DE102012206296A1 - Plant for storage and delivery of thermal energy and method of operation thereof - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie sowie ein Verfahren zu deren Betrieb. Die Anlage arbeitet nach dem Brayton-Prozess, bei dem über ein Verdichter (13) ein Wärmespeicher (14) und über Turbinen (15) ein Kältespeicher (16) aufgeladen wird. Zum Entladen wird dieser Prozess umgekehrt. Erfindungsgemäß ist zusätzlich vorgesehen, dass der Kältespeicher einen Kühlkreislauf (31) versorgt, der über ein Kühlaggregat (33) die Kühlung für einen supraleitenden Generator (36) zur Verfügung stellt. Hierdurch kann vorteilhaft insbesondere bei Windkraftanlagen (22) ein günstiges Generatorgewicht erreicht werden, da diese hinsichtlich ihres Gewichtes wegen der Unterbringung in der Gondel des Windkraftwerkes (22) begrenzt sind. Hierdurch lassen sich vorteilhaft höhere Leistungen im Windkraftwerk (22) umsetzen.The invention relates to a system for storage and release of thermal energy and a method for their operation. The system operates according to the Brayton process, in which a heat accumulator (14) is charged via a compressor (13) and a cold accumulator (16) is charged via turbines (15). For unloading this process is reversed. According to the invention, it is additionally provided that the cold accumulator supplies a cooling circuit (31) which provides the cooling for a superconducting generator (36) via a cooling unit (33). As a result, a favorable generator weight can advantageously be achieved, in particular in the case of wind power plants (22), since these are limited in terms of their weight because of the accommodation in the nacelle of the wind power plant (22). As a result, advantageously higher power in the wind power plant (22) can be implemented.

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Speicherung thermischer Energie, die einen Kreislauf für ein Arbeitsgas aufweist. Dabei werden in dem Kreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch eine Leitung für das Arbeitsgas miteinander verbunden: eine erste thermische Fluidenergie-Maschine, ein Wärmespeicher, eine zweite thermische Fluidenergie-Maschine und ein Kältespeicher. In Durchflussrichtung des Arbeitsgases vom Wärmespeicher zum Kältespeicher gesehen ist die erste thermische Fluidenergie-Maschine als Arbeitsmaschine und die zweite thermische Fluidenergie-Maschine als Kraftmaschine geschaltet.The invention relates to a system for storing thermal energy having a circuit for a working gas. In the process, the following units are connected to one another in the sequence indicated by a line for the working gas: a first thermal fluid energy machine, a heat accumulator, a second thermal fluid energy machine and a cold accumulator. As seen in the flow direction of the working gas from the heat accumulator to the cold accumulator, the first thermal fluid energy machine is connected as a working machine and the second thermal fluid energy machine is connected as an engine.

Weiterhin betrifft die Erfindung zwei Verfahren zum Betrieb dieser Anlage. Bei einem Verfahren zum Speicherung von thermischer Energie wird der Kreislauf in Richtung vom Wärmespeicher zum Kältespeicher durchlaufen, was der oben angegebenen Reihenfolge der Baueinheiten entspricht. Gemäß einem weiteren Verfahren, auf das sich die Erfindung ebenfalls bezieht, kann gespeicherte thermische Energie aus der Anlage auch umgewandelt werden, z. B. in mechanische Energie. Hierbei werden die Einheiten in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen, mit anderen Worten wird die Durchflussrichtung des Arbeitsgases umgekehrt. Dieses passiert dann zuerst den Kältespeicher und dann den Wärmespeicher, wobei in diesem Fall die erste thermische Fluidenergie-Maschine als Kraftmaschine und die thermische Fluidenergie-Maschine als Arbeitsmaschine betrieben wird.Furthermore, the invention relates to two methods for operating this system. In a method for storing thermal energy, the circuit is traversed in the direction from the heat accumulator to the cold accumulator, which corresponds to the sequence of units specified above. According to another method, to which the invention also relates, stored thermal energy from the plant can also be converted, for. B. in mechanical energy. In this case, the units are run in reverse order, in other words, the flow direction of the working gas is reversed. This then happens first the cold storage and then the heat storage, in which case the first thermal fluid energy machine is operated as an engine and the thermal fluid energy machine as a work machine.

Die Begriffe Kraftmaschine und Arbeitsmaschine werden im Rahmen dieser Anmeldung so verwendet, dass eine Arbeitsmaschine mechanische Arbeit aufnimmt, um ihren Zweck zu erfüllen. Eine thermische Fluidenergie-Maschine, die als Arbeitsmaschine verwendet wird, wird somit als Verdichter oder als Kompressor verwendet. Demgegenüber verrichtet eine Kraftmaschine Arbeit, wobei eine thermische Fluidenergie-Maschine zur Verrichtung der Arbeit die im Arbeitsgas zur Verfügung stehende thermische Energie umwandelt. In diesem Fall wird die thermische Fluidenergie-Maschine also als Motor betrieben.The terms engine and work machine are used in the context of this application so that a work machine mechanical work to meet their purpose. A thermal fluid energy machine used as a work machine is thus used as a compressor or as a compressor. In contrast, an engine performs work, wherein a thermal fluid energy machine for performing the work converts the thermal energy available in the working gas. In this case, the thermal fluid energy machine is thus operated as a motor.

Der Begriff „thermische Fluidenergie-Maschine“ bildet einen Oberbegriff von Maschinen, die einem Arbeitsfluid, im Zusammenhang mit dieser Anmeldung ein Arbeitsgas, thermische Energie entziehen oder diesem thermische Energie zuführen können. Unter thermischer Energie ist sowohl Wärmeenergie als auch Kälteenergie zu verstehen. Thermische Fluidenergie-Maschinen können beispielsweise als Kolbenmaschinen ausgeführt sein. Bevorzugt können auch hydrodynamische thermische Fluidenergie-Maschinen verwendet werden, deren Laufräder einen kontinuierlichen Fluss des Arbeitsgases erlauben. Vorzugsweise kommen axial wirkende Turbinen bzw. Verdichter zum Einsatz.The term "thermal fluid energy machine" forms a generic term for machines that can extract thermal energy from or supply thermal energy to a working fluid, in the context of this application, a working gas. By thermal energy is meant both thermal energy and cold energy. Thermal fluid energy machines can be designed, for example, as reciprocating engines. Preferably, hydrodynamic thermal fluid energy machines can be used, the wheels allow a continuous flow of the working gas. Preferably, axially acting turbines or compressors are used.

Das eingangs angegebene Prinzip ist beispielsweise gemäß derUS 2010/0257862 A1 beschrieben. Hier kommen Kolbenmaschinen zum Einsatz, um das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Gemäß derUS 5,436,508 ist es überdies bekannt, dass mittels der eingangs angegebenen Anlagen zur Speicherung thermischer Energie auch Überkapazitäten bei der Nutzung von Windenergie zur Herstellung elektrischen Stroms zwischengespeichert werden können, um diese im Bedarfsfall wieder abzurufen.The above-mentioned principle is, for example, according to the US 2010/0257862 A1 described. Here piston machines are used to carry out the method described above. According to the US 5,436,508 It is also known that by means of the above-mentioned systems for storing thermal energy and overcapacities in the use of wind energy for the production of electrical power can be cached to retrieve them when needed again.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anlage zur Speicherung von thermischer Energie der eingangs angegebenen Art bzw. Verfahren zur Wandlung von thermischer Energie (beispielsweise Wandlung von mechanischer in thermischer Energie mit anschließender Speicherung oder Wandlung der gespeicherten thermischen Energie in mechanische Energie) anzugeben, mit der bzw. mit dem eine möglichst effiziente Nutzung der gespeicherten thermischen Energie möglich ist.The object of the invention is to provide a system for storing thermal energy of the type specified or method for the conversion of thermal energy (for example, conversion of mechanical into thermal energy with subsequent storage or conversion of the stored thermal energy into mechanical energy), with the or with which the most efficient use of the stored thermal energy is possible.

Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Anlage erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kältespeicher in einen von dem genannten Kreislauf verschiedenen Kühlkreislauf für ein Kühlmedium geschaltet werden kann, indem folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch eine Leitung für ein Kühlmedium miteinander verbunden sind: der Kältespeicher, ein Kühlaggregat und ein zu kühlender Kälteabnehmer. Das Kühlmedium ist normalerweise von dem Arbeitsgas verschieden, was erklärt, dass der Kühlkreislauf von dem Kreislauf verschieden ist. Um eine Reinigung bei einem Wechsel des Betriebszustandes zu vermeiden, ist es besonders vorteilhaft, wenn auch in dem Kältespeicher die zum Wärmeübergang genutzten Kanäle zwei Kanalsysteme ergeben und insoweit jedes der Kanalsysteme an einen der Kreisläufe angeschlossen werden kann. Der Kühlkreislauf nutzt somit das eine Kanalsystem, während der Ladekreislauf das andere Kanalsystem nutzt. Der Ladekreislauf kann sich allerdings das Kanalsystem in dem Kältespeicher und evtl. auch weitere Teile der mit dieser verbundenen Leitung mit einem Endladekreislauf teilen (hierzu im Folgenden noch mehr). Während der Ladekreislauf für die Speicherung der thermischen Energie verantwortlich ist, kann über den Entladekreislauf die thermische Energie wieder an das Arbeitsgas abgegeben werden.This object is achieved with the above-mentioned system according to the invention in that the cold storage can be switched to a cooling medium different from the said circuit cooling circuit for a cooling medium by the following units are connected together in the order given by a line for a cooling medium: the cold storage, a cooling unit and a cooling customer to be cooled. The cooling medium is normally different from the working gas, which explains that the cooling circuit is different from the circuit. In order to avoid cleaning when changing the operating state, it is particularly advantageous if also in the cold storage, the channels used for heat transfer channels provide two channel systems and insofar as each of the channel systems can be connected to one of the circuits. The cooling circuit thus uses the one channel system, while the charging circuit uses the other channel system. However, the charging circuit may share the channel system in the cold storage and possibly also other parts of the line connected thereto with a discharge circuit (more on this in the following). While the charging circuit is responsible for storing the thermal energy, the thermal energy can be returned to the working gas via the discharge circuit.

Das Kühlaggregat ist notwendig, um für den zu kühlenden Kälteabnehmer das erforderliche Temperaturniveau einstellen zu können. Denn die Speichertemperatur des Kältespeichers ist höher, als das benötigte Temperaturniveau. Allerdings kann durch den Kältespeicher eine Vorkühlung des Kühlmediums erfolgen, so dass in dem Kühlaggregat ein geringerer Temperaturunterschied überwunden werden muss. Dies verringert vorteilhaft auch den Energiebedarf für das Kühlaggregat. Genutzt werden kann Prozesskälte, die bei der Anlage zur Speicherung von thermischer Energie ohnehin anfällt. Diese steht zwar bei einer Entladung zwecks Abgabe thermischer Energie nicht mehr zur Verfügung, dafür muss diese zum Betrieb des zu kühlenden Kälteabnehmers jedoch nicht gesondert erzeugt werden. Die gesamte Energiebilanz der Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie und des Kälteabnehmers wird dadurch vorteilhaft verbessert.The cooling unit is necessary in order to be able to set the required temperature level for the chiller to be cooled. Because the storage temperature of the cold storage is higher than that required temperature level. However, can be done by the cold storage pre-cooling of the cooling medium, so that in the cooling unit a lower temperature difference must be overcome. This advantageously also reduces the energy requirement for the cooling unit. Process refrigeration, which occurs in any case in the system for storing thermal energy, can be used. Although this is no longer available during a discharge for the purpose of dissipating thermal energy, this does not have to be generated separately for the operation of the cooling consumer to be cooled. The entire energy balance of the system for storage and release of thermal energy and the cold consumer is thereby advantageously improved.

Der Ladekreislauf (und Entladekreislauf) können als offener oder geschlossener Kreislauf betrieben werden (hierzu im Folgenden noch mehr). Bei einem offenen Kreislauf bildet Luft das Arbeitsgas, welches der Atmosphäre entnommen und anschließend dieser wieder zugeführt werden kann. Als Kühlaggregat kann jegliche Form von Aggregat zum Einsatz kommen. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Thermosiphons, welcher vorteilhaft vergleichsweise geringe Temperaturniveaus erreicht.The charging circuit (and unloading circuit) can be operated as an open or closed circuit (more on this in the following). In an open circuit, air forms the working gas, which can be taken from the atmosphere and then returned to it. As a cooling unit, any form of aggregate can be used. Particularly advantageous is the use of a thermosyphon, which advantageously achieves comparatively low temperature levels.

Der Kälteabnehmer ist gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung mit einer supraleitenden Komponente ausgestattet. Als Kühlmedium kann hier insbesondere für den Fall, dass Hochtemperatursupraleiter Verwendung finden, beispielsweise Bi2223 oder YBCO, als Kühlmedium Stickstoff verwendet werden. Dieser muss auf ein Temperaturniveau von ca. 50 bis 60 K gebracht werden. Eine Vorkühlung über den Kältespeicher auf ca. 180 K vereinfacht den Kühlvorgang und verringert die Leistungsaufnahme am Kälteaggregat.The cold customer is equipped according to a particular embodiment of the invention with a superconducting component. As a cooling medium can be used here as the cooling medium nitrogen in particular in the event that high-temperature superconductors are used, for example, Bi2223 or YBCO. This must be brought to a temperature level of about 50 to 60 K. Pre-cooling via the cold storage tank to approx. 180 K simplifies the cooling process and reduces the power consumption at the cooling unit.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine ein Generator ist, der insbesondere in einer Windkraftanlage eingebaut sein kann. Diese Verwendung bietet besondere Vorteile, da elektrische Maschinen mit supraleitenden Komponenten (insbesondere der Wicklung eines elektrisch erregten Rotors in einem Synchrongenerator) mit einer geringeren Masse ausgeführt sein können. Die Masse des Generators bildet jedoch den limitierenden Faktor bei der Auslegung von Windkraftanlagen, da die in einer großen Höhe in der Gondel des Windkraftwerks montiert werden müssen. Bei konventionellen Generatoren erhöht sich die Masse der verwendeten Generatoren allerdings schneller als die Leistung, wobei in diesem Verhältnis etwa eine Potenz 1,6 liegt. Daher gilt derzeit die wirtschaftliche Grenze für eine Steigerung der Generatorleistung in Windkraftanlagen bei ca. 6 MW. Andererseits erfordert der Bau von Starkwind-Windkraftanlagen die Installation einer größeren Generatorleistung in der Gondel. Dies kann erfindungsgemäß durch Verwendung von Generatoren mit supraleitenden Komponenten erreicht werden. Ist die Windkraftanlage mit der erfindungsgemäßen Anlage zur Speicherung und Abgabe thermischer Energie gekoppelt, so hat dies den Vorteil, dass der Kältespeicher sinnvoll genutzt werden kann, um die Verluste, die aufgrund der notwendigen Kühlung der supraleitenden Generatorwicklungen erforderlich werden, gering zu halten. Gleichzeitig kann diese Anlage zur Speicherung von thermischer Energie auch verwendet werden, um in an sich bekannter Weise Überkapazitäten im elektrischen Netz zwischenzuspeichern und bei Verbrauchsspitzen an elektrischer Energie unter Abgabe der thermischen Energie wieder in elektrischen Strom umzuwandeln. Es handelt sich also um die Nutzung eines Synergieeffektes, der insgesamt die Effizienz beim Betrieb der Anlage insbesondere mit Windkraftanlagen erhöht. Allerdings kann die Anlage beispielsweise auch mit Pumpspeicherkraftwerken oder auch mit konventionellen Kraftwerken, wie z. B. Gasturbinenwerken betrieben werden.According to another embodiment of the invention, it is provided that the electric machine is a generator which can be installed in particular in a wind turbine. This use offers particular advantages, since electrical machines with superconducting components (in particular the winding of an electrically excited rotor in a synchronous generator) can be designed with a lower mass. However, the mass of the generator is the limiting factor in the design of wind turbines because they must be mounted at a great height in the nacelle of the wind power plant. In conventional generators, however, the mass of the generators used increases faster than the power, in this ratio about a power of 1.6. Therefore, the economic limit for an increase in generator power in wind turbines is currently around 6 MW. On the other hand, the construction of high-wind wind turbines requires the installation of a larger generator power in the nacelle. This can be achieved according to the invention by using generators with superconducting components. If the wind turbine coupled with the inventive system for storage and delivery of thermal energy, so this has the advantage that the cold storage can be used to make sense to minimize the losses that are required due to the necessary cooling of the superconducting generator windings. At the same time, this system can also be used to store thermal energy to temporarily store overcapacities in the electrical network in a conventional manner and to convert it back into electrical power at consumption peaks of electrical energy while releasing the thermal energy. It is therefore the use of a synergy effect, which increases the overall efficiency of the operation of the system, especially with wind turbines. However, the system can, for example, with pumped storage power plants or with conventional power plants, such. B. gas turbine plants are operated.

Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass die elektrische Maschine ein Motor ist, der mit der ersten thermischen Fluidenergie-Maschine mechanisch gekoppelt ist. Diese Fluidenergie-Maschine muss nämlich während des Ladevorgangs des Kältespeichers und des Wärmespeichers (evtl. auch eines zusätzlichen Niedertemperatur-Wärmespeichers) angetrieben werden, um den thermodynamischen Ladeprozess in Gang zu bringen. Besonders vorteilhaft ist es, auch diesen Motor als elektrische Maschine mit supraleitender Wicklung auszuführen, wenn die Infrastruktur zur Kühlung dieser Maschine wegen Verwendung eines supraleitenden Generators, beispielsweise im Windkraftwerk, zur Verfügung steht. Hiermit ist eine weitere Effizienzsteigerung für die Anlage möglich.Furthermore, it can be advantageously provided that the electric machine is a motor which is mechanically coupled to the first thermal fluid energy machine. Namely, this fluid energy machine must be driven during the charging process of the cold accumulator and the heat accumulator (possibly also an additional low-temperature heat accumulator) to initiate the thermodynamic charging process. It is also particularly advantageous to design this motor as an electrical machine with superconducting winding if the infrastructure for cooling this machine is available because of the use of a superconducting generator, for example in a wind power plant. This allows a further increase in efficiency for the system.

Genauso effizienzsteigernd wirkt es sich vorteilhaft aus, wenn als elektrische Maschine ein weiterer Generator mit supraleitenden Komponenten (z. B. der Wicklung) zum Einsatz kommt. Dieser ist dann mit der ersten Fluidenergie-Maschine gekoppelt und kommt zum Einsatz, wenn in Zeiten von erhöhtem Energiebedarf der Wärmespeicher und der Kältespeicher entladen werden sollen. Es ist alternativ auch möglich, dass der Generator mit einer dritten thermischen Fluidenergie-Maschine verbunden ist, wobei die dritte Fluidenergie-Maschine mit der ersten thermischen Fluidenergie-Maschine sowie mit der zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine eine vierte thermische Fluidenergie-Maschine im Lade- und Entladekreislauf parallelgeschaltet ist. Dabei ist jeweils ein Ventilmechanismus zwischen der ersten und der dritten und/oder der zweiten und der vierten thermischen Fluidenergie-Maschine vorgesehen. Durch Schalten des Ventilmechanismus kann nun vorteilhaft je nach Durchflussrichtung des Arbeitsgases jeweils die eine oder die andere Fluidenergie-Maschine ausgewählt werden. Dies hat den Vorteil, dass die jeweilige zur Anwendung kommende Fluidenergie-Maschine auf den zu schaltenden Betriebszustand optimiert werden kann. Da bei Verwendung von lediglich zwei Fluidenergie-Maschinen beide in Abhängigkeit der Durchflussrichtung sowohl als Arbeitsmaschine als auch als Kraftmaschine verwendet werden müssen, kann ohne das Vorsehen von zusätzlichen Fluidenergie-Maschinen nur ein konstruktiver Kompromiss gewählt werden. Da jedoch sowohl im thermischen Ladebetrieb wie auch im thermischen Entladebetrieb ein möglichst hoher Wirkungsgrad angestrebt wird, erlaubt die Parallelschaltung von Fluidenergie-Maschinen, sowohl das Verfahren zur Speicherung der thermischen Energie als auch das Verfahren zur Umwandlung der thermischen Energie bei optimalem Wirkungsgrad vorzunehmen. An Stelle der Verwendung von Ventilen können auch separate Leitungen für den Ladekreislauf und den Entladekreislauf vorgesehen werden. Die Konfiguration hat den Vorteil, dass die jeweils zum Einsatz kommenden Fluidenergie-Maschinen während des Ladeprozesses und des Entladeprozesses auf den jeweiligen Betriebszustand optimiert werden können. Hierdurch wird eine Steigerung der Effizienz des Systems erreicht. Dieser wird allerdings mit höheren Anschaffungskosten der Anlage erkauft. Hier muss eine wirtschaftliche Abwägung erfolgen.It also has the same effect of increasing efficiency if an additional generator with superconducting components (eg the winding) is used as the electric machine. This is then coupled to the first fluid energy machine and is used when the heat storage and the cold storage are to be discharged in times of increased energy demand. Alternatively, it is also possible that the generator is connected to a third thermal fluid energy machine, wherein the third fluid energy machine with the first thermal fluid energy machine and the second thermal fluid energy machine, a fourth thermal fluid energy machine in the loading and Discharge circuit is connected in parallel. In each case, a valve mechanism is provided between the first and the third and / or the second and the fourth thermal fluid energy machine. By switching the valve mechanism can now be advantageous depending on the flow direction of the Working gas each one or the other fluid energy machine can be selected. This has the advantage that the respective fluid energy machine used for the application can be optimized for the operating state to be switched. Since using only two fluid energy machines both as a function of the flow direction must be used both as a work machine and as an engine, only a constructive compromise can be chosen without the provision of additional fluid energy machines. However, since the highest possible efficiency is sought both in the thermal charging operation as well as in the thermal discharge operation, the parallel connection of fluid energy machines, both the method for storing the thermal energy and the process for converting the thermal energy with optimum efficiency allowed. Instead of using valves, it is also possible to provide separate lines for the charging circuit and the unloading circuit. The configuration has the advantage that the respectively used fluid energy machines can be optimized during the loading process and the unloading process to the respective operating state. This achieves an increase in the efficiency of the system. However, this is purchased at a higher initial cost of the system. Here, an economic balance must be made.

