Betriebsarten der Neuen Thermospeicher-Technologie

Der Kernpunkt der Neuen Thermospeicher-Technologie besteht neben der gleichzeitigen Be- und Entladung in der flexiblen Verschaltung der Module untereinander, die es ermöglicht,
  1. stark fluktuierende Beladeströme effizient zu verteilen und zu speichern, und
  2. gespeicherte Wärmeenergie auf niedrigem Temperaturniveau mit zur Rück­verstromung auszunutzen, weil
  3. Module unterschiedliche, individuelle Temperaturen haben können, die
  4. Bei Bedarf nacheinander durchströmt werden und somit
  5. Zu einer stufenweisen Temperaturänderung des Gasstromes führen.
Hierzu werden einzelne Module selektiv und gezielt angesteuert und nach Bedarf in Reihe oder parallel oder einer Kombination hieraus geschaltet. Die Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung und die Reihenfolge der Durchströmung der einzelnen Module mit Heiz­medium wird elektronisch und automatisch mit Ventilen gesteuert. Temperatur­messeinrichtungen an jedem Modul sind mit einer zentralen elektronischen Steuerung verknüpft, die Ventile betätigt und so die Strömungs­wege zu und zwischen den Modulen steuert

Warum ist das erforderlich? Nachgeschaltete Wärmekraftmaschinen zur Rückverstromung benötigen eine Mindesttemperatur. Je höher die Temperatur, desto höher der Wirkungsgrad. Es nützt also niemanden, wenn alle Module des Wärmespeichers beispielsweise 450°C haben. Besser ist es, mindestens ein heisses Modul erreicht schnell 600°C und ein anderes zunächst nur 300°C.

Sukzessive Aufladung einzelner Module



 

Die zugeführte Wärmemenge wird hier durch die externe Verteil- bzw. Beladerohrleitung konzentriert auf Modul 5 gegeben und die Temperatur steigt nur dort an. Module 1 bis 4 sind bereits aufgeladen. Bei Erreichen einer gewünschten Temperatur der Speiche­rmasse wird auf ein anderes Modul umgeschaltet.
Das Medium verlässt die Anlage dann durch eine externe Sammel­leitung und kehrt zurück zur Wärmequelle.
Bei dieser Betriebsart kann Wärme gezielt und konzentriert auf ein bestimmtes Modul gegeben werden. Dieser Modus ist auch vorteilhaft, wenn eine länger zur Verfügung stehende geringere Wärmemenge eingespeist wird, es aber sicher­gestellt sein soll, dass zumindest ein Modul stets über eine Mindest­temperatur verfügen soll.

Auf diese Weise kann auch ein ausgewähltes Modul gezielt nachgeheizt werden.

Parallele Aufladung


Parallele Aufladung einzelner Module des HT-Wärmespeichers
Die zugeführten Wärmemengen und die Temperaturanstiege sind bei den beteiligten Modulen 1-6 gleich, erst zum Ende des Ladevorganges wird in der Anlage irgendwo die Maximal­temperatur erreicht.
Dieser Betriebsmodus ist vorteilhaft, wenn eine sehr grosse Wärmemenge (z.B. Spitzen­leistung aus Windenergie) gleichmässig verteilt werden soll.

Parallele und teil-serielle Aufladung einzelner Module



 
Das einströmende heisse Wärmeträgermedium gibt hierbei zunächst Energie gleichzeitig an -beispielsweise- die ersten drei Module ab. Deren Temperatur gleicht sich im Laufe der Zeit der des einströmenden Gases an und die Effizienz des Wärme­austausches verschlechtert sich. Es verlässt dann diese Bereiche über interne Rückström­leitungen mit noch relativ hoher Rest­temperatur und strömt dann über eine externe Bypass­rohrleitung in das nachfolgende Modul 4 ein. Das Wärmeträger­medium kühlt sich hier weiter ab.

Dieser Vorgang wiederholt sich in den nachgeschalteten Modulen 5 und 6, so dass das Medium stufen­weise abgekühlt und die Module 4-6 stufenweise mit jeweils niedrigerer Temperatur erhitzt werden. Der Gasstrom verlässt dann Modul 6 mit minimaler Temperatur und strömt erst dann durch die externe Auslass­leitung zurück zur Wärmequelle.
Da die Effizienz des Wärmeaustausches bei hohen Temperatur­differenzen am grössten ist, nimmt sie in den beiden erst­gennannten Betriebsmodi in den beteiligten Modulen kontinuierlich ab, viel Wärme zirkuliert im Beladestrom. Eine serielle Aufladung führt hier jedoch dazu, dass auch noch die Restwärme (nach Erwärmung der ersten drei Module) mit ausgenutzt wird, sofern die letzten durch­strömten Module noch entsprechend kalt sind,

Serielle Aufladung



 
Die konsequente Anwendung der seriellen Aufladung: Der Mediumstrom gelangt über die externe Einlass­rohrleitung in Modul 1. Danach strömt es über die interne Rückström­leitung und externer Bypassleitung zum nächsten Modul. Dies wiederholt sich in allen nach­folgenden bis zum letzten Modul.

