Heat 2 Power:
Neue Thermospeicher-Technologie []

Vorteile der Neuen Thermospeicher-Technologie

Optimale Kombination der verwendeten Materialien der Wärmespeichermasse

• Die verwendeten Materialien sind kostengünstig, ressourcen­genügsam, ökologisch unbedenklich, einfach zu verarbeiten.
• Die gewählte Konfiguration führt zu hoher Energiespeicherdichte, wenig Platzbedarf, hoher Temperatur­belastbarkeit und praktisch unbegrenzter Zyklen­festigkeit. Die volumetrische Wärmespeicherdichte ist aufgrund der verwendeten Materialien und des kleineren Lücken­volumens beispielsweise um den Faktor 4 bis 8 mal höher als ein Wärme­speicher aus Lavagestein.
• Vergleichsweiser geringer Druckverlust beim Durchströmen. Definierte Strömungs­wege erlauben präzise Auslegung.
• Kein Staub (Abrieb Speichermasse, wie in durchströmten Schüttungen) im Luftkreislauf. Darum keine Hochtemperatur-Filter erforderlich.
• Homogene Temperaturverteilung im Inneren eines jeden Moduls ohne eine durch den Speicher wandernde "Wärmefront", darum gezielter Einsatz des Moduls mit definierter aktueller Temperatur in paralleler oder serieller Verschaltung. Es gibt kein grosses Lückenvolumen wie bei groben Schüttungen von Gestein oder Granulaten. Hier sucht sich das Gas den Weg des geringsten Widerstandes und führt zu ungleichmässiger Durchströmung und Totbereichen. Eine "Wärmefront" ist de facto nicht realisierbar.
• Erst die Kombination aus Stahlrohren und Mineralien erlaubt den Einsatz von getrennten Kreisläufen des Belade- und Entladestromes (siehe unten) sowie unterschiedlicher Medien für Beladung und Entladung.
• Wärmeeintrag über Heissgasdurchströmung und auch direkt über eingebettete Widerstands­heizungen (zum Beispiel zum gezielten Nachheizen) möglich.
• Die Ruheverluste der gespeicherten Energie hängen von den individuellen Parametern (Temperatur­bereiche, Art der Isolierung, Geometrie, etc.) ab und betragen erfahrungs­gemäss bei Speichern dieser Art ca. 2 ... 4 % pro Monat.

Getrennte Kreisläufe des Belade- und Entladestromes

DIe Funktion von bisherigen Thermo­speichern beschränkt sich meist darauf, Wärme aufzunehmen und sie danach wieder abzugeben. Meist erfolgt dies durch Umkehr der Durchströmungs­richtung.

Die Neue Thermospeichers-Technologie kann gleichzeitig Wärme aufnehmen und abgeben, weil die Beladung und die Entladung in getrennten Rohr­leitungs­systemen erfolgt. Bestimmte Bereiche des Speichers verfügen dabei so lange wie möglich über eine praktikable Mindest­temperatur zur Rück­verstromung.

• Der Speicher kann mit überschüssigem elektrischen Strom oder mit industrieller Abwärme beladen werden.
• Die Restwärme nach Abgabe der Energie an eine nachgeschaltete Wärme­kraftmaschine ist keine Abwärme, sondern wird dem Speicher wieder zugeführt.

  

• Zum Entladen muss die Beladung nicht erst gestoppt werden. Keine Bedienung am Gerät erforderlich. Kein Zeitverzug.
• Eine nachgeschaltete Wärme­kraftmaschine kann darum kontinuierlich bei konstanter Dehzahl arbeiten,
• Eine nachgeschaltete Wärme­kraftmaschine kann auch dann kontinuierlich arbeiten, wenn die Strom- oder Wärme­quelle (Windrad, industrielle Abwärme etc.) nur schwankend oder zyklisch Wärme bereitstellt. Bei bisherigen Speichern müsste eine nachgeschaltete Turbine ständig anfahren und abschalten.
• Eine nachgeschaltete Wärme­kraftmaschine kann auch dann kontinuierlich arbeiten, wenn die in den Speicher geleitete Wärme zeitweise die für den Betrieb erforderliche Mindest­temperatur unterschreitet.