Das Arbeitsgas kann wahlweise in einem geschlossenen oder einem offenen Kreislauf geführt werden (Dies gilt sowohl für den Ladekreislauf als auch für den Entladekreislauf, nicht aber für den Kühlkreislauf). Ein offener Kreislauf verwendet als Arbeitsgas immer die Umgebungsluft. Diese wird aus der Umgebung angesaugt und am Ende des Prozesses auch wieder in diese entlassen, so dass die Umgebung den offenen Kreislauf schließt. Ein geschlossener Kreislauf erlaubt auch die Verwendung eines anderen Arbeitsgases als Umgebungsluft. Dieses Arbeitsgas wird in dem geschlossenen Kreislauf geführt. Da eine Entspannung in die Umgebung bei gleichzeitiger Einstellung des Umgebungsdruckes und der Umgebungstemperatur entfällt, muss das Arbeitsgas im Falle eines geschlossenen Kreislaufes durch einen Wärmetauscher geführt werden, der eine Abgabe bzw. Aufnahme von Wärme des Arbeitsgases an die Umgebung erlaubt.The working gas can be fed either in a closed or an open circuit (this applies both to the charging circuit as well as for the discharge circuit, but not for the cooling circuit). An open circuit always uses the ambient air as working gas. This is sucked from the environment and released at the end of the process also in this, so that the environment closes the open circuit. A closed circuit also allows the use of a different working gas than ambient air. This working gas is guided in the closed circuit. Since a relaxation in the environment with simultaneous adjustment of the ambient pressure and the ambient temperature is eliminated, the working gas in the case of a closed circuit must be passed through a heat exchanger, which allows a release or absorption of heat of the working gas to the environment.

Zusätzlich kann vorgesehen werden, dass vor der ersten Fluidenergie-Maschine zusätzlich ein Niedertemperatur-Wärmespeicher in dem Kreislauf vorgesehen ist. Dieser Wärmespeicher wird als Niedertemperatur-Wärmespeicher bezeichnet, weil das durch die Speicherung der Wärme erreichte Temperaturniveau prinzipbedingt unter dem Temperaturniveau des Wärmespeichers liegt. Wärme ist durch den Bezug der Umgebungstemperatur der Anlage definiert. Alles über Umgebungstemperatur ist Wärme während alles unterhalb der Umgebungstemperatur Kälte ist. Damit wird auch klar, dass das Temperaturniveau des Kältespeichers unterhalb der Umgebungstemperatur liegt.In addition, it can be provided that in addition to the first fluid energy machine, a low-temperature heat storage is provided in the circuit. This heat storage is referred to as a low-temperature heat storage, because the temperature level reached by the storage of heat is inherently below the temperature level of the heat storage. Heat is defined by reference to the ambient temperature of the system. Everything about ambient temperature is heat while everything is below ambient cold. This also makes it clear that the temperature level of the cold accumulator is below the ambient temperature.

Die Verwendung des Niedertemperatur-Wärmespeichers hat folgende Vorteile. Wird die Anlage zur Speicherung der thermischen Energie verwendet, so wird der Niedertemperatur-Wärmespeicher vor Passieren der in diesem Fall als Arbeitsmaschine (Verdichter) arbeitenden ersten Fluidenergie-Maschine durchlaufen. Hierdurch wird das Arbeitsgas bereits über Umgebungstemperatur aufgewärmt. Dies hat den Vorteil, dass die Arbeitsmaschine eine geringere Leistung aufnehmen muss, um die geforderte Temperatur des Arbeitsgases zu erreichen. Konkret soll der Wärmespeicher auf über 500°C aufgewärmt werden, was vorteilhaft anschließend an das Vorwärmen des Arbeitsgases auch mit technisch verfügbaren thermodynamischen Verdichtern erfolgen kann, die eine Verdichtung des Arbeitsgases auf 15 bar erlauben. Vorteilhaft kann daher auf Komponenten für die Baueinheiten der Anlage zurückgegriffen werden, die am Markt ohne kostspielige Modifikationen erhältlich sind.The use of the low-temperature heat accumulator has the following advantages. If the system is used to store the thermal energy, the low-temperature heat storage is passed before passing in this case as a working machine (compressor) working first fluid energy machine. As a result, the working gas is already warmed above ambient temperature. This has the advantage that the working machine has to absorb less power in order to achieve the required temperature of the working gas. Specifically, the heat storage to over 500 ° C to be warmed up, which can advantageously be done after the preheating of the working gas with technically available thermodynamic compressors, which allow a compression of the working gas to 15 bar. Advantageously, therefore, can be used on components for the units of the system, which are available on the market without costly modifications.

Die Lösung der Aufgabe gelingt überdies durch das eingangs genannte Verfahren zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie dadurch, dass der Kältespeicher bei Bedarf in einen von dem genannten Kreislauf verschiedenen Kühlkreislauf geschaltet wird, wobei in dem Kühlkreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge von einem Kühlmedium durchflossen werden: der Kältespeicher, ein Kühlaggregat und ein zu kühlender Kältenehmer. Mit diesem Verfahren werden die oben zur erfindungsgemäßen Anlage erläuterten Vorteile erreicht, wobei das Verfahren mit der oben genannten Anlage durchführbar ist. Als besonders geeignetes Kühlmedium, insbesondere für supraleitende Komponenten, kann Stickstoff verwendet werden. Dieser liegt bei der zur Kühlung dieser supraleitenden Komponenten erforderlichen Temperaturen flüssig vor und kann beispielsweise in einem Thermosiphon als Kälteaggregat auf das erforderliche Temperaturniveau gebracht werden. Die Vorkühlung über den Kältespeicher verringert hierbei den Energieaufwand bei dem Betrieb des Kühlaggregates. Außerdem kann dies geringer dimensioniert werden. Dies macht diese Lösung besonders wirtschaftlich.The solution of the problem also succeeds by the above-mentioned method for storage and release of thermal energy in that the cold storage is switched as needed in a different cooling circuit from said circuit, wherein in the cooling circuit the following units in the order flowed through by a cooling medium are: the cold storage, a refrigeration unit and a cooled to be cooled. This method achieves the advantages explained above for the system according to the invention, it being possible to carry out the method with the abovementioned system. As a particularly suitable cooling medium, in particular for superconducting components, nitrogen can be used. This is liquid at the temperatures required for cooling these superconducting components and can be brought to the required temperature level, for example in a thermosyphon as a refrigeration unit. The pre-cooling on the cold storage reduces the energy consumption during operation of the cooling unit. In addition, this can be made smaller. This makes this solution particularly economical.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind hierbei jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:Further details of the invention are described below with reference to the drawing. The same or corresponding drawing elements are in each case provided with the same reference numerals and are explained only to the extent that there are differences between the individual figures. Show it:

1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage als Schaltbild und 1 an embodiment of the system according to the invention as a circuit diagram and

2 und3 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens (Brayton-Prozess) anhand von weiteren Schaltbildern. 2 and 3 Embodiments of the method according to the invention (Brayton process) based on further circuit diagrams.

