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:
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. Heat to Power !
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.
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.
Bestandteile 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").
Beispielanordnung der Module
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.
Beispiel für einfaches Belade- und Entladerohrleitungssysteme eines Moduls.
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.
Aufbau der Neuen Thermospeicher-Technologie
Beispielkonfiguration: Serielle Beladung der Module des HT-Thermospeichers
Beispielkonfiguration: Serielle Entladung der Module des HT-Thermospeichers
Bauformen
Die Anlage besteht grundsätzlich aus einzelnen, aber untereinander verbundenen Wärmespeichereinheiten („Modulen“). In den folgenden Abbildungen sind -wie oben- der einfachen Veranschaulichung halber beispielhaft jeweils sechs quaderförmige Module vorgesehen. Die Darstellung der Module in Quaderform soll hierbei nur die Funktionsweise veranschaulichen. Eine optimale Ausgestaltung hinsichtlich Reduktion der Wärmeverluste und Minimierung des Materialaufwandes könnte vielmehr auch eine zylindrische Form vorsehen. Der Speicher kann hierbei aus konzentrisch oder geschichteten oder in Sektoren angeordneten Modulen oder einer Kombination hieraus aufgebaut sein. Quaderförmige Module lassen sich dagegen leichter um weitere Module erweitern.
Beispiele für mögliche Geometrien:
Beispiele für Geometrien des Wärmespeichers: gestapelt-zylindrisch und gestapelt-quaderförmig
Die Wärmespeichermasse
Die Wärme wird gleichzeitig in verschiedenen Materialien gespeichert:
Aufladerohrleitungssystem und Entladerohrleitungssytem sind aus Stahl. Um die Durchströmung mehrerer Module nacheinander zu ermöglichen und die Strömungswiderstände gering zu halten, haben diese einen grosszügigen Innendurchmesser. Hierdurch ergibt sich ein hoher Gewichtsanteil von Stahl an der gesamten Wärmespeichermasse.
Einem feinem Schüttgut, zum Beispiel Quarzsand. Typische Eigenschaften: Korngrösse ab 0.06 mm, keine Bildung von Hohlraumbrücken, Schmelzpunkt ca.1500°C
Optional können Formsteine, zum Beispiel Schamotte, in den Zwischenräumen eingelagert werden.
Schmelzkerne: Dies sind hermetisch abgeschlossene, horizontal angeordnete Rohre mit einer Füllung aus einer Latentwärmespeichermasse, wie Aluminium, sowie einer kleinen Menge komprimierbaren Füllgas zum Ausgleich von Volumenänderungen beim Phasenwechsel. Durch den Phasenwechsel beim Schmelzen/Erstarren der Latentwärmespeichermasse wird erhebliche Wärme aufgenommen/abgegeben.
Beispiel für den Aufbau eines Moduls mit Einbauten
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, das Entladerohrleitungssytem und die Schmelzkerne.
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.
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 und den Schmelzkernen aufgenomen hat. Es werden hierbei komplett andere Rohrleitungen als bei der Beladung verwendet.
Temperaturverteilung: Die Wärme ist insgesamt im Aufladerohrleitungssystem, im Sand, in den Schmelzkernen 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.
Im dargestellten Beispiel sind die Rohrleitungen 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.
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.
Beispiel für den Füllgrad seriell verschalteter 2000 kWh-Module bei 600 kW-Einspeisung in das erste Modul
Die Erhitzung der Speichermasse erfolgt exponentiell, wobei sich die Temperatur asymptotisch der der zugeführten Luft annähert. Sobald ein Modul ausreichend aufgeladen ist, wird die heisse Luft direkt in das nächste (bereits vorgewärmte) Modul eingeleitet.
Beispiel für den Temperaturverlauf seriell verschalteter 2000 kWh-Module bei 600 kW-Einspeisung in das erste Modul
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.
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.
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