön varaajaksi.The advantage of the invention compared to known solutions is that the landfill needed for waste is in beneficial use when the waste material it contains is in beneficial use. A thermal battery can be made mainly from waste material, and a thermal battery does not require its own plant area or a pit. According to the invention, the thermal battery is formed from minerals and materials classified as waste, such as brick, concrete, slag, ashes, contaminated soil and water. Useless waste material is intended to be placed either as insulation or as a heat accumulator.

Kun lämpövaraston käyttö loppuu, jää jätemateriaali paikalleen, koska se sijaitsee jo val- miiksi kaatopaikka-alueella, johon se alun perin on laitettu. Lämpövarastona on keksinnön — mukaan veden ja mineraaliaineksen sekoitus. Lämpövarasto on edullista sijoittaa lämpölai- toksen yhteyteen, jolloin se on helppo yhdistää kaukolämpöverkkoon tai lämmitettävään kohteeseen.When the use of the thermal storage ends, the waste material remains in place, because it is already located in the landfill area where it was originally placed. According to the invention, the heat storage is a mixture of water and mineral matter. It is advantageous to place the thermal storage in connection with the heating plant, in which case it is easy to connect it to the district heating network or to the object to be heated.

Keksinnön eräiden sovellutusmuotojen yksityiskohtainen selostusA detailed description of some application forms of the invention

Seuraavassa keksintöä selitetään lähemmin viittaamalla oheisiin piirustuskuvioihin, joissa — Kuvio I esittää erästä kaatopaikan ja lämpöakun yhdistelmää päältä katsottuna.In the following, the invention is explained in more detail by referring to the accompanying drawings, in which — Figure I shows a combination of a landfill and a thermal battery when viewed from above.

Kuvio 2 esittää leikkauskuviota kuviosta 1 linjaa C - € pitkin leikattuna.Figure 2 shows a cross-sectional view from Figure 1, cut along the line C - €.

Kuvio 3 esittää sisintä lämpöakkuosuutta kuviosta 2 eräillä osilla täydennettynä.Figure 3 shows the innermost thermal battery section from Figure 2 supplemented with some parts.

Kuvio 4 esittää eräitä lämmön lataus- ja purkausputkistoja vaakasuunnassa kerroksittain lämpöakkuosuudessa. — Kuvio5 esittää erästä kuvion 4 lataus- ja purkausputkistoa ylhäältä nähtynä.Figure 4 shows some heat charging and discharging pipelines horizontally in layers in the thermal battery section. — Figure 5 shows one of the charging and discharging pipelines of Figure 4 seen from above.

Kuvio 6 esittää kaatopaikan ja lämpöakun sijoituspaikkaa.Figure 6 shows the location of the landfill and the thermal battery.

Kuvio 7 esittää kuvion 6 mukaiselle paikalle tehtyä kaatopaikan ja lämpöakun yhdistelmää.Figure 7 shows the combination of a landfill and a thermal battery made on the site according to Figure 6.

Kuviossa 1 on esitetty eräs kaatopaikan ja lämpöakun yhdistelmä ylhäältä nähtynä, jolloin siinä on keskellä suhteellisen tasainen ja loiva kumpuosuus 1 ja sitten hieman jyrkempi — reunaosuus 2, joka kiertää koko laakean keskiosan. Tässä esimerkkitapauksessa alueen mittaFigure 1 shows a combination of a landfill and a thermal battery seen from above, where it has a relatively flat and gentle hill section 1 in the middle and then a slightly steeper edge section 2, which goes around the entire central part of the slab. In this example case, the measure of the range

A on esim. 120 m ja mitta B 100 m. Reunaosuuden 2 leveys on 10 m. Kuvion 1 esimerkki on pelkästään lämpöakkukäytössä eikä siihen tuoda enää jätettä. Siinä on nyt esimerkiksi ruoho- pintaverhous.A is, for example, 120 m and dimension B is 100 m. The width of edge section 2 is 10 m. The example in figure 1 is only in thermal battery use and no more waste is brought into it. It now has, for example, a grass surface covering.