Eine Anlage zur Speicherung thermischer Energie gemäß1 weist eine Leitung11 auf, mit der mehrere Einheiten derart miteinander verbunden sind, dass diese durch ein Arbeitsgas durchflossen werden können. Das Arbeitsgas fließt durch einen Niedertemperatur-Wärmespeicher12 und anschließend durch eine erste thermische Fluidenergie-Maschine13, die als hydrodynamischer Verdichter ausgebildet ist. Weiterhin führt die Leitung dann zu einem Wärmespeicher14. Dieser ist mit einer zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine15 verbunden, welche als hydrodynamische Turbine ausgeführt ist. Von der Turbine führt die Leitung11 zu einem Kältespeicher16. Der Kältespeicher16 ist mit dem Niedertemperatur-Wärmespeicher12 durch die Leitung11 verbunden, wobei in diesem Leitungsabschnitt außerdem ein Wärmetauscher17 vorgesehen ist, über den das Arbeitsgas Wärme an die Umgebung abgeben oder aus der Umgebung aufnehmen kann (je nach Betriebsart).A plant for storing thermal energy according to 1 has aline 11 on, with the several units are connected together so that they can be traversed by a working gas. The working gas flows through a low-temperature heat storage 12 and then through a first thermalfluid energy machine 13 , which is designed as a hydrodynamic compressor. Furthermore, the line then leads to aheat storage 14 , This is with a second thermalfluid energy machine 15 connected, which is designed as a hydrodynamic turbine. From the turbine leads theline 11 to acold storage 16 , Thecold storage 16 is with the low-temperature heat storage 12 through thepipe 11 connected, wherein in this line section also has aheat exchanger 17 is provided, via which the working gas can release heat to the environment or from the environment can absorb (depending on the mode).

In1 ist insofern ein geschlossener Kreislauf für das Arbeitsgas vorgesehen. Allerdings ist es in gleicher Weise vorstellbar, dass in nicht dargestellter Weise der Leitungsabschnitt zwischen dem Kältespeicher16 und dem Niedertemperatur-Wärmespeicher12 mitsamt dem Wärmetauscher17 entfällt. In diesem Fall würde der Kreislauf über die Umgebung geschlossen werden, wobei das Arbeitsgas, welches in diesem Fall aus Umgebungsluft besteht, am Niedertemperatur-Wärmespeicher12 angesaugt und nach dem Kältespeicher16 wieder in die Umgebung ausgeblasen würde.In 1 In this respect, a closed circuit for the working gas is provided. However, it is equally conceivable that in a manner not shown, the line section between thecold storage 16 and the low-temperature heat storage 12 together with theheat exchanger 17 eliminated. In this case, the cycle would be closed by the environment, the working gas, which in this case consists of ambient air, at the low-temperature heat storage 12 sucked and after thecold storage 16 blown back into the environment.

Weiterhin ist in1 eine dritte thermische Fluidenergie-Maschine18 in Form einer hydrodynamischen Turbine und eine vierte thermische Fluidenergie-Maschine19 in Form eines hydrodynamischen Verdichters vorgesehen. Zu bemerken ist weiterhin, dass die erste hydrodynamische Fluidenergie-Maschine13 in der Leitung11 mit der dritten hydrodynamischen Fluidenergie-Maschine18 parallel geschaltet ist und die zweite Fluidenergie-Maschine15 in der Leitung11 mit der vierten Fluidenergie-Maschine19 parallel geschaltet ist. Ventilmechanismen20 sorgen durch Öffnen und Schließen dafür, dass jeweils nur die erste und zweite Fluidenergie-Maschine oder die dritte und vierte Fluidenergie-Maschine durchflossen werden. Die erste und zweite Fluidenergie-Maschine13 und15 sind über eine erste Welle21 mechanisch miteinander gekoppelt und werden durch einen elektrischen Motor M angetrieben, der von einem Windkraftwerk22 gespeist wird, solange die erzeugte elektrische Energie im Stromnetz nicht nachgefragt wird. Während dieses Betriebszustandes werden der Wärmespeicher14 und der Kältespeicher16 aufgeladen, wie später noch genauer erläutert wird. Ist die Nachfrage an elektrischer Energie im Verhältnis zur aktuell erzeugten Menge an elektrischer Energie größer, so wird der durch das Windkraftwerk22 erzeugte Strom direkt in das Netz eingespeist. Zusätzlich unterstützt die Anlage in einem anderen Betriebszustand die Stromerzeugung, indem der Wärmespeicher14 und der Kältespeicher16 entladen werden und mit einer zweiten Welle23 durch die Fluidenergie-Maschinen18 und19 ein Generator G1 angetrieben wird. Die zweite Welle23 ist dazu mechanisch mit der dritten Fluidenergie-Maschine18 und der vierten Fluidenergie-Maschine19 gekoppelt.Furthermore, in 1 a third thermalfluid energy machine 18 in the form of a hydrodynamic turbine and a fourth thermalfluid energy machine 19 provided in the form of a hydrodynamic compressor. It should also be noted that the first hydrodynamicfluid energy machine 13 in thepipe 11 with the third hydrodynamicfluid energy machine 18 is connected in parallel and the secondfluid energy machine 15 in thepipe 11 with the fourthfluid energy machine 19 is connected in parallel.valve mechanisms 20 ensure by opening and closing that only the first and second fluid energy machine or the third and fourth fluid energy machine are flowed through. The first and secondfluid energy machines 13 and 15 are about afirst wave 21 mechanically coupled to each other and are driven by an electric motor M, by awind power plant 22 is fed as long as the electrical energy generated in the power grid is not in demand. During this operating condition, theheat storage 14 and thecold storage 16 charged, as will be explained in more detail later. If the demand for electrical energy in relation to the currently generated amount of electrical energy is greater, so will the by thewind power plant 22 generated electricity fed directly into the grid. In addition, the system supports power generation in another operating state by theheat storage 14 and thecold storage 16 be discharged and with asecond wave 23 through thefluid energy machines 18 and 19 a generator G1 is driven. Thesecond wave 23 is mechanical to the thirdfluid energy machine 18 and the fourthfluid energy machine 19 coupled.

Der Aufbau des Niedertemperatur-Wärmespeichers12, des Wärmespeichers14 und des Kältespeichers16 bei der Anlage gemäß1 ist jeweils gleich und wird durch eine Ausschnittsvergrößerung anhand des Kältespeichers16 näher erläutert. Vorgesehen ist ein Behälter, dessen Wand24 mit einem Isolationsmaterial25 versehen ist, welches große Poren26 aufweist. Im Inneren des Behälters ist Beton27 vorgesehen, der als Wärmespeicher oder Kältespeicher fungiert. Innerhalb des Betons27 sind Rohre28 parallel verlaufend verlegt, durch die das Arbeitsgas strömt und dabei Wärme abgibt oder Wärme aufnimmt (je nach Betriebsart und Speicherart).The structure of the low-temperature heat storage 12 , theheat storage 14 and thecold storage 16 at the plant according to 1 is equal in each case and is characterized by an enlarged detail based on thecold storage 16 explained in more detail. Provided is a container whose wall 24 with aninsulation material 25 which haslarge pores 26 having. Inside the container is concrete 27 provided, which acts as a heat storage or cold storage. Inside the concrete 27 arepipes 28 running parallel, through which the working gas flows and thereby gives off heat or absorbs heat (depending on the operating mode and type of storage).

