WO2025228593A1 - Heat store - Google Patents
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- WO2025228593A1 WO2025228593A1 PCT/EP2025/058462 EP2025058462W WO2025228593A1 WO 2025228593 A1 WO2025228593 A1 WO 2025228593A1 EP 2025058462 W EP2025058462 W EP 2025058462W WO 2025228593 A1 WO2025228593 A1 WO 2025228593A1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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- Y02E60/14—Thermal energy storage
Definitions
- the invention relates to a high-temperature thermal energy storage system with a storage tank for storing thermal energy, in particular for providing high-temperature heat for power generation and/or as process heat for industrial plants and processes, further in particular with a storage capacity of greater than 50 MWh, preferably greater than 100 MWh, and a heat resistance of the storage tank of 1000 °C to 1500 °C, preferably 1100 °C to 1300 °C, wherein the storage tank has an upper tank section and a lower tank section connected to the upper tank section, and the upper tank section forms an upper tank closure, in particular a tank dome, and the lower tank section a tank bottom, wherein the upper tank section and the lower tank section define a charging chamber for charging the storage tank with a heat-storing material, wherein during a charging cycle, a charge of the heat-storing material introduced into the storage tank is transferred by a hot carrier gas, in particular hot air, when the storage tank is set up as intended.
- a hot carrier gas in particular hot air
- the heat-storing material is permeable in a vertical direction to charge the heat-storing material by heat transfer from the hot carrier gas to the heat-storing material, wherein during a discharge cycle the supply of a colder carrier gas, in particular cold air, is permeable in a vertical direction when the storage container is set up as intended, in order to discharge the heat-storing material by heat transfer from the heat-storing material to the colder carrier gas and to heat the carrier gas, and wherein the heat-storing material does not undergo a phase change during the charging cycle and during the discharge cycle.
- a colder carrier gas in particular cold air
- the present invention relates to a method for operating a high-temperature heat storage device of the aforementioned type with a storage container for storing thermal energy, wherein the storage container has a charge of a heat-storing material, wherein during a charging cycle of the storage container, the charge is supplied with a hot carrier gas, in particular hot air, in a vertical direction in order to charge the heat-storing material by heat transfer from the hot carrier gas to the heat-storing material, and wherein during a discharging cycle, the charge is supplied with a colder carrier gas, in particular cold air, in a vertical direction direction through which the heat-storing material is discharged by heat transfer from the heat-storing material to the colder carrier gas and heats up the carrier gas, and wherein the heat-storing material does not undergo a phase change during the charging cycle and during the discharging cycle.
- a hot carrier gas in particular hot air
- a colder carrier gas in particular cold air
- the invention relates to so-called “sensible” heat storage devices, which change their “sensible” temperature during the charging and discharging process. Since this type of heat storage device does not undergo phase transitions, it can be used over a wide temperature range, particularly in the high-temperature range.
- High-temperature thermal energy storage systems can be used to store large amounts of thermal energy at temperatures exceeding 1000 °C. Waste heat from industrial or power plant processes is often generated intermittently rather than continuously. Energy-intensive industries, in particular, produce significant amounts of waste heat at high temperatures, which can be converted into process heat or electricity using thermal energy storage systems. The heat generated by the storage system can be used, for example, for targeted process recirculation or power generation. When storing thermal energy from industrial processes, thermal energy storage systems can improve efficiency and stabilize the process conditions of high-temperature industrial processes. Such thermal storage systems can also be used to provide industrial process heat from electricity. During periods of overproduction from renewable energy sources, electricity is converted into high-temperature heat, which is then stored and later supplied to industrial consumers as process heat.
- thermal storage systems can be used to decouple electricity and heat generation over time, allowing excess heat to be temporarily stored in the thermal storage unit.
- heat from a hot carrier gas, particularly hot air, generated during the discharge of a high-temperature storage unit can be transferred to a working fluid of the power plant process, especially a working fluid of a steam power process.
- the heat from the carrier gas can be used for steam generation, feedwater preheating, and/or steam superheating.
- thermoelectric storage power plant can include a compressor for compressing the carrier gas, at least one gas heater for heating the carrier gas, multiple high-temperature storage tanks for storing the heat from the heated carrier gas, and at least one heat exchanger, such as a steam generator, for transferring the heat from the heated carrier gas to a working fluid of a power plant process. If the carrier gas is heated in the gas heater by converting electrical energy into thermal energy, and the gas heater can have at least one electrical heating element for this purpose, electrical energy can be stored as heat during a charging cycle when electricity generation is high and demand is low.
- At least one thermal storage tank is discharged in at least one discharge cycle, and the resulting hot carrier gas is used for electricity generation, for example, to vaporize water for a steam power process.
- the generated electrical energy can then be fed back into a power grid. In this way, electrical power can be provided flexibly, quickly, and cost-effectively during short-term peak loads.