  Die folgende Graphik beschreibt beispielhaft den zeitlichen Verlauf solch einer schwankenden Wärme-Einleitung. Bei ca. 40% der Zeit (horizontale Achse) ist die Temperatur (vertikale Achse) unterhalb der verwert­baren Mindest­temperatur („Tmin“) für eine Rück­verstromung. Bei herkömmlichen Wärme­speichern müsste eine nachgeschaltete Turbine regelmässig starten und stoppen. Es müsste zudem zunächst die Beladung gestoppt werden, um eine Entladung zu ermöglichen. Die zur Verfügung stehende Wärme während dieses Zeitraumes ginge verloren.

  Die Glättung der eingespeisten thermischen Energie erfolgt dagegen bei der Neuen Thermospeichers-Technologie, indem die Wärme zu bestimmten Zeitintervallen (vertikale gestrichelte Linien) in andere Module umgeleitet wird, während die Entladung gleichzeitig kontinuierlich fortgesetzt werden kann.

  

  Die Zeitachse ist unterteilt in Abschnitte a bis t. Beispiel­haftes Vorgehen für zyklische Einspeisung von Wärme:

  a) Serielle Beladung Modul 3 - 5
  b) Serielle Beladung Modul 2 - 4
  c) Serielle Beladung Modul 1 - 3
  d) Serielle Beladung Modul 2 – 4
  e) Serielle Beladung Modul 3 - 5
  f) Serielle Beladung Modul 5 – 6
  g) Serielle Beladung Modul 4 – 6
  h) Usw.
  
  Es wird also auch die thermische Energie unter dem verwertbaren Niveau („Tmin“) eingespeist, gespeichert und schliesslich zurückgewonnen.

• Erst dadurch macht es überhaupt Sinn, solche Niedertemperatur­wärme in den Neuen Thermospeicher einzuspeisen, anstatt sie abzuregeln, zu verwerfen oder nur zu verheizen.

Modularbauweise mit flexibler Verschaltung untereinander

• Der Wärmespeicher kann bei der Aufnahme von thermischer Energie auch stark unterschiedliche Einspeise­leistungen, zum Beispiel Peak-Leistungen aus Wind­energie, effizient bewältigen.
• Die Wärme kann an einer Stelle entnommen werden, an der die gewünschte Temperatur herrscht.
• Diverse Betriebsmodi und serielle Verschaltung erlauben eine stufen­weise Temperatur­änderung sowohl des Belade- als auch des Entlade­stromes entsprechend eines Gegen­strom­wärme­austausches zwischen Beladung und Entladung. Dies bewirkt insgesamt höhere Temperatur­differenzen zwischen Eintritts- und Austritts­temperatur des Mediums und somit einen effizienteren Wärme­austausch.
• Die stufenweise Temperaturänderung von Modul zu Modul führt dazu, dass der Wärmeaustausch zwischen Gas und Thermo-Speicher maximiert wird und nur wenig Restwärme im Gas verbleibt. Grosse Mengen an unnütz zirkulierenden Gases beziehungsweise Wärme werden vermieden und würden zudem den gesamten apparativen Aufwand erhöhen (Ventilatoren für hohe Temperaturen auslegen, grössere Wärmeübertrager für die Wiedererwärmung, etc.).
• Es wird also insgesamt ein grösserer Anteil der eingespeisten Wärme zurück in Elektrizität verwandelt.

  Anteil gespeicherter Wärme zur Rückverstromung:
  

  Bisherige Thermospeicher:  

  

  Neuer Thermospeicher: 

  

Aufstellung und Einbindung

• Dezentrale Aufstellung mit Wärmekraftmaschine zur Rück­verstromung direkt bei der Energiequelle, zum Beispiel einem Windrad möglich, kein zusätzlicher Netz­ausbau erforderlich. Eine optimale Konfiguration zur erfolgreichen Gestaltung der Energie­wende sollte daher folgendes vorsehen:
  