Der Kältespeicher16 versorgt außerdem noch eine weitere Leitung31 mit der gespeicherten Kälte. Für diese Leitung31 ist ein nicht näher dargestelltes Kanalsystem im Kältespeicher16 vorgesehen, welches unabhängig von einem anderen Kanalsystem (ebenfalls nicht dargestellt) ist, welches mit der Leitung11 verbunden ist. Die Leitung31 gehört zu einem Kühlkreislauf, mit dem ein Kühlmedium wie z. B. Stickstoff vorgekühlt werden kann. Mit einer Pumpe32 wird dieses in dem Kühlkreislauf umgewälzt und auch durch ein Kühlaggregat in Form eines nicht näher dargestellten Thermosiphons hindurchgepumpt. Über verschiedene Ventile34 können Bypassleitungen35 in dem Kühlkreislauf hineingeschaltet werden, die jeweils mit Wärmetauscher36 verbunden sind. Die Wärmetauscher36 führen jeweils zu dem Motor M, dem Generator G1 und einem Generator G2 im Windkraftwerk22. Diese sind mit supraleitenden Komponenten, insbesondere Wicklungen, aus Hochtemperatursupraleitern versehen. Das Kühlmittel reicht aus, um diese Wicklungen auf einem Temperaturniveau zu halten, dass die supraleitenden Eigenschaften erhalten bleiben.Thecold storage 16 also supplies anotherline 31 with the stored cold. For thisline 31 is a not-shown channel system in thecold storage 16 provided, which is independent of another channel system (also not shown), which with theline 11 connected is. Theadministration 31 belongs to a cooling circuit, with a cooling medium such. B. nitrogen can be pre-cooled. With apump 32 this is circulated in the cooling circuit and also pumped through a cooling unit in the form of a thermosyphon, not shown. Aboutdifferent valves 34 can bypasslines 35 be switched into the cooling circuit, each withheat exchanger 36 are connected. Theheat exchangers 36 each lead to the engine M, the generator G1 and a generator G2 in thewind power plant 22 , These are provided with superconducting components, in particular windings, of high-temperature superconductors. The coolant is sufficient to keep these windings at a temperature level so as to preserve the superconducting properties.

In1 ist eine Variante des Kühlkreislaufes dargestellt, in der das Kühlaggregat außerhalb des Windkraftwerkes22 angeordnet ist. Um die Wege der zu isolierenden Leitung31 möglichst kurz zu halten, ist das Kühlaggregat jedoch in der unmittelbaren Nähe des Windkraftwerkes22 und des Motors M sowie des Generators G1 anzuordnen. Damit sollte auch der Kältespeicher16 in der Umgebung des Windkraftwerks22 angeordnet werden. Ein solcher Kältespeicher16 wird vorteilhaft jeweils nur einem oder einige wenige Windkraftwerke22 eines Windparks zugeordnet sein. Andererseits würden die Verluste aufgrund des Transportes der Kälte in der Leitung31 bzw. der Aufwand einer thermischen Isolierung zu hoch.In 1 a variant of the cooling circuit is shown, in which the cooling unit outside thewind power plant 22 is arranged. To the ways of theinsulated line 31 To keep as short as possible, the cooling unit is in the immediate Near thewind power plant 22 and the motor M and the generator G1. So should thecold storage 16 in the vicinity of thewind power plant 22 to be ordered. Such acold storage 16 will be advantageous only one or a fewwind power plants 22 be assigned to a wind farm. On the other hand, the losses would be due to the transport of cold in thepipe 31 or the cost of thermal insulation too high.

Anhand der Anlage gemäß den2 und3 sollen der thermische Auflade- und Entladeprozess näher erläutert werden. In2 ist zunächst der Ladeprozess dargestellt, der nach dem Prinzip einer Wärmepumpe funktioniert. Dargestellt ist im Unterschied zu1 in den2 und3 ein offener Kreislauf, der jedoch, wie strichpunktiert angedeutet, unter Einsatz des optional vorgesehenen Wärmetauschers17 geschlossen werden könnte. Die Zustände im Arbeitsgas, welche bei dem Ausführungsbeispiel der2 und3 aus Luft besteht, sind jeweils an den Leitungen in Kreisen dargestellt. Links oben ist der Druck in bar angegeben. Rechts oben wird die Entalpie in KJ/Kg angegeben. Links unten steht die Temperatur in °C und rechts unten wird der Massefluss in Kg/s angegeben. Die Flussrichtung des Gases ist durch Pfeile in der Leitung11 angedeutet.Based on the system according to 2 and 3 the thermal charging and discharging process will be explained in more detail. In 2 First, the charging process is shown, which works on the principle of a heat pump. Is shown in contrast to 1 in the 2 and 3 an open circuit, however, as indicated by dash-dotted lines, using theoptional heat exchanger 17 could be closed. The states in the working gas, which in the embodiment of the 2 and 3 consists of air, are each shown on the lines in circles. At the top left is the pressure in bar. Top right, the enthalpy is given in KJ / Kg. Bottom left is the temperature in ° C and bottom right is the mass flow in kg / s. The direction of flow of the gas is indicated by arrows in thepipe 11 indicated.

In der Modellrechnung gelangt das Arbeitsgas mit 1 bar und 20°C in den (vorher aufgeladenen) Niedertemperatur-Wärmespeicher und verlässt diesen mit einer Temperatur von 80°C. Durch Komprimierung mittels der als Verdichter arbeitenden ersten Fluidenergie-Maschine13 kommt es zu einer Druckerhöhung auf 15 bar und infolgedessen auch zu einer Temperaturerhöhung auf 547°C. Dieser Berechnung liegt folgende Formel zugrundeT₂ = T₁ + (T_2s – T₁)/η_c; T_2s = T₁π(K – l)/K, wobei

T₂

die Temperatur am Verdichterausgang,

T₁

die Temperatur am Verdichtereingang,

η_c

der isentropische Wirkungsgrad des Kompressors,

π

das Druckverhältnis (hier 15:1) und

K

die Kompressibilität ist, diebei Luft 1,4 beträgt.

In the model calculation, the working gas enters the (previously charged) low-temperature heat storage tank with 1 bar and 20 ° C and leaves it with a temperature of 80 ° C. By compression by means of working as a compressor firstfluid energy machine 13 it comes to a pressure increase to 15 bar and consequently also to a temperature increase to 547 ° C. This calculation is based on the following formula T₂ = T₁ + (T_2s - T₁ ) / η_c ; T_2s = T₁ π (K-1) / K, in which

T₂

the temperature at the compressor outlet,

T₁

the temperature at the compressor inlet,

η_c

the isentropic efficiency of the compressor,

π

the pressure ratio (here 15: 1) and

K

the compressibility is 1.4 with air.

Der isentropische Wirkungsgrad η_c kann einem Kompressor mit 0,85 vorausgesetzt werden.The isentropic efficiency η_c can be assumed to be a compressor with 0.85.

Das erhitzte Arbeitsgas durchläuft nun den Wärmespeicher14, wo der Hauptteil der verfügbaren thermischen Energie gespeichert wird. Während der Speicherung kühlt sich das Arbeitsgas auf 20°C ab, während der Druck (abgesehen von strömungsbedingten Druckverlusten) mit 15 bar erhalten bleibt. Anschließend wird das Arbeitsgas in zwei in Serie geschalteten Stufen15a,15b einer zweiten Fluidenergie-Maschine entspannt, so dass es auf einem Druckniveau von einem bar anlangt. Dabei kühlt sich das Arbeitsgas nach der ersten Stufe auf 5°C und nach der zweiten Stufe auf –114°C ab. Grundlage für diese Berechnung ist ebenfalls die oben angegebene Formel.The heated working gas now passes through theheat storage 14 where the bulk of the available thermal energy is stored. During storage, the working gas cools to 20 ° C, while the pressure (apart from flow-related pressure losses) is maintained at 15 bar. Subsequently, the working gas in two stages connected inseries 15a . 15b a second fluid energy machine relaxes, so that it reaches a pressure level of one bar. The working gas cools to 5 ° C after the first stage and to -114 ° C after the second stage. The basis for this calculation is also the formula given above.