- Electricity generation from renewable energy sources can be subject to fluctuations on different timescales, ranging from seasonal variations throughout the day to short-term fluctuations. Such fluctuations amplify the fluctuations in electricity demand and increase the need for balancing peak loads.
- High-temperature thermal energy storage systems can convert excess solar or wind power into heat and store it temporarily. The stored thermal energy can then be converted back into electricity when demand is correspondingly higher.
- the object of the present invention is to provide a high-temperature heat storage device and a method for storing high-temperature heat in a high-temperature heat storage device of the type mentioned above, in particular for storing excess thermal energy generated from the conversion of surplus electrical energy from conventional or renewable electricity generation into heat and/or for Storage of excess thermal energy from industrial or power plant processes and/or for the time-delayed provision of high-temperature heat for power generation and/or as process heat for industrial plants and processes as well as power plant plants, wherein the high-temperature heat storage system enables the storage of thermal energy at temperatures above 1000 °C, preferably at 1300 °C or more, and the provision of high-temperature heat in a process-engineering and structurally simple manner with low manufacturing, operating and maintenance costs of the heat storage system.
- Another object of the present invention is the provision of a high-temperature heat storage system with improved mechanical and thermal strength.
- the high-temperature heat storage system according to the invention should be characterized by a high efficiency, defined as the ratio of usable thermal energy to the energy used for charging the storage system, with energy losses being low due to improved storage insulation.
- thermal storage device is said to be a high storage capacity, short charging and discharging times, and a high number of possible storage cycles, wherein the storage capacity is defined as the maximum amount of heat that can be absorbed by the storage device.
- Factors influencing the storage capacity of thermal storage devices are the storage volume, the specific heat capacity of the storage medium, and the temperature difference.
- a high storage capacity can only be achieved if homogeneous flow conditions exist within the storage device.
- the temperature limit for loading the heat-storing material by coming into contact with the hot carrier gas should be above 1000 °C, up to 1500 °C, preferably between 1100 °C and 1300 °C.
- a supply and/or discharge of carrier gas into and/or out of the storage container is provided via an annular channel during the charging cycle and/or during the discharging cycle.
- the annular channel enables a uniform distribution of the carrier gas and a uniform flow of the charge, in particular in the form of a packed bed, of a thermally conductive material introduced into the charging chamber at a low flow velocity. This ensures efficient thermal exchange between the carrier gas and the heat-storing material and minimizes the formation of dead zones in the packed bed that do not participate in heat transfer. Dead zones in the heat storage system, where the heat storage material is not or not homogeneously surrounded by the carrier gas, lead to a decrease in the storage capacity, i.e., the maximum amount of heat that can be absorbed by or released from the storage system.
- annular channel and the gas transition between the annular channel and the feed chamber allows the flow through the heat storage material to be achieved with a low pressure loss.
- the invention relates to a sensible heat storage device, wherein the heat storage material does not change its state of matter during charging or discharging, but rather heats up and cools down depending on whether the heat storage device is being charged or discharged.
- Sensible heat storage devices have the advantage of a simple design and are inexpensive to manufacture on an industrial scale, particularly when the heat storage material is a readily available, inexpensive bulk material with high heat capacity.
- the annular channel has at least one opening for supplying carrier gas into the annular channel and/or for discharging carrier gas from the annular channel, and at least one gas passage for the transfer of carrier gas between the annular channel and the charging chamber.
- the annular channel is located adjacent to the bottom of the storage container in the lower region.
- the storage container may have at least one opening in the upper area adjacent to the upper container end for supplying carrier gas into the charging chamber or for draining carrier gas from the charging chamber.
- hot carrier gas is supplied to the annular channel in the lower region of the storage tank, from where it passes through the gas passage into the charging chamber.
- the hot carrier gas then flows vertically upwards along the charging channel of the storage tank containing the heat-storing material and exits the tank through the opening in the upper region. Heat transfer from the hot carrier gas to the heat-storing material causes the storage tank to be charged.
- cooler carrier gas is supplied to the charging channel, particularly through the opening in the upper region of the storage tank. This cooler carrier gas flows downwards along the charging channel and is heated by heat transfer from the heat-storing material.
- the heated carrier gas can then pass from the charging chamber into the annular channel near the bottom of the storage tank via the gas passage and is then discharged from the annular channel and thus from the storage tank via the channel opening of the annular channel or another channel opening.
- a flow of the cooler carrier gas from bottom to top within the storage tank is not excluded.
- the supply and discharge of the carrier gas during the loading cycle and during the unloading cycle takes place via only one channel opening in the ring channel and only one container opening in the storage container.