Modul 1 wird sehr schnell auf höchste Temperatur aufgeladen. Der Gasstrom verliert in den nach­geschalteten Modulen kontinuierlich an Temperatur, die Module erwärmen sich entsprechend kaskadenartig. Das Wärmeträger­gas verlässt den Neuen Thermo-Speicher mit der geringst möglichen Temperatur.
Diese Konfiguration erfordert geeignete Rohrleitungs­durchmesser innerhalb der Wärme­träger­masse, so dass nur akzeptable Druck­verluste auftreten.

Es ergibt sich ein Temperaturgefälle von Modul 1 bis Modul 6, welches den optimalen Fall darstellt. Eine Aufladung, die dazu führt, dass zum Ende der Beladung alle Module die gleiche Temperatur haben, nämlich die Maximal­temperatur, ist dagegen nicht anzustreben. Dies bedeutete lediglich, dass die Aufnahme­kapazität der Anlage erschöpft ist und sie zu klein dimensioniert ist. Der elektrische Wärmespeicher­wirkungsgrad wäre geringer, weil zum Erreichen eines solchen Zustandes bereits viel heisses Gas unnütz zwischen Wärme­quelle und Speicher zirkuliert wäre.

Parallele Entladung


Serielle Beladung des HT-Wärmespeichers
Es erfolgt im Beispiel eine parallele Entladung der Module 2 und 3. Der aufgeheizte Medium­strom verlässt den Speicher mit einer Misch­temperatur beider Module.

Diese Konfiguration bietet sich an, wenn durch Auswahl zweier oder mehrerer Module deren Temperatur gezielt gemischt werden soll. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die Temperatur­niveau eines der kälteren Module nicht ausreicht, eine nach­geschaltete Wärme­kraftmaschine zu betreiben.

Es ist auch der Fall denkbar, dass die Leistung der Wärmekraft­maschine temporär gesteigert wird und hierfür eine grössere Luftmenge erforderlich ist.

Serielle Entladung



 

Die vorteilhafteste Betriebsweise ist die serielle, das heisst stufenweise Entladung. Die Abbildung zeigt diesen Vorgang anhand der Module 6 bis 3. Das Medium strömt zuerst in das kälteste Modul (6) ein, wird dort vorgewärmt, und bewegt sich danach nach­einander in das jeweils nächst­wärmere Modul. Auf diese Weise wird das Medium stufen­weise erhitzt und auch die thermische Energie auf niedrigem Temperatur­niveau aus dem kältesten Modul kann genutzt werden.
Dies entspricht einem Gegenstrom­wärmeaustausch mit der seriellen Beladung, die ein Temperatur­gefälle von Modul 1 bis Modul 6 erzeugt hat.

Die Entnahme der thermischen Energie muss nicht bis zum heissesten Modul erfolgen. Das Wärmeträger­fluid kann aus der Anlage geführt werden, sobald seine Temperatur ausreichend hoch ist (im Beispiel bei Modul 3), um eine Rück­verstromung in einer Wärmekraft­maschine zu ermöglichen. Das Temperatur­niveau aus den nicht beteiligten Modulen (im Beispiel Module 1 und 2) bleibt vorerst verschont. Wenn im Laufe der Entladung die Temperaturen der bis dato aktiven Module zurückgehen, kann dann auch zusätzlich eine Rest­erhitzung durch Wärme­entnahme aus den bislang unbenutzten heisseren Modulen erfolgen.

Somit werden zuerst die kältesten Module entladen und dann die heissesten.

Serielle Entladung



 

Die serielle Entladung aus vorigem Beispiel wurde fortgeführt und Modul 2 hinzugeschaltet. Der Wärmevorat des Modul 6 ist inzwischen erschöpft. Die Wärmeentnahme erfolgt daher nun von Modul 5 bis 2.
Da der Sinn des Neuen Thermo-Speichers darin besteht, eine konstante Energie­menge zur Rück­verstromung, die sich an der Nennleistung der nach­geschalteten Wärmekraft­maschine orientiert, zu ermöglichen, ist ein Abzug von Höchst­leistung parallel aus mehreren Modulen oder das sofortige Entladen des jeweils heissesten Moduls nicht erforderlich, aber dennoch möglich. Die Neue Wärmespeicher-Technologie zielt insgesamt daraufhin ab,
  • bei der Aufladung,
  • mit der gespeicherten Wärme,
  • sowie bei der Entladung
ein Höchstmass an Effizienz zu erreichen.

Weitere Vorteile der  Neuen Termospeicher-Technologie

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  • Dipl. Ing. Thomas Seidenschnur
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