In den Teil der Leitung11, der die beiden Stufen der zweiten Fluidenergie-Maschine15a,15b in Form einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine verbindet, ist zusätzlich ein Wasserabscheider29 vorgesehen. Dieser ermöglicht nach einer ersten Entspannung eine Trocknung der Luft, so dass die in dieser enthaltene Luftfeuchtigkeit in der zweiten Stufe15b der zweiten Fluidenergie-Maschine15 nicht zu einer Vereisung der Turbinenblätter führt (nur für den Fall eines offenen Kreislaufes notwendig).In the part of thepipe 11 , which is the two stages of the secondfluid energy machine 15a . 15b In the form of a high-pressure turbine and a low-pressure turbine connects, is also awater separator 29 intended. This allows after a first relaxation, a drying of the air, so that the humidity contained in this in thesecond stage 15b the secondfluid energy machine 15 does not lead to icing of the turbine blades (only necessary in case of an open circuit).

Im weiteren Verlauf entzieht das entspannte und daher abgekühlte Arbeitsgas dem Kältespeicher16 Wärme und wird dadurch auf 0°C erwärmt. Auf diesem Weg wird Kälteenergie im Kältespeicher16 gespeichert, die bei einer anschließenden Energiegewinnung genutzt werden kann. Vergleicht man die Temperatur des Arbeitsgases am Ausgang des Kältespeichers16 und am Eingang des Niedertemperatur-Wärmespeichers12, so wird deutlich, warum für den Fall eines geschlossenen Kreislaufs der Wärmetauscher17 zur Verfügung gestellt werden muss. Hier kann das Arbeitsgas wieder auf Umgebungstemperatur von 20°C aufgewärmt werden, wodurch der Umgebung Wärme entzogen wird, die dem Prozess zur Verfügung gestellt wird. Eine solche Maßnahme kann selbstverständlich entfallen, wenn das Arbeitsgas direkt aus der Umgebung angesaugt wird, da dies bereits Umgebungstemperatur aufweist.In the further course, the relaxed and therefore cooled working gas withdraws from thecold storage 16 Heat and is thereby heated to 0 ° C. In this way, cold energy is in thecold storage 16 stored, which can be used in a subsequent energy production. Comparing the temperature of the working gas at the outlet of thecold storage 16 and at the entrance of the lowtemperature heat storage 12 , it becomes clear why in the case of a closed circuit of theheat exchanger 17 must be made available. Here, the working gas can be reheated to an ambient temperature of 20 ° C, whereby the environment heat is removed, which is provided to the process. Of course, such a measure can be omitted if the working gas is sucked directly from the environment, since this already has ambient temperature.

Für die Kühlung ist in2 eine von der Variante in1 abweichende Ausführungsform dargestellt. Der Motor M und der Generator G1 weisen in diesem Fall keine supraleitenden Komponenten auf. Lediglich der Generator G2 im Windkraftwerk22, der aufgrund seiner Einbauhöhe in der Gondel des Windkraftwerkes eine möglichst geringe Masse aufweisen soll, nutzt die Vorteile, die mit supraleitenden Wicklungen und deren geringeren notwendigen Leiterquerschnitten verbunden sind. Die Leitung31 führt daher ohne Bypassleitungen direkt zum Windkraftwerk22. Das Kühlaggregat33 ist ebenfalls in der Gondel des Windkraftwerkes22 untergebracht, so dass die Wege des Kühlmediums zumindest im tiefen Temperaturniveau vorteilhaft gering gehalten werden können.For cooling is in 2 one of the variant in 1 variant embodiment shown. The motor M and the generator G1 in this case have no superconducting components. Only the generator G2 in thewind power plant 22 , which is due to its installation height in the nacelle of the wind power plant to have the lowest possible mass, uses the advantages associated with superconducting windings and their smaller necessary conductor cross-sections. Theadministration 31 therefore leads directly to the wind power plant withoutbypass lines 22 , Therefrigeration unit 33 is also in the nacelle of thewind power plant 22 accommodated, so that the paths of the cooling medium can be advantageously kept low, at least in the low temperature level.

Mittels3 kann der Entladezyklus des Wärmespeichers14 und des Kältespeichers16 nachvollzogen werden, wobei am Generator G1 elektrische Energie erzeugt wird. Anders als in1 werden in3 die erste Fluidenergie-Maschine13 und die zweite (zweistufige) Fluidenergie-Maschine15 sowohl im Lade- als auch im Entladezyklus verwendet. Dies beeinträchtigt das Funktionsprinzip der Anlage nicht, wird allerdings durch einen geringeren Wirkungsgrad erkauft. Abzuwägen sind daher der höhere Investitionsaufwand bei Verwendung zusätzlich einer dritten und einer vierten Fluidenergie-Maschine gegenüber dem Gewinn an Wirkungsgrad, der dadurch erreicht wird, dass bei Verwendung von vier Fluidenergie-Maschinen jede auf den entsprechenden Betriebszustand optimiert werden kann. Weiterhin ist wieder strichpunktiert die Alternative eines geschlossenen Kreislaufes dargestellt. Der Wasserabscheider29 ist in der Darstellung gemäß3 nicht dargestellt, da dieser nicht zum Einsatz gelangt.through 3 can the discharge cycle of theheat accumulator 14 and thecold storage 16 be traced, being generated at the generator G1 electrical energy. Unlike in 1 be in 3 the firstfluid energy machine 13 and the second (two-stage)fluid energy machine 15 used in both the charge and discharge cycle. This does not affect the operating principle of the system, however, is paid for by a lower efficiency. Therefore, the higher capital outlay when using additionally a third and a fourth fluid energy machine compared to the gain in efficiency, which is achieved by optimizing each to the corresponding operating state when using four fluid energy machines, is to be weighed. Furthermore, the alternative of a closed circuit is again shown in phantom. Thewater separator 29 is in the illustration according to 3 not shown, since this is not used.

Das Arbeitsgas wird durch den Kältespeicher16 geleitet. Dabei wird es von 20°C auf –92°C abgekühlt. Diese Maßnahme dient zur Reduzierung der Leistungsaufnahme, um die als Kompressor arbeitende zweite Fluidenergie-Maschine zu betreiben. Die Leistungsaufnahme wird um den Faktor entsprechend des Temperaturunterschiedes in Kelvin also 293K/181K = 1,62 reduziert. In dem Beispiel komprimiert der Kompressor das Arbeitsgas auf 10 bar. Hierbei steigt die Temperatur auf 100°C. Technisch vertretbar wäre auch eine Kompression von bis zu 15 bar. Das komprimierte Arbeitsgas durchläuft den Wärmespeicher14 und wird dadurch auf 500°C aufgeheizt, wobei der Druck leicht auf 9,8 bar abnimmt. Anschließend wird das Arbeitsgas durch die erste Fluidenergie-Maschine entspannt, die somit in diesem Betriebszustand als Turbine arbeitet. Es erfolgt eine Entspannung auf 1 bar, wobei am Ausgang der ersten Fluidenergie-Maschine immer noch eine Temperatur von 183°C im Arbeitsgas vorliegt.The working gas is through thecold storage 16 directed. It is cooled from 20 ° C to -92 ° C. This measure serves to reduce the power consumption in order to operate the compressor operating second fluid energy machine. The power consumption is reduced by the factor corresponding to the temperature difference in Kelvin, ie 293K / 181K = 1.62. In the example, the compressor compresses the working gas to 10 bar. The temperature rises to 100 ° C. Technically acceptable would be a compression of up to 15 bar. The compressed working gas passes through theheat storage 14 and is thereby heated to 500 ° C, the pressure slightly decreases to 9.8 bar. Subsequently, the working gas is expanded by the first fluid energy machine, which thus operates in this operating state as a turbine. There is a relaxation to 1 bar, wherein there is still a temperature of 183 ° C in the working gas at the output of the first fluid energy machine.