- the heat storage device according to the invention is designed for vertical operation, so that the heat storage device is vertical with respect to the longitudinal axis of the storage container during the charging cycle and during the discharging cycle. It is arranged in an upright position. During both loading and unloading, the storage container is subjected to a vertical flow of heat for heat transfer.
- a particularly preferred design embodiment of the heat storage device provides that the lower container section is arranged concentrically to the upper container section, wherein the lower container section has a larger internal cross-sectional area than the upper container section and the upper container section partially dips into the lower container section at its bottom.
- the filling chamber can be formed by an upper filling zone and a lower filling zone.
- the upper filling zone can be bounded transversely to the orientation of the storage container, particularly radially outwards, by the upper container section
- the lower filling zone can be bounded transversely to the orientation of the storage container, particularly radially outwards, by the lower container section, wherein, preferably, the lower filling zone extends transversely to the orientation of the storage container, particularly in a radial direction, beyond the upper filling zone.
- the aforementioned embodiment of the invention enables a simple structural design of the storage container according to the invention and a homogeneous flow of the carrier gas, particularly in conjunction with the annular channel according to the invention for supplying or discharging the carrier gas to or from the filling chamber.
- the lower feeding zone extending radially outwards beyond the upper feeding zone, allows for a structurally simple design of the gas transfer between the annular channel and the second feeding zone.
- the upper and lower container sections preferably have cylindrical walls that define the feeding zones.
- the annular channel is preferably arranged concentrically to the filling chamber, and particularly concentrically to the upper container section. Most preferably, the annular channel extends circumferentially along the entire circumference of the upper container section. Most preferably, the annular channel is formed on the outside of a side wall of the upper container section, with the side wall defining the upper filling zone.
- the energy storage device has a cylindrical structure, with both the upper and lower container sections being cylindrical.
- the lower container section can then have a cylindrical side wall that concentrically surrounds a cylindrical side wall of the upper container section in the lower, near-edge region of the upper container section.
- the annular channel can then be formed between the side walls of the two container sections.
- the annular channel can be formed between two concentric side walls of the upper and lower container sections, in particular wherein the annular channel is bounded by an outer surface of a side wall of the upper container section and an inner surface of a side wall of the lower container section arranged concentrically to the side wall of the upper container section, and/or wherein the annular channel is formed at the lower end of the upper container section, adjacent to the container bottom.
- the annular channel is bounded by vertical wall sections of the container sections transversely to the longitudinal axis of the storage container or in a radial direction.
- the annular channel extends vertically to a lower edge of the side wall of the upper container section and is bounded radially outwards by a vertical side wall of the lower container section.
- the annular channel can be terminated at the top by an inclined side wall of the lower container section, through which the upper and lower container sections are connected.
- the annular channel can be closed laterally and at the top, except for the at least one channel opening provided for the supply and/or discharge of carrier gas.
- a hanging wall section at the lower end of the upper container section allows the lower area of the storage container's filling chamber, which is bordered by the upper container section, to be separated from the ring channel, at least partially.
- the loading chamber is open in a radial direction towards the ring channel.
- the hanging wall section preferably does not rest against the lower container section at its bottom.
- the upper container section is then freely suspended and preferably supported and stabilized only at the connection point to the lower container section.
- the annular space formed between the hanging wall of the upper container section and an outer wall of the lower container section can then form at least part of the annular channel.
- the hanging wall section towards the loading chamber and towards the ring channel can each be thermally insulated to ensure high temperature resistance of the storage tank in this area.
- the upper and lower container sections can be made of metal components, each preferably having an outer metallic container wall, in particular made of steel. Preferably radially internal, but optionally also radially external, fire-resistant insulation can be provided on the container wall.
- the insulation of the container wall can be multi-layered.
- the insulation can be formed by an outer insulating layer facing the filling chamber, made of an insulating material with high hardness. for example in the form of a lining with refractory brick, and an inner insulating layer of lower hardness arranged between the metallic container wall and the outer insulating layer, which may be formed, for example, by a cement-containing insulating material.
- the suspended wall section at the lower end of the upper container section can have a cylindrical metal component as a support element, in particular a cylindrical steel component, which can have fire-resistant insulation, in particular having a multi-layer structure, and more preferably a two-layer structure, radially inside on the side facing the filling chamber and, preferably, radially outside on the side facing the annular channel.
- the support element increases the stiffness of the upper container section. This contributes to the high stability of the storage container.
- the support element can be embedded on both sides in a thermal insulation layer made of a less hard insulating material, for example, a cementitious insulating material, wherein an outer insulation layer made of a more hard insulating material, for example, in the form of a lining of refractory brick, can adjoin the inner insulation layer thus formed.
- the outer insulation layer can then directly adjoin the loading chamber (radially inner) and the annular channel (radially outer).
- the support element of the hanging wall section in the area of the connection point between the upper container section and the lower container section can particularly preferably be connected, in particular welded, to a metallic side wall of the upper container section.
