Heat 2 Power:
Neue Thermospeicher-Technologie []

Merkmale der Neuen Thermospeicher-Technologie

Bei der Neuen Thermospeicher-Technologie handelt es sich um die vielseitigste und effizienteste Möglichkeit, Wärme zwecks Rückverstromung zu speichern. Im Bereich der Speicherung von thermischer Energie gab es bislang einige Grund­voraussetzungen, die hier nicht zum Tragen kommen und neu gedacht wurden:

1. Die Auskopplung von Wärme soll an dieser Stelle zweitrangig sein, aber dennoch möglich. Die Priorität bei der Neuen Thermospeicher-Technologie ist die Erzeugung und Glättung von Elektrizität.
2. Bisherige Wärmespeicher unterscheiden klar zwischen Belade- und Entladezyklus. Die Neue Thermo­speicher-Technologie soll als eine Anlage funktionieren, bei der dies simultan durch getrennte Medien­kreisläufe möglich ist. Worin besteht der Vorteil?
   • Mehrere Wärmequellen liefern unregelmässig ihre Energie an den Speicher. Die nachgeschaltete Wärme­kraftmaschine soll aber durchgehend laufen.
   • Belade- und Entladestrom können unterschiedliche Fluide verwenden. Oft ist eine externe Wärme­übertragung beziehungs­weise Auskopplung von Wärme an einen Sekundär­kreislauf nicht erforderlich.
   • Der Wärmeeintrag unterschreitet gelegentlich die Mindesttemperatur, die eine nachgeschaltete Wärme­kraftmaschine benötigt. Sie kann aber dennoch kontinuierlich Strom erzeugen. Insgesamt soll ein konstanter Betrieb zur nachgeschaltete Stromerzeugung ohne ständiges An- und Abfahren der Wärme­kraftmaschine gewährleistet werden.
   • Es soll parallel zur Stromerzeugung auch Wärme zu Heizzwecken ausgekoppelt werden können. Dies macht in gewissen Jahres­zeiten nur Sinn, wenn diese kontinuierlich und durchgängig zur Verfügung steht. Das benötigte Temperatur­niveau liegt hierfür deutlich tiefer als das zur Strom­erzeugung erforderliche. Die Neue Thermospeicher-Technologie kann leicht so konfiguriert werden, dass zwei verschieden heisse Gasströme gleichzeitig entnommen werden.
   • Wenn eine nachgeschaltete Wärme­kraftmaschine im Umluftkreislauf mit dem Thermo­speicher installiert ist, kann der Gasstrom nach Abgabe seiner Energie an die Wärme­kraftmaschine zunächst seine Rest­wärme an den Speicher zurückgeben, um danach im Gegen­strom wieder aufgeladen zu werden. Auf diese Weise wird ein Temperatur­gefälle im Wärmespeicher aufrecht­erhalten und das Temperatur­niveau der heissesten Module bleibt vorerst verschont.

Die Neue Thermospeicher-Technologie ist anderen Wärmespeichern durch eine Kombination von Vorteilen voraus, die auf folgenden Punkten basiert:

• Optimale Kombination der verwendeten Materialien der Wärmespeicher­masse. Ein hoher Anteil von Stahl sorgt für kurze Ansprechzeiten.
• Die Aufladung und Entladung erfolgt in unterschiedlichen Rohrleitungs­systemen. Es ist also nicht notwendig, die Aufladung zu beenden, um Wärme zu entnehmen.
• Der Speicher besteht aus einem Paket einzelner Module, die unabhängig voneinander angesteuert werden können und in denen darum auch unabhängig voneinander unterschiedliche Temperatur­niveaus herrschen können.
• Die einzelnen Module können in Reihe, seriell oder parallel geschaltet werden und somit jeder Anforderung (Aufladungs­geschwindigkeit und -effizienz, Tieftemperatur­nutzung, etc.), gerecht werden.
• Eine serielle Verschaltung der Module untereinander führt zu einer stufenweisen Aufladung beziehungs­weise Entladung, so dass auch Restwärme auf niedrigem Temperatur­niveau mit ausgenutzt werden kann.
• Man kann auf diese Weise einen Gegenstrom-Wärmes­austausch realisieren, der auch die Nutzung von Wärme bei eigentlich für Wärme­kraftmaschinen zu tiefen Temperaturen ermöglicht. Man muss Wärme mit tieferer Temperatur nun nicht mehr einfach verheizen, sondern sie kann an der Erzeugung von Strom teilhaben: "Power To Heat To Power".
• Die Anlage basiert trotz hoher Performance auf einem bestechend einfachem Aufbau.