Kuviossa 2 leikkaus C — € näyttää lämpöakun 4 valmiin rakenteen. Rakennetta on maan alla — useita metrejä ja lämpöakun 4 korkeus on esim. noin 30 m. Tässä esimerkissä on lämpöakul- le 4 kaivettu tarvittava laaja kuoppa ja sitä on alettu ensin täyttää pohjalta jätteellä kerroksen 7 tavoin. Tästä kerroksesta 7 myös salaojat pyritään viemään laskusuunnassa poispäin tar-In Figure 2, the section C — € shows the finished structure of the thermal battery 4. The structure is underground — several meters and the height of thermal battery 4 is, for example, about 30 m. In this example, the necessary wide pit has been dug for thermal battery 4 and it has first been filled from the bottom with waste like layer 7. From this floor 7, the aim is also to move the sewers downwards away from the

vittavan pitkälle. Kerros 7 on esim. kuonaa, lecasoraa, hiekkaa tms. Tämän kerroksen 7 ei tarvitse olla lämpöeristettä.damn far. Layer 7 is e.g. slag, gravel, sand, etc. This layer 7 does not have to be thermal insulation.

Seuraava kerros 6 voi olla erotettu edellisestä kerroksesta 7 kalvolla tai kankailla, mutta ei — kuitenkaan vedenpitävää erotusta tarvita. Kerros 6 voi olla jo lämpöeristyksen kaltaista ma- teriaalia, kuten tuhkaa tai jäte-eristettä . Kerros 5 on varsinainen eristyskerros ja sen sisä- pinnalla on vedenkestävä pintarakenne 3, jonka täytyy olla myös lujaa materiaalia, jotta se kestää vaurioitumatta sen päälle tulevan varaavan massan 9 ja veden. Kuviossa 2 ei vielä näytetä varaavaa massaa lämpöakun 4 varaajatilassa, jota rajoittaa vedenkestävä pintara- kenne 3.The next layer 6 can be separated from the previous layer 7 with a film or fabrics, but no waterproof separation is needed. Layer 6 can already be a material similar to thermal insulation, such as ash or waste insulation. Layer 5 is the actual insulation layer and its inner surface has a water-resistant surface structure 3, which must also be made of strong material, so that it can withstand without being damaged the insulating mass 9 and the water that comes on top of it. Figure 2 does not yet show the charging mass in the charging space of the thermal battery 4, which is limited by the water-resistant surface structure 3.

Kuviossa 3 esitetään esimerkkinä, mitä lämpöakun 4 varaajatilassa voi olla. Tässä esimerkis- sä on veden lisäksi betonilohkareita varaajamassana 9. Lohkareet ovat sopivimmin kooltaan alle 1 m. Pintarakenteen 3 kestävyyden vuoksi lämpöakun 4 pohjalle on syytä asentaa alim- maksi kerrokseksi pienikokoista lohkaretta tai jopa pyöreämuotoista soraa, raekoko 50 mm. — Kuviossa 3 näytetään lisäksi lämpöakkuun 4 sijoitettuja betonisia kaivoja 8, joissa on reiät alaosassa ja yläosassa. Kaivot ovat täynnä vettä. Varaajamassaa ei niihin haluta pääsevän sisälle. Kun lämpöakkua 4 lämmitetään lämpöakkuun 4 sijoitettujen putkistojen 12 avulla, voidaan putkistomäärää vähentää mainittujen kaivojen 8 avulla, kun niissä lämmitetty va- raajavesi voi keventymisensä ansiosta virrata kaivoissa 8 ylös ja parantaa lämmön siirtymistä — lämpöakun 4 sisällä. Näitä kaivoja 8 voi olla esim. 15 metrin välein lämpöakussa 4.Figure 3 shows as an example what can be in the battery compartment of the thermal battery 4. In this example, in addition to water, there are concrete boulders in the reservoir mass 9. The boulders are preferably less than 1 m in size. Due to the durability of the surface structure 3, it is necessary to install small-sized boulders or even round gravel, grain size 50 mm, on the bottom of the thermal battery 4 as the bottom layer. — Figure 3 also shows the concrete pits 8 placed in the thermal battery 4, with holes in the lower part and in the upper part. Wells are full of water. You don't want the accumulator mass to get inside them. When the thermal battery 4 is heated with the help of the pipelines 12 placed in the thermal battery 4, the amount of pipelines can be reduced with the help of said wells 8, when the reservoir water heated in them can flow up in the wells 8 due to its lighter weight and improve the transfer of heat — inside the thermal battery 4. These wells 8 can be e.g. every 15 meters in the heat accumulator 4.