  • Bei jeder EE-Erzeugungsstätte wird die Leistung bis zur Jahres-Durchschnitts­leistung der Anlage ins Netz eingespeist.
  • Leistungen oberhalb des Durchschnittswertes werden in dem Neuen Thermospeicher eingespeist, bis dieser komplett aufgeladen ist.
  • Auch die Back-Up Kraftwerke (Gas, Kohle, etc.) laufen nun auf niedrigerem, aber gleichmässigerem Niveau und müssen nicht mehr für Höchstleistung ausgelegt sein.
  • Wenn die EE-Erzeugung unterhalb der definierten Grundlast liegt, dient die gespeicherte Wärme zum Betrieb einer Wärme­kraftmaschine, um die fehlende Leistung zu ergänzen.
  • Optional kann erwägt werden, die Wärme­kraftmaschine auch ersatzweise kurzfristig mit Bio-Treibstoffen zu betreiben, wenn keine EE-Erzeugung stattfindet und der Thermo-Speicher leer ist (lang anhaltende Dunkelflaute).
    Wenn die Wärme­kraftmaschine geeignet ist, Bio-Kraftstoffe (Bio-LNG, H₂) zu verwerten und alternativ Wärme aus dem Thermospeicher in Elektrizität zu verwandeln, braucht man keine Back-Up-Kraftwerke.
  • Die Wärme­kraftmaschine muss nur für die Grundlast ausgelegt werden, also ca, 15 ...25% der Nennleistung der Windenergieanlage. Die Gesamtkosten bleiben daher überschaubar. Beispiel: Die Grundlast einer 15 MW-Windradanlage beträgt ca. 2300 ... 3000 kW.
• Meistens keine Sekundärkreisläufe zum Auskoppeln von Wärme erforderlich. Die getrennten Rohrleitungs­systeme für Beladen und Entladen ermöglichen auch, zwei verschiedene Medien zu verwenden (zum Beispiel Stickstoff, Thermalöl, Rauchgase, Wasserdampf, etc.)
• Darum Wegfall vieler zusätzlicher Apparate, weniger Kosten und geringere Komplexität der Anlage.
• Die flexible Verschaltung der Module untereinander mit der Option, serieller, paralleler oder sukzessiver Verschaltung, macht die Zumischung von Kaltluft zum Erreichen einer spezifischen Ziel­temperatur obsolet.
• Insgesamt handelt es sich um ein minimalstisches Layout ohne zahlreiche Pumpen, Wärme­taucher, Verdichter etc. Höchste Temperatur­differenzen werden auch ohne Wärme­pumpen- oder Rankine-Prozess ermöglicht. Diese lassen sich trotzdem bei Bedarf integrieren.
• Geringer Montageaufwand. Die Module können zum Beispiel vormontiert in handelsüblichen Containern auf die Baustelle geliefert werden, sofern sie in Quaderform vorliegen. Die Neuen Thermospeicher sind in diesem Fall um weitere Module erweiterbar.
• Es sind aber auch zylindrische Geometrien denkbar, bei denen die heissesten Module im Inneren liegen, und zunehmend kältere Bereiche nach aussen hin ergänzt werden. Auf diese Weise werden Wärme­verluste minimiert.

Effizienz

Marktübliche Thermospeicher beanspruchen bereits sehr hohe "Speicherwirkungsgrade" für sich, ohne die Vokabeln "Exergie" und "Anergie" zu verwenden. Wie ist solch Speicher­wirkungsgrad eigentlich definiert? Offensichtlich nicht als Quotient "Zurückgewonnene elektrische Arbeit / Eingespeiste Wärme". Insgesamt ist die Neue Thermo­speicher-Technologie den vorhandenen Systemen gegenüber effizienter bei

• Aufladung: Gängige Speicher verzeichnen bei der Aufladung einen kontinuierlichen Effizienzverlust, da sich die Temperaturen des Belade­stromes und der Wärme­speicher­masse im Laufe des Prozesses immer weiter annähern. Zusehends mehr und mehr Restwärme zirkuliert im Belade­strom oder wird ausgeschleust. Dieser Sachverhalt wird von Herstellern bisheriger Speicher aus gutem Grund nicht thematisiert.
  
  Kleine Teileinheiten erreichen schneller irgendwo in der Anlage eine Maximal­temperatur als eine grosse Masse. Der Neue Thermospeicher ist daher schneller betriebsbereit.