Um diese Restwärme ebenfalls ausnutzen zu können, wird das Arbeitsgas anschließend durch den Niedertemperatur-Wärmespeicher geleitet und kühlt sich dadurch noch auf 130°C ab. Diese Wärme muss gespeichert werden, um in einem nachfolgenden Ladeprozess des Wärmespeichers14 und des Kältespeichers16 zur Vorwärmung des Arbeitsgases auf 80°C zu dienen (wie oben bereits beschrieben). Der Niedertemperatur-Wärmespeicher arbeitet somit als Zwischenspeicher und wird immer gerade dann aufgeladen, wenn die beiden anderen Speicher, d. h. der Wärmespeicher14 und der Kältespeicher16 entladen werden und anders herum. Wie bereits erwähnt, wird das Funktionsprinzip der Anlage und des Verfahrens jedoch nicht eingeschränkt, wenn der Niedertemperatur-Wärmespeicher weggelassen wird.In order to be able to exploit this residual heat, the working gas is then passed through the low-temperature heat storage and thereby cools down to 130 ° C from. This heat has to be stored in a subsequent heatstorage charging process 14 and thecold storage 16 to preheat the working gas to 80 ° C (as already described above). The low-temperature heat storage thus operates as a buffer and is always charged just when the other two memory, ie theheat storage 14 and thecold storage 16 be unloaded and vice versa. As already mentioned, however, the operating principle of the system and the method is not limited if the low-temperature heat storage is omitted.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• US 2010/0257862 A1[0005]US 2010/0257862 A1[0005]
• US 5436508[0005]US 5436508[0005]

Claims (9)

Translated fromGerman

Anlage zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie, die einen Ladekreislauf für ein Arbeitsgas aufweist, wobei in dem Ladekreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch eine Leitung (11) für das Arbeitsgas miteinander verbunden sind: • eine erste thermische Fluidenergie-Maschine (13), • ein Wärmespeicher (14), • eine zweite thermische Fluidenergie-Maschine (15) und • ein Kältespeicher (16), wobei in Durchflussrichtung des Arbeitsgases vom Wärmespeicher (14) zum Kältespeicher (15) gesehen die erste thermische Fluidenergie-Maschine (13) als Arbeitsmaschine und die zweite thermische Fluidenergie-Maschine (15) als Kraftmaschine geschaltet ist,dadurch gekennzeichnet, dass der Kältespeicher (16) in einen von dem genannten Kreislauf verschiedenen Kühlkreislauf geschaltet werden kann, in dem folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durch eine Leitung (31) für ein Kühlmedium miteinander verbunden sind: • der Kältespeicher, • ein Kühlaggregat (33) und • ein zu kühlender Kälteabnehmer (G1, G2, M).Plant for storage and release of thermal energy, which has a charging circuit for a working gas, wherein in the charging circuit the following units in the order indicated by a line ( 11 ) are connected to each other for the working gas: a first thermal fluid energy machine ( 13 ), • a heat storage ( 14 ), A second thermal fluid energy machine ( 15 ) and • a cold storage ( 16 ), wherein in the flow direction of the working gas from the heat storage ( 14 ) to the cold storage ( 15 ) seen the first thermal fluid energy machine ( 13 ) as a work machine and the second thermal fluid energy machine ( 15 ) is connected as an engine,characterized in that the cold storage ( 16 ) can be switched to a different cooling circuit from said circuit, in the following units in the order specified by a line ( 31 ) are connected to one another for a cooling medium: the cold storage, a cooling unit ( 33 ) and • a chiller to be cooled (G1, G2, M).Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kälteabnehmer (G1, G2, M) eine elektrische Maschine mit supraleitenden Komponenten ist.Installation according to claim 1, characterized in that the refrigerated customer (G1, G2, M) is an electrical machine with superconducting components.Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine ein Generator G2 istInstallation according to claim 2, characterized in that the electric machine is a generator G2Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator G2 in eine Windkraftanlage (22) eingebaut ist.Installation according to claim 3, characterized in that the generator G2 in a wind turbine ( 22 ) is installed.Anlage nach einem der Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine ein Motor M ist, der mit der ersten thermischen Fluidenergie-Maschine (13) mechanisch gekoppelt ist.Plant according to one of claims 2 or 4, characterized in that the electric machine is a motor M which is connected to the first thermal fluid energy machine ( 13 ) is mechanically coupled.Anlage nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine ein Generator G1 ist der mit der • mit der ersten thermische Fluidenergie-Maschine (13) gekoppelt ist oder • mit einer dritten thermischen Fluidenergie-Maschine, wobei die dritte thermische Fluidenergie-Maschine (18) mit der ersten thermischen Fluidenergie-Maschine (13) sowie mit der zweiten thermischen Fluidenergie-Maschine (15) eine vierte thermische Fluidenergie-Maschine (19) im Lade- und Entladekreislauf parallel geschaltet ist, wobei jeweils ein Ventilmechanismus (20) zwischen der ersten und der dritten sowie der zweiten und der vierten thermischen Fluidenergie-Maschine vorgesehen ist.Installation according to one of Claims 2, 4 or 5, characterized in that the electric machine is a generator G1 which is connected to the first thermal fluid energy machine ( 13 ) or • with a third thermal fluid energy machine, wherein the third thermal fluid energy machine ( 18 ) with the first thermal fluid energy machine ( 13 ) as well as with the second thermal fluid energy machine ( 15 ) a fourth thermal fluid energy machine ( 19 ) is connected in parallel in the charge and discharge circuit, wherein in each case a valve mechanism ( 20 ) between the first and the third and the second and the fourth thermal fluid energy machine is provided.Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die supraleitende Komponente ein Hochtemperatur-Supraleiter, insbesondere Bi2223 oder YBCO, zum Einsatz kommt.Plant according to one of Claims 2 to 6, characterized in that a high-temperature superconductor, in particular Bi2223 or YBCO, is used for the superconducting component.Verfahren zur Speicherung und Abgabe von thermischer Energie, bei dem ein Arbeitsgas einen Kreislauf durchläuft, wobei in dem Kreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge durchflossen werden: • eine erste thermische Fluidenergie-Maschine (13), • ein Wärmespeicher (14), • eine zweite thermische Fluidenergie-Maschine (15) und • ein Kältespeicher (16), wobei die erste thermische Fluidenergie-Maschine (13) als Arbeitsmaschine und die zweite thermischen Fluidenergie-Maschine (15) als Kraftmaschine betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältespeicher (16) bei Bedarf in einen von dem genannten Kreislauf verschiedenen Kühlkreislauf geschaltet wird, wobei in dem Kühlkreislauf folgende Einheiten in der angegebenen Reihenfolge von einem Kühlmedium durchflossen werden: • der Kältespeicher, • ein Kühlaggregat (33) und • ein zu kühlender Kälteabnehmer (G1, G2, M).Process for the storage and release of thermal energy, in which a working gas flows through a circuit, wherein the following units are flowed through in the circuit in the sequence indicated: a first thermal fluid energy machine ( 13 ), • a heat storage ( 14 ), A second thermal fluid energy machine ( 15 ) and • a cold storage ( 16 ), wherein the first thermal fluid energy machine ( 13 ) as a work machine and the second thermal fluid energy machine ( 15 ) is operated as an engine, characterized in that the cold storage ( 16 ) is switched, if necessary, in a different cooling circuit from said circuit, wherein in the cooling circuit the following units in the order given by a cooling medium flows through: • the cold storage, • a cooling unit ( 33 ) and • a chiller to be cooled (G1, G2, M).Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium Stickstoff verwendet wird.A method according to claim 8, characterized in that nitrogen is used as the cooling medium.

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