Kuviossa 4 näytetään esimerkkinä lämpöakun 4 lataus lämmön varastoksi neljään eri kerrok- seen sijoitettujen putkistojen 12a — 12d avulla. Lämmitysvesi johdetaan putkea 11 pitkin jakoventtiileille 14, joista voidaan avata mikä tahansa putkisto tai useampi lämmittäjäksi.Figure 4 shows, as an example, the charging of the thermal battery 4 as heat storage with the help of pipelines 12a — 12d placed in four different floors. The heating water is led along the pipe 11 to the distributor valves 14, from which any pipeline or several can be opened as heaters.

Latauksessa voidaan aloittaa joko alimmasta putkistosta 12a tai ylimmästä 124d, riippuen siitä — miten voimakkaasti luonnollinen lämmön siirtyminen ylöspäin lämpöakussa 4 toimii. Läm- pöakussa 4 oleva vesi voidaan määräajoin sakeutumisen vuoksi vaihtaa. Tämän vaihdon suorittamiseksi esitetään alaosaan asennettu poistoputki 10.Charging can be started either from the lowest pipeline 12a or from the uppermost 124d, depending on — how strongly the natural heat transfer upwards in the heat accumulator 4 works. The water in heat accumulator 4 can be periodically changed due to thickening. To accomplish this change, a bottom-mounted exhaust pipe 10 is shown.

Kuviossa 5 esitetään lämpöakkuun 4 sijoitettu alin putkisto 12a ylhäältä katsottuna. Putkis- ton 12a kautta tehdään sekä lämmön lataus että purkaus. Lataus ja purkaus voidaan tehdä — johtamalla vettä aina samaan suuntaan, mikä kuviossa 5 on esitetty. Latausta ja purkamista voidaan seurata lämpömittarin 13 avulla, joka ilmaisee putkistosta 12a ulos tulevan vesivir- tauksen lämpötilaa. Jos putkistoon 12a syötetyn veden lämpötila poikkeaa paljon ulostulevan veden lämpötilasta, on lataus tai purkaus vielä kesken. Kun lämpöakussa 4 on vettä mukana noin 20 % tilavuudesta, voidaan lämmitys- ja purkausputkistojen 12a - 12d putkien keskinäi- siä etäisyyksiä pitää melko pitkinä 10 - 15 m.Figure 5 shows the lowest piping 12a placed in the thermal battery 4, viewed from above. Through pipeline 12a, heat is both charged and discharged. Charging and discharging can be done — by always directing the water in the same direction, as shown in figure 5. Loading and unloading can be monitored with the help of a thermometer 13, which indicates the temperature of the water flow coming out of the pipeline 12a. If the temperature of the water fed into the pipeline 12a differs a lot from the temperature of the outgoing water, charging or discharging is still in progress. When the heat accumulator 4 contains about 20% of the volume of water, the distances between the pipes of the heating and discharge pipelines 12a - 12d can be considered quite long at 10 - 15 m.

Kuviossa6 on esitetty kaatopaikaksi hyväksytty tasainen alue, jolle on tarkoitus tehdä kek- sinnön mukainen kaatopaikan ja lämpöakun 4 yhdistelmä. Tämä rakentamistapa on hyvin edullinen verrattuna kuvion 2 mukaiseen rakennustapaan, jossa on kaivettu laaja kuoppa, mikä tarkoittaa suuren massamäärän poiskuljettamista. Tässä suoritusmuodossa lämpöakku 4 muodostetaan lähes pelkästään paikalle tuoduista jätteistä ja massoista, jotka kuvioiden 6 ja? mukaan korottavat kumpareeksi lämpöakkualueen. Kuvio 6 esittää lämpöakulle 4 aja- tellun tasaisen rakennuspaikan 16, jossa pohjavesitaso 15 on syvyydellä h, joka on vähintäänFigure 6 shows a flat area accepted as a landfill, for which the combination of landfill and thermal battery 4 according to the invention is to be made. This construction method is very advantageous compared to the construction method according to Figure 2, where a wide pit is dug, which means transporting away a large amount of mass. In this embodiment, the thermal battery 4 is formed almost exclusively from the waste and masses brought to the site, which are shown in Figs. 6 and ? together with the heat accumulator area. Figure 6 shows the planned flat building site 16 for the thermal battery 4, where the groundwater level 15 is at a depth h, which is at least

I metri.I meter.

Kuvio 7 esittää esimerkkinä, miten kaatopaikan ja lämpöakun 4 yhdistelmä, joka on esitetty kuviossa 2, on nyt lähes kokonaan maanpäällisenä rakenteena muodostettu kuvion 6 esittä- — mälle tasankoalueelle, kooltaan noin 100 x 120 m. Tässä suoritusmuodossa on lämpöakun 4 sisään johdettavat putkistot helppo asentaa ja käyttää niitä. Samoin alueen salaojitus on hel- pompaa kuin myös lämpöakun 4 sisällä olevan veden poisto ja uuden pumppaaminen sinne tilalle.Figure 7 shows as an example how the combination of the landfill and the thermal battery 4, which is shown in Figure 2, is now formed as an almost entirely above-ground structure on the plateau area shown in Figure 6, with a size of approximately 100 x 120 m. In this embodiment, the pipelines leading into the thermal battery 4 are easy to install and use them. Similarly, draining the area is easier than removing the water inside the thermal battery 4 and pumping new water in its place.

Claims

PATENT CLAIMS

1. A heat container (4) intended for the storage of heat energy and later utilization of said energy, which heat container (4) comprises material that accumulates heat, the temperature of which can be raised to a value of 100 °C or close to it, and which heat energy can is released from said heat reservoir (4) at a later selected time characterized by the fact that an accumulating mass (9) of the heat container (4) partially and heat insulating structures in the heat container (4) are additionally formed from selected waste that can be disposed of in a landfill and said heat container (4) with its structures are arranged and intended to — be a permanent landfill to remain in place.

2. Heat container (4) according to patent claim 1, characterized in that the storage mass (9) is water in addition to the solid material.

3. Heat container (4) according to patent claim 1, characterized in that the storage mass (9) is water and a mineral substance, such as stone blocks or concrete blocks of a certain size, such as — less than I m.

4, Heating container (4) according to patent claim 1, characterized in that the charging and discharging of heat energy from the heating battery (4) takes place with the help of water lines (12) which are led inside the heating container (4).

5. Heat container (4) according to patent claim 1, characterized in that the water that functions as reserve mass (9) is adapted to conduct heat inside the heating battery (4) both by conducting heat and by transporting heat through its own gravitational vertical movement.

6. Heating container (4) according to patent claim 5, characterized in that vertical empty wells (8) free of mineral substances have been mounted on the heating container (4), which facilitate the tendency of the hot water to rise more easily.

— 7. Heat container (4) according to patent claim 4, characterized in that the charging of the heat container (4) and the discharge of heat energy can be carried out in the heating battery (4) in layers by placing the pipe lines (12a - 12d) placed in the layers to be controlled separately, e.g. by means of shut-off valves (14).

8. Heating container (4) according to patent claim 1, characterized in that the structure of the heating container (4) is designed to be self-supporting, which is achieved thanks to the fact that the heating container (4) is filled with mineral substances, which also provide support for the upper part of the heating container ( 4).