- a cooling device can be provided for cooling the suspended wall section, in particular for cooling the support element.
- the cooling can be achieved via cooling coils running concentrically around the support element, preferably using water cooling.
- the upper container section can rest on the lower container section at ground level.
- a support structure can be provided, which supports the upper container section on the lower container section. Openings with a clear diameter several times the particle diameter can be provided in the support structure, allowing the heat-storing material to pass from the feed chamber or feed zone into the annular channel.
- the support structure serves to absorb the weight of the upper container section and is subject to compression. Therefore, it is not necessary to integrate a metallic support into the structure. Cooling of the support structure is then unnecessary.
- the supporting structure can have several, preferably ring-shaped, column-like structural sections, between which openings are formed for the transfer of the heat storage material from the feed chamber into the annular channel. Adjacent structural sections can converge upwards and be connected in an arc, with an underlying opening being bridged in the area of the arc-shaped connection.
- An arc-shaped design allows for high compressive strength of the supporting structure.
- the annular channel is preferably open towards the feed chamber, particularly towards the lower feed zone, with the opening forming the gas passage for carrier gas to the feed chamber, and particularly wherein the annular channel is closed in the radial direction towards the upper feed zone.
- the annular channel is also preferably closed at the top, with the exception of the at least one channel opening for the supply and/or discharge of carrier gas.
- the annular channel extends vertically downwards, preferably to the lower edge of the section of the upper container designed as a hanging wall.
- a gas passage plane located at the lower outer edge of this section of the upper container designed as a hanging wall can functionally and structurally limit the annular channel downwards.
- the bottom of the storage container can be formed by a bottom wall of the lower container section, which limits the filling space vertically downwards and extends radially preferably to below the gas passage of the annular channel.
- a central discharge opening for heat storage material can be provided in the floor wall.
- the lower section of the container can have a conical loading surface for the heat-storing material, which preferably extends from the discharge opening in the bottom wall to the radial outer edge of the annular channel below the channel.
- the desired position of the heat-storing material in the lower loading zone can shift outwards as the storage container operates, with the angle of repose, i.e., the angle between the inclined outer surface of the material and a horizontal reference plane, decreasing as the heat storage system operates.
- the angle of repose i.e., the angle between the inclined outer surface of the material and a horizontal reference plane, decreasing as the heat storage system operates.
- the boundary of the heat-storing material can shift so far towards the annular channel that the material passes through the gas passage and enters the channel.
- the boundary of the material, or its outer surface can then, at least partially, lie within the annular channel and above a gas passage plane of the annular channel located at the lower edge of the upper section of the container.
- no retaining elements such as heat-resistant perforated plates or bricks, are preferably provided in the area of the gas passage between the annular channel and the feed chamber.
- the heat-storing material is then not retained in the feed chamber and, as described above, can migrate towards the annular channel during operation of the heat storage system and eventually even rise within the annular channel or interact with it.
- the gas passage of the annular channel to the feed chamber can preferably extend substantially in a ring shape over the entire circumferential length of the annular channel.
- the annular channel is preferably open all the way around to the feed chamber.
- the annular channel can have a constant opening width (clear width) of the gas passage along its circumference. This results in low flow losses and a uniform flow of gas to the heat-storing material when the carrier gas is fed into or discharged through the annular channel.
- the annular channel has a constant clear width in the vertical direction from the gas passage upwards to an inclined side wall of the lower container section.
- thermal storage spheres made of aluminum oxide ceramic can be used as the heat-storing material.
- the mean material and/or sphere diameter can be between 1.0 cm and 10.0 cm, and more preferably greater than or equal to 1.5 cm and/or up to 3 cm.
- the density of the heat-storing material is preferably in the range between 3000 kg/ m3 and 6000 kg/ m3 , more preferably between 3000 kg/ m3 and 4000 kg/ m3 , and more preferably at approximately 3500 kg/ m3 .
- Such heat storage spheres are characterized by low material costs, high heat capacity and thermal conductivity, as well as high heat resistance.
- the opening area of the gas passage can correspond to a multiple of the grain size, in particular the sphere diameter, of the heat-storing material used, so that the heat-storing material can pass through the gas passage of the annular channel during the operational displacement of the packing in a radial direction to the annular channel.
- the storage tank is operated as a fixed-bed storage tank below the fluidization limit of the packed bed.
- a flow through the heat-storing material in the region of the gas passage of the annular channel at a carrier gas velocity below the minimum fluidization velocity especially wherein the carrier gas velocity can be less than 80%, preferably less than 50%, and further preferably less than 25%, of the minimum fluidization velocity.
- the minimum fluidization velocity as the lower limit for the existence of a fluidized bed, can be calculated, for example, using the Ergun equation, which exhibits a small deviation between