Systemarchitektur der Neuen Thermospeicher-Technologie

• Ein oder mehrere wärmeisolierte Gehäuse beherbergen eine Wärmespeicher­masse aus einem feinem Schüttgut, etwa Quarzsand. Die Wärme­speicher­masse ist in räumlich gerennte Einheiten unterteilt ("Module"). Die Module sind durch Rohrleitungen verbunden.
  
  

  

• Jedes Modul des Wärmespeichers wird von mindestens zwei Rohrleitungs­systemen durchzogen: dem Auflade­rohrleitungs­system (beziehungsweise den -systemen) und dem Entlade­rohr­leitungs­sytem (beziehungsweise den -systemen). Durch diese fliessen die Wärme­träger­medien, meistens Luft, in getrennten Kreisläufen. Die Wärme­speicher­masse wird durch die Durch­strömung erhitzt beziehungs­weise gekühlt. Das feinkörnige Schüttgut und die Stahlrohr­leitungen leiten die Wärme annäherungs­weise wie ein kompakter Festkörper.

  

  Die Leitungs­systeme durchdringen sich gegenseitig, sie nehmen den gleichen Platz ein
  
• Ausserhalb des wärmeisolierten Gehäuses gibt es Sammel­rohr­leitungen zum Verteilen der eintreffenden Strömung auf die Module beziehungs­weise zum Sammeln der austretenden Strömungen aus den Modulen.
• Die Module sind untereinander ausserdem jeweils durch Bypass- und Rückström­leitungen verbunden, die es ermöglichen, dass das Wärme­träger­fluid nach dem Austritt zunächst ein weiteres Modul durchströmt. Dies betrifft sowohl das Auflade­rohrleitungs­system als auch das Entlade­rohr­leitungs­sytem.

Konfiguration der Neuen Thermospeicher-Anlage

Die Wärmespeichermasse

Die Wärme wird gleichzeitig in verschiedenen Materialien gespeichert:

• Stahlrohrleitungen: Aufladerohrleitungssystem und Entladerohrleitungssytem haben einen gross­zügigen Innen­durchmesser und grosse Wanddicke. Hierdurch ergibt sich ein hoher Gewichts­anteil von Stahl an der gesamten Wärme­speicher­masse.
• Schüttgut: Geeignet ist zum Beispiel Quarzsand. Typische Eigenschaften: Korngrösse ab 0.06 mm, keine Bildung von Hohlraum­brücken, Schmelzpunkt ca.1500°C

Aufbau der Module

Die Module eines Speichers sind in Gruppen zusammengefasst und liegen Wand-an-Wand. Mehrere Speicher arbeiten parallel und können selektiv hinzugeschaltet werden.

Die vorgesehene räumliche Integration aller drei Rohrleitungs­systeme ist bestimmt durch die Installations­reihenfolge, die gesamten Rohrleitungs­längen und die thermischen Strömungs­strecken durch das Speicher­medium.

Die Modul­abmessungen werden aus System­beschränkungen abgeleitet: Luftmassen­strom des Heißgasmotors, Rohr­durchmesser und -geschwindigkeit, zulässiger Druckverlust, Wärme­leitung zwischen den Rohren und Sand und aus Standard­rohrlängen. Diese Parameter definieren die Anzahl der parallelen Rohre und die Gesamtgeometrie.

Funktionsweise der Neuen Thermospeicher-Technologie

Beladung: Ein erster Mediumstrom zirkuliert zwischen Wärmequelle und zunächst kaltem Speicher. Er wird durch das externe Verteil­rohrleitungs­system einem oder mehrerer Module zugeführt. Das Auflade­rohrleitungs­system erhitzt durch direkten Kontakt die Sand­schüttung, in das es eingebettet ist. Der Sand erhitzt sich selbst und das Entlade­rohrleitungs­sytem.