     Bisherige Thermospeicher:  

  

     Neuer Thermospeicher: 

  



• Intermettierender Betrieb / Zyklen:
  Es ist nun ein durchgängiger Betrieb einer nachgeschaltete Wärme­kraftmaschine möglich, selbst wenn zeitweise nur tiefere Temperaturen anliegen.
• Entladung: Es macht nun auch Sinn, Medien mit tieferer Temperatur einzuleiten: Module mit niedrigerer Temperatur dienen zur Vorwärmung des Entlade­stromes bei serieller Verschaltung.
  
  Bei der Entladung wird zuerst die Wärme aus dem kältesten Modul entnommen und zur Vorwärmung der anderen Module verwendet, sehr heisse Bereiche bleiben bei Bedarf vorerst verschont. Es wird also mehr gespeicherte Wärme zur Rück­verstromung nutzbar gemacht und die Entnahme­dauer nimmt zu.

  Der Speicher steht früh zur Entladung bereit, da die ersten Module schnell aufgeladen werden.
  

• Be- und Entladedynamik Insgesamt ergibt sich die Möglichkeit, den Speicher hochdynamisch zu be- und entladen. Er kann im Gegensatz zu bisherigen Speichern durchgehend entladen werden, und dies mit höherer Effizienz

     Bisherige Thermospeicher:  

  

     Neuer Thermospeicher: 

  

Im Vergleich zu bisherigen Hochtemperatur-Wärmespeichern kann der Neue Thermospeicher also

• kleiner dimensioniert werden, um die Erzeugung einer gleich grossen Menge an elektrischer Energie zu ermöglichen.
• mit geringerer eingespeister Wärmemenge die gleiche Menge an elektrischem Strom erzeugen.
• auch wenn er insgesamt auf niedrigerem Temperaturniveau arbeitet, eine höhere Performance als bisherige Thermospeicher erzielen.

Berechnung einer Beispielanlage

Gegeben sei eine Neue Thermospeicher-Anlage mit sechs quader­förmigen Modulen. Die Innen-Abmessungen eines Moduls (Wärmespeiche­rmassenvolumen) betragen L=4.4 m, B=1.8 m, H=2.2 m, was in etwa einer handels­üblichen 20-Fuß Container­grösse entspricht, wenn die Wärme­isolierung rundum eine Dicke von 0.3 m hat und bei der Länge noch Platz für Verrohrungen vorgesehen sind.

Für die internen Verrohrungen für Aufaden und Entladen sind Rundstahl­rohre 70,0 x 6,3 mm vorgesehen, die Abstände zwischen den Rohren betragen 20 cm. Die Verrohrungs­systeme sind um 90° gegeneinander verdreht, so dass es pro Modul 48 paralle Rohre entlang der Modullänge zum Aufladen und 128 Rohre entlang der Modulbreite zum Entladen gibt.

Ausserdem gibt es in jedem Modul 56 Schmelzkerne (Rohr­abmessungen wie oben) mit Aluminium­füllung.

Die Zwischenräume sind mit einem Schüttgut aufgefüllt, von dem anzunehmen sei, dass die Wärmekapazität 0.8 KJ / (kg K) beträgt.

Insgesamt sind pro Modul daher ca. 5600 kg Stahl, 2120 kg Aluminium und 19 500 kg Sand verbaut.

Wenn ein Modul von 350°C (Mindesttemperatur für Microturbinen) bis 850°C genutzt wird, ergibt sich folgende Energie­menge zur Rückverstromung:

Wieviel Thermospeicher werden benötigt?

Die deutsche Regierung hat das Ziel, bis 2030 insgesamt 30 Gigawatt an installierten Speicher­kapazitäten zu erreichen. Dies wurde im Klimaschutz­programm 2030 festgelegt, das im Jahr 2019 verabschiedet wurde. Ein Bericht des Bundes­verbandes Energie­speicher (BVES) aus dem Jahr 2020 kommt zu dem Schluss, dass in Deutschland bis 2030 insgesamt 55 bis 80 Gigawatt­stunden an Energiespeicher­kapazität benötigt werden, um eine zuverlässige Strom­versorgung aus erneuerbaren Energien sicher­zustellen.

Ist die Neue Thermospeicher Technologie den bisherigen Speichern überlegen?

Was können die  Konkurrenzprodukte?