NO340371B1 - Høytemperatur termisk energilager, fremgangsmåte for bygging og fremgangsmåte for drift av dette lageret - Google Patents

Description

HØYTEMPERATUR TERMISK ENERGILAGER, FREMGANGSMÅTE FOR BYGGING OG FREMGANGSMÅTE FOR DRIFT AV DETTE LAGERET.

Oppfinnelsen område

Foreliggende oppfinnelse vedrører lagring og levering av energi. Mer spesielt tilveiebringer oppfinnelse et høytemperatur termisk energilager med fordeler i forhold til tidligere kjente termiske energilagre, en fremgangsmåte for bygging av dette lageret og en fremgangsmåte for drift av lageret.

Bakgrunn for oppfinnelsen og teknikkens stand

Kostnadseffektive energilagre som er egnet for lagring av energi fra nye og tradisjonelle kiler og levering av energien ved behov, er et «missing link» for en forbedret utnyttelse av nye og eksisterende energikilder.

Lagring av energi gjør det mulig å levere på tidspunkter hvor tradisjonelle kilder ikke kan levere, gir stabilitet og tillater at en større proporsjonal andel av energikildene kan være fornybare og miljøvennlige. I tillegg, kan den maksimale leveransen økes, siden både kildene og lagrene kan levere energi samtidig, og nettverkene for ove3rføring av elektrisk energi eller termisk energi kan være mindre, siden lagrene kan være lokalisert der hvor behovet er tilstede.

I patentpublikasjon WO 2012/169900 A1 er det beskrevet et termisk energilager (TES - Thermal Energy Storage), som har fordelaktig egenskaper i forhold til tidligere kjente lagre. Mer spesielt er det tilveiebragt en praktisk og kostnadseffektiv løsning for termisk lagring ved bruk av materiale i fast form som hovedlagringsmedium, som tillater lagring av energi som høytemperatur varme, hvilket betyr varmeenergi ved en temperatur som er tilstrekkelig høy til å omdanne varmen effektivt til elektrisk kraft i et turbin-generator sett eller tilsvarende innretninger.

I patentpublikasjon WO 2014/003577 A1 er det beskrevet hvordan termiske energilagre, som de som er beskrevet i WO2012/169900 A1, er gunstige for å forenkle og øke effektiviteten til energianlegg av forskjellig typer, så som konsentrerte solkraftanlegg og atomkraftverk.

Ytterligere relevant teknikk er beskrevet i patentpublikasjonene DE 102009036550 A1 og US 2011/0100586 A1.

De nevnte patentpublikasjoner beskriver teknologi som avhenger av konveksjon i væske i væskefylte beholdere eller beskriver ikke varmevekslere innstøpt i termiske energilagerelementer av betong.

På tross av betydelige skritt fremover, tilveiebragt av teknologien beskrevet over, er det fremdeles et behov for forbedringer. Effekt/kostnads-forholdet har alltid behov for forbedring, så vel som allsidigheten og fleksibiliteten til termiske energilagre med hensyn til energikildene. Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å møte de økende behovene og etterspørselen med ny teknologi.

Oppsummering av oppfinnelsen

Oppfinnelsen tilveiebringer en fremgangsmåte for bygging av et høytemperatur termiske energilager, som beskrevet og definert i krav 1. Foretrukne utførelsesformer er definert i uselvstendige krav 2-6.

Oppfinnelsen tilveiebringer også en fremgangsmåte for å operer et høytemperatur termisk energilager, som beskrevet og definert i krav 10. Foretrukne utførelsesformer er definert i uselvstendige krav 11 og 12.

Begrepet stabel betyr i oppfinnelsens kontekst, et antall termiske energilagringselementer anordnet oppå hverandre, vertikalt innrettet eller ikke, som en gruppe elementer, hvor hver gruppe er betegnet stabel. En stabel strekker seg derved oppover og fremgangsmåten for å arrangere eller bygge en stabel involverer verbet å stable. De termiske elementene i en stabel er imidlertid fortrinnsvis langstrakte og orientert horisontalt når der er anordnet i stabelen. Trinnene ved fremgangsmåtene blir ikke nødvendigvis utført i samme rekkefølge som angitt i selvstendige kravene, så lenge fremgangsmåtene er anvendelige kan trinnene byttes om. Begrepet høytemperatur som brukes i fremgangsmåtene i oppfinnelsen og for lagringen i henhold til oppfinnelsen, betyr at fremgangsmåtene og lagring er egnet for høytemperaturoperasjon som beskrevet under, men også operasjon ved meget store dynamiske temperaturområder og også operasjon ved meget lave temperaturer.

Oppfinnelsen tilveiebringer også høytemperatur termisk energilagring som er spesielt egnet for operasjon av fremgangsmåten i krav 10, som beskrevet og definert i krav 7. Foretrukne utførelsesformer er definert i krav 8 og 9.

Antallet elementer i et lager i henhold til oppfinnelsen kan variere sterkt og et karakteriserende trekk er hvor det er å skalere lageret opp eller ned, ved å tilføre eller ta ut elementer i henhold til oppfinnelsen, som har en størrelse og vekt som gjør det lett å håndtere med en bygningskran. Antallet elementer i et lager kan være 2, 5, 10, 40, 100, 200 eller 500 og over, og ethvert heltall mellom disse. Antallet kan derved være i området fra færre enn 10 til flere titusener eller mer, avhengig av størrelsen til hvert element og dets respektive energilagringskapasitet, og den ønskede energilagringskapasiteten til hele lagringssystemet. Som et eksempel kan et element med 12 meters lengde og 25 mm diameter være i stand til å lagre 25-50 kWh termisk energi eller mer, og et termisk energilager (TES) med 50 MWh kapasitet til kreve 1000-2000 slike elementer. Likeens er installasjon, vedlikehold, reparasjon og utbytting enkelt, ved å installere, ta ut eller sette inn elementer i henhold til oppfinnelsen med en kran. Elementene skal ligge horisontalt og stablet som en eller flere grupper med stabler av elementer i et termisk lager. Elementene kan være anordnet i enn fikstur eller ramme eller med mellomliggende elementer for stabling, eller elementene kan være tett stablet eller pakket, avhengig av den ønskede ytelsen og integrering i eksisterende kraftanlegg eller systemer og tilgjengelige energikilder. Forskjellige utførelsesformer har forskjellige fordeler. Det er imidlertid to hovedgrupper av utførelsesformer, nemlig mer eller uten et aktivt varmeoverførings- og lagringsfluid i volumet inne i lageret, mellom elementene og inne i huset. Det aktive varmeoverførings- og lagringsfluidet er enten stagnant eller dynamisk. De stagnante fluidene er væsker, så som en termisk olje, smeltet salt eller smeltet metall, eller et fast-væske faseendrende materiale (PCM). De dynamiske fluidene er gasser eller væsker. En tett pakking eller nesten tett pakking av elementene i henhold til oppfinnelsen kan være hensiktsmessig for lagre i henhold til oppfinnelsen, som inneholder stagnant varmeoverførings- eller lagringsvæske eller PCM. For elementpakking som tillater strømning rundt elementene er det hensiktsmessig med et dynamisk aktivt varmeoverførings- og lagringsfluid i volumet inne i lagerhuset, mellom elementene. Dette betyr et fluid som strømmer gjennom det termiske lageret, på utsiden av og rundt elementene, men inne i huset. Lagerhuset har et innløp og et utløp for slikt fluid. Et slikt aktivt fluid kan være varme gasser, så som eksos, forbrent gass, røykgass eller annen varm gasser, opp til temperaturer som det ytre elementskallet tåler, dersom det er tilstede, og innlagte varmevekslere eller varmere, så som opp til 1000 - 1200 eller 1500 °C. Olje kan bli brukt aktivt og smeltede salter eller metaller kan bli brukt aktivt. Strømmen av dynamisk aktivt fluid rundt elementene i huset kan erholdes ved hjelp av gravitasjon eller tvungen strøm, eller begge. Tvungen strøm, eller tvungen konveksjon, kan erholdes ved separat pumping eller kompresjon eller ved det naturlige trykket i fluidet som tilført fra kilden. En eller begge av økt varmelagringskapasitet og økt varmeoverføringsrate til lageret er tilveiebragt med nevnte varmeoverførings- og lagringsfluid inne i huset, mellom elementene og huset. Videre, med en eller flere innlagte varmevekslere i noe3n eller fortrinnsvis alle elementene, fremmes oppvarming og fordamping av sirkulert vann eller annet hensiktsmessig fluid gjennom varmeveksleren, hvilket er hensiktsmessig for direkte tilkobling av varmeveksleren direkte til en turbin, så som en dampturbin. For direkte fordamping av f.eks. vann til damp i elementene, når man tar ut energi fra lageret, er strømmen av vann gjennom varmevekslerne og lageret fortrinnsvis anordnet til å være gradvis eller trinnvis oppover, ved å anordne vannstrømmen gradvis eller trinnvis fra element til element. Derved vil både strømmen i de innlagte varmevekslerne og separasjonseffekten på grunn av tyngdekraften virke i den ønskede retningen oppover og mot utløpet, hvilket utløp fra varmevekslerne fortrinnsvis er ved et høyt punkt i lageret mens innløpet til varmevekslerne fortrinnsvis er ved et lavt punkt i lageret. Det kan derved erholdes et naturlig termoklint lager, med den varmeste delen i toppen av lageret.

Figurer

Figur 1 viser et høytemperatur termisk energilager i henhold til oppfinnelsen, Figur 2 viser fremgangsmåten i henhold til oppfinnelse for bygging av lageret i henhold til oppfinnelsen, og en detalj ved lageret. Figur 3 viser fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen for bygging av lageret i henhold til oppfinnelsen og en detalj ved lageret, og Figur 5 viser en gruppe termiske energilagringselementer som skal brukes i et høytemperatur termisk energilager i henhold til oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse

Det vises til figur 1, som illustrerer et høytemperatur termisk energilager 1 i henhold til oppfinnelsen i tverrsnitt. Lageret innbefatter et antall lett installerbare og utbyttbare varmelagringselementer 2, hvilke elementer er fremstilt av betong og elementene er anordnet i en stabel med elementer, Det viste lageret inneholder 128 elementer, vist i tverrsnitt. Elementene 2 har varmevekslere 3, innstøpt i betongen, og endene og tilkoblingene mellom varmevekslerne kan sees som sorte punkter i de øvre og nedre elementene i en vertikalt innrette rad med elementer, eller som vertikale sorte linjer mellom vertikalt innrettede elementer. Den vertikale sorte linjen illustrere ledninger som forbinder elementene henholdsvis over og under. De vertikale linjene er en del av et rørsystem 4 for tilførsel og uttak av termisk energi, innbefattende et innløp og et utløp for henholdsvis termisk tilførsel og uttak, og anordnet med tilkoblinger til varmevekslerne for sirkulasjon av fluid gjennom varmevekslerne for tilførsel og uttak av termisk energi. Lageret innbefatter et hus 5 i hvilket elementene er plassert, med et gulv 6, også betegnet sokkel, fundament eller underlag, sidevegger 7 og et tak 8. Gulvet innbefatter betongfylling 9 eller lignende, for å understøtte og posisjonere den nederste raden med elementer. Huset innbefatter termisk isolasjon 10, i den viste utførelsesformen integrert i husets gulv, sidevegger og tak. Alternativt kan isolasjonen være på innsiden eller utsiden av veggene, gulvet og taket til huset.

Det viste lageret innbefatter et støttesystem 11, som gjør at et stort antall termiske elementer 2 kan stables samtidig som det tillater drift ved høy temperatur. Det viste støttesystemet 11 innbefatter en bikake-støttekonstruksjon 12 og en støtteramme 13 av stål. Bikake-støttekonstruksjonen består av bikake-støttelag 14, anordnet lag for lag, «dal over topp», som best vist i figurene 2 og 3. I figur 3 er det antydet et ytre metallskall 15 på de termiske elementene. I figur 2 er det antydet en glidepute 16 og et mulig isolasjonslag 17. Bikake-laget gir en selvbærende konstruksjon, i tillegg til at den fortrinnsvis også er understøttet av støtterammen mot sideveggene og gulvet under. Tilgrensende kolonner med elementer er vertikalt forskjøvet, som vist, for å muliggjøre et enkelt rørsystem. Støttesystemet må være dimensjonert til å gi strukturell styrke over driftsbetingelsene og levetiden til lageret, tillate termisk ekspansjon av elementene i tilstrekkelig grad til å unngå at elementene sprekker opp. I figur 1 er det vist et aktivt varmeoverførings- og lagringsmedium i form av et faseendrende materiale 198, i volumet mellom elementene og huset. Figur 4 viser et langsgående snitt av det samme høytemperatur termiske energilageret i henhold til oppfinnelsen, vist i tverrsnitt i figurl og med detaljer i figurene 2 og 3. Figur 4 er et lengderiss og mer spesielt et langsgående snitt siden en sidevegg har blitt tatt bort for illustrasjon og viser elementene 2 i deres fulle lengde. Det viste støttesystemet 11, anordnet som tre rammer som støtter elementene, innbefatter en bikake-støttestruktur 12 (ref. fig. 1) og en støtteramme 13 av stål. Elementene så vel som støttesystemet har blitt anordnet stablet ved bygging fra bunn til topp, sammenstilling av støttesystemrammene under bygging av elementstabelen. Figur 5 viser en gruppe med termiske energilagringselementer, som kan være prefabrikkerte og installert enkelt, dersom de ikke gjøres for store og tunge. Rammen gir strukturell styrke for stabling og også en sterk konstruksjon for en tak og sidevegger til et termisk lager i henhold til oppfinnelsen, stablet på gulvet eller fundamentet, og forenkler bygging og reduserer kostnader. Rammene gir en konstruksjon av fagverkstypen når gruppene med elementer er stablet. En slik gruppe med elementer blir også betegnet som en elementkassett. Figuren viser kun en av mange utførelsesformer av lageret fremgangsmåtene ifølge oppfinnelsen. For små lagre, eller lagre med små stabler med elementer, kan elementene være selvbærende, spesielt dersom de innbefatter et ytre metallskall som er en kombinert støpeform og forsterkning. Elementer med heksagonale, kvadratiske eller rektangulære tverrsnittsformer er mest egnet for selvbærende stabling, kvadratiske elementer kan snus 45 rundt lengdeaksen for å gi en posisjonsjusterende kileform oppover, hvilket forenkler bygging av lageret. Det er nødvendig med mer omfattende støttesystemer for større lagre og for høyere driftstemperaturer.

Begrepet «høytemperatur» i oppfinnelsens kontekst, betyr ikke at lageret må brukes for høy temperatur, men blir fortrinnsvis brukt for høytemperatur operasjon, som i denne forbindelse er fra 100 °C opp til 570 °C for lagre med eksponerte elementskall av stål og rørsystemer, og opp til 1000 - 1200 °C eller til og med 1500 °C for lagre med elementer uten stålskall eller eksponerte stålrørsystemdeler, det ellers eksponerte metalldelene er fortrinnsvis isolert eller fremstilt av høytemperaturbestandige legeringer eller materialer. Lageret i henhold til oppfinnelsen kan operere ved meget høyt dynamisk temperaturområde, inkludert store temperaturforskjeller mellom fluid og elementer, sammenlignet med tidligere kjente lagre.

Dert høytemperatur termiske energilageret i henhold til oppfinnelsen kan innbefatte ethvert trekk som her er beskrevet eller vist, i enhver operativ kombinasjon, og hver slik operativ kombinasjon er en utførelsesform av oppfinnelsen. Fremgangsmåten ved bygging av et høytemperatur termisk energilager i henhold til oppfinnelsen kan innbefatte ethvert trekk eller tinn som her er beskrevet eller vist, i enhver operativ kombinasjon, og hver slik operativ kombinasjon er en utførelsesform av oppfinnelsen.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte ved bygging av et høytemperatur termisk energilager,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter følgende trinn: - bygge et gulv for lageret, - bygge et antall termiske energilagringselementer av betong, - stable elementene vertikalt og anordne elementene som en eller flere stabler med elementer, ved stabling av individuelle elementer eller grupper av elementer, og å orientere elementene horisontalt når elementene anordnes som en eller flere stabler av elementer, hvor noen eller alle elementene innbefatter innstøpte varmevekslere - anordne et rørsystem for tilførsel og uttak av termisk energi, innbefattende et innløp og et utløp for henholdsvis termisk tilførsel og uttak fra lageret, og tilkoblinger til varmevekslerne for sirkulasjon av fluid gjennom varmevekslerne for termisk tilførsel eller uttak, og - anbringe termisk isolasjon.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, innbefattende følgende trinn: bygge en gruppe med termiske energilagringselementer, idet hvert element har et ytre skall, så som et metallskall, idet det ytre skallet er en kombinert støpeform og forsterkning; ved å anbringe en gruppe med ytre skall i en vertikal posisjon side ved side i en ramme, men en åpen øvre ende, hvilende på en eventuell bunnplate; anordne varmevekslere og eventuelle elektriske varmere i det ytre skallet, ved bruk av avstandsstykker og fiksturer om nødvendig, fylle mørtel eller betongblanding opp til et foreskrevet nivå ved hvilket nivå endene eller tilkoblingene til varmevekslerne og eventuelle varmere strekker seg opp over toppen av elementene som står vertikalt, og eventuelt anordne et metall lokk over den åpne enden, med endene eller tilkoblingene ført gjennom dette lokket.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 2, hvor rammene danner en selvbærende konstruksjon for stabling og en struktur for ytre sidevegger og tak til lageret, når gruppene med selvbærende konstruksjoner har blitt stablet på gulvet til lageret.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, innbefattende et eller flere av trinnene: - bygge et antall avlange termiske energilagringselementer av betong, - anordne et rørsystem for termisk tilførsel eller uttak slik at innløpet og utløpet til lageret kan endres reversibelt og slik at minst et innløp eller utløp er anordnet ved en stor høyde i lageret og minst et innløp eller utløp er anordnet ved en lav høyde i lageret, og anordne tilkoblingene til varmevekslerne til de termiske energielementene slik at fluid kan sirkuleres gjennom varmevekslere gradvis eller trinnvis oppover eller nedover, fra element til element; og - anordne stablene med elementer og rørsystemet slik at rørsystemet er anordnet kun på en side av stabelen med elementer eller i et volum mellom stablene med elementer.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, innbefattende et eller flere av trinnene: - anordne elementene i stabler, idet elementene hviler på elementer under, - anordne elementer i stabler med innlegg, bærere, mellomlegg eller tilsvarende objekter mellom elementene ved jevne eller ujevne posisjoner langs lengden av elementene, som tilveiebringer en avstand mellom elementene, - anordne elementene i stabler, med støttesystemdeler mellom elementene, ved jevne eller ujevne posisjoner langs lengden av elementene, som tilveiebringer en avstand mellom elementene, idet støttesystemdelene sammensatt og stablet tilveiebringer et støttesystem med åpninger for elementer, hvilke åpninger har en heksagonal form, kvadratisk form, rektangulær form, rund form, elliptisk form, trekantet form eller annen form i hvilke elementene passer, - anordne elementene i stabler, med støttesystem lag mellom elementene, ved jevne eller ujevne posisjoner langs lengden av elementene, som tilveiebringer avstand mellom elementene, idet støttesystem lagene som sammensatt og stablet, vertikal innrettet eller forskjøvet, danner et støttesystem med åpninger for elementene, hvilke åpninger har en heksagonal form, kvadratisk form, rektangulær form, rund form, elliptisk form, trekantet form eller annen form i hvilke elementene passer, - fylle et aktivt varmeoverførings- og lagringsmedium i form av et faseendrende materiale, i volumet mellom elementene og huset, eller - fylle et aktivt varmeoverførings- og lagringsmedium i form av en stagnant væske, i volumet mellom elementene og huset, eller - fylle et aktivt varmeoverførings- og lagringsmedium i form av et dynamisk fluid, i volumet mellom elementene og huset, slik at det dynamiske fluidet kan strømme fra et innløp til huset til et utløp fra huset.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, innbefattende trinnene: bygge termiske energilagringselementer med et yre metallskall, ved å bruk det ytre metallskallet som en kombinert støpeform og forsterkning, ved å anbringe et ytre metallskall i en vertikal posisjon, med en åpen øvre ende, anbringe varmevekslere og eventuelt elektriske varmere i det ytre metallskallet, ved om nødvendig bruk av avstandsstykker og fiksturer, fylle mørtel eller betingblanding opp til et foreskrevet nivå ved hvilket nivå endene eller tilkoblingene til varmevekslerne og eventuell varmere strekker seg over toppen av elementet når det står vertikalt, og eventuelt anbringe et metallskallokk over den åpne enden, med endene eller tilkoblingene ført gjennom dette lokket.

7. Høytemperatur termisk energilager,karakterisertv e d at lageret innbefatter: - et antall lett installerbare og utbyttbare termiske energilagringselementer, hvilke elementer er fremstilt av betong, hvilke elementer har blitt anordnet i en eller flere stabler med elementer, hvilke stabler innbefatter individuelle elementer eller grupper med elementer, orientert med elementene horisontalt som en eller flere stabler med elementer: - varmevekslere innstøpt i noen eller alle elementene - et rørsystem for tilførsel eller uttak av termisk energi, innbefattende et innløp og et utløp for henholdsvis termisk tilførsel og uttak fra lageret, og anordnet med tilkoblinger til varmevekslerne for sirkulasjon av fluid gjennom varmevekslerne for tilførsel eller uttak av termisk energi; og - termisk isolasjon.

8. Høytemperatur termisk energilager i henhold til krav 7, innbefattende et rørsystem for tilførsel og uttak av termisk energi, anordnet slik at innløpet og utløpet til lageret kan endres reversibelt og slik at minst et innløp eller utløp er anordnet ved en stor høyde i lageret og minst et innløpt eller utløp er anordnet ved an lav høyde i lageret, og tilkoblingene til varmevekslerne til de termiske energielementene har blitt anordnet slik at fluid kan sirkuleres gjennom varmevekslerne gradvis eller trinnvis oppover eller nedover, fra element til element.

9. Høytemperatur termisk energilager i henhold til krav 7 eller 8, innbefattende et eller flere av trekkene: - minst to støtterammer, fremstilt av sammensatte støtterammedeler som er vertikalt innrettet, forskjøvet eller speilvendte fra lag til lag, idet det termiske energilagringselementene har blitt anbragt i og understøttet av disse rammene; - termiske energilagringselementer med et ytre metallskall; - et aktivt varmeoverførings- og lagringsmedium i form av et faseendrende materiale, i volumet mellom elementene og huset; eller - et aktivt varmeoverførings- og lagringsmedium i form av en stagnant væske, i volumet mellom elementene og huset; eller - et aktivt varmeoverførings- og lagringsmedium i form av et dynamisk fluid, i volumet mellom elementene og huset, hvilke dynamisk fluid kan strømme fra et innløp til huset til et utløp fra huset.

10. Fremgangsmåte for å operere et høytemperatur termisk energilager i henhold til hvilke som helst av kravene 7-9,karakterisert vedat fremgangsmåten innbefatter følgende trinn: - sirkulere fluid varmere enn lageret, for termisk energitilførsel til lageret, trinnvis eller gradvis fra en større høyde til en lavere høyde i lageret, ved å operere rørsystemet tilsvarende, og - sirkulere fluid kaldere enn lageret, for termisk energiuttak fra lageret, trinnvis eller gradvis fra en lavere høyde til en større høyde i lageret, ved å operer rørsystemet tilsvarende.

11. Fremgangsmåte i henhold til krav 10, hvorved sirkulasjonen for termisk energitilførsel til lageret er via et innløp ved en største høyde i lageret, hvilket leder det varmere fluidet til de øverste elementene eller elementer ved en høyde med lavere temperatur enn det varmere fluidet, og sirkulasjonen for termisk energiuttak fra lageret er via et innløp ved en laveste høyde i lageret, hvilket leder det kaldere fluidet til de nederste elementene eller elementer ved en høyde med høyere temperatur enn den kaldere fluidet.

12. Fremgangsmåte i henhold til krav 10 eller 11, hvorved lageret inneholder et faseendrende materiale i volumet mellom de termiske energilagringselementene og huset, og vann sirkuleres gjennom varmevekslerne innstøpt i elementene når termisk energi tas ut fra lageret, hvorved lageret opereres under betingelser slik at det faseendrende materialet størkner mens vannet fordamper, og derved brukes størkningsvarme fra det faseendrende materiale som fordampningsvarme for vannet.