Nach der Wärmeabgabe an den Speicher kehrt das Medium abgekühlt durch die externe Sammel­leitung zur Wärmequelle zurück, erhitzt sich dort erneut und gelangt danach wieder zu den Speichermodulen.

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Entladung: Die Entladung erfolgt unabhängig und bei Bedarf auch gleichzeitig zum Beladevorgang. Ein zweiter Mediumstrom zirkuliert zwischen heissem Wärme­speicher und Wärme­kraftmaschine. Hier wird die dem Speicher entnommene Wärme in Elektrizität umgewandelt.

Beim Entladevorgang überträgt das Entlade­rohrleitungs­sytem Wärme auf das Wärmeträger­fluid, die es vorher vom Sand aufgenomen hat. Es werden hierbei komplett andere Rohr­leitungen als bei der Beladung verwendet.

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Temperaturverteilung: Die Wärme ist insgesamt im Auflade­rohrleitungs­system, im Sand und im Entlade­rohrleitungs­sytem gespeichert und wird jeweils durch direkten Kontakt von einem Material zum anderen übertragen.

Die gegenseitige Durchdringung der Rohrleitungs­systeme sorgt für eine homogene Verteilung der Wärme im Modul. Es gibt keine "Wärmefront", die sich im Inneren fortpflanzt.

Die meisten mineralischen Schüttgüter sind schlechte Wärmeleiter. Die spezielle Anordnung der Einbauten sorgt jedoch dafür, dass jeder Punkt im Inneren des Moduls in der Nähe eines metallischen Elements liegt und die Wärme überall nur sehr kurze Distanzen zurücklegen muss.

Die Rohrleitungen sind so gestaltet, dass beim Beladen zuerst der innerste Bereich erhitzt wird. Beim Entladen wird zuerst die Wärme aus den äusseren Bereichen der Wärmespeicher­masse aufgenommen und zum Schluss der heisse, innere Bereich durchströmt. Auf diese Weise wird der Wärme­abfluss zur Aussenwand gemindert.

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Beladedynamik: Die Module sind in Serie geschaltet und lassen sich hochdynamisch beladen und entleeren. Heisse Luft strömt in das erste Modul und erhitzt hier die internen Rohrleitungen. Die Rohr­leitungen erhitzen den Sand. Da der Sand langsamer als die metallischen Einbauten die Wärme leitet, erhitzt er sich verzögert. MIt zunehmender Erwärmung der Speicher­masse erhöht sich auch die Temperatur der austretenden Luft. Dessen Wärme wird genutzt, um die nachfolgenden Module zu erhitzen.

DIe Temperatur der Speichermasse nähert sich asymptotisch der der zugeführten Luft an. Sobald ein Modul ausreichend aufgeladen ist, wird die heisse Luft direkt in das nächste (bereits vorgewärmte) Modul eingeleitet.

Zu Beginn des Aufladevorganges ist der Wärmeaustausch am effizientesten. Mit zunehmender Erwärmung der Speichermasse nimmt die Temperatur der austretenden Luft zu (andere Hersteller von Wärme­speichern verschweigen das). Darum wird diese Wärme genutzt, die nachfolgenden Module vorzuwärmen.

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Steuerung: Temperaturmesseinrichtungen sind mit einer zentralen Steuer­einheit verknüpft, die Ventile ansteuert und so die Strömungs­wege steuert.

Die Module werden dadurch beim Aufladen und beim Entladen, je nach Situation und Bedarf, jeweils einzeln (aufeinander wechselnd), nacheinander (seriell), gleichzeitig (parallel) oder aus einer Kombination hieraus durchströmt.

Durch die Wärme­übertragung beim Durch­strömen eines Moduls ergibt sich, dass das Gas ein Modul mit einer Temperatur­änderung im Vergleich zum Eintritt verlässt. Wenn Module in Reihe geschaltet werden, lässt sich eine kaskaden­artige Temperatur­änderung über alle beteiligten Module realisieren. Es können auch Misch­temperaturen durch Parallel­schaltung erzielt werden.

Es ergeben sich hierdurch zahlreiche mögliche Betriebsmodi der  Neuen Termospeicher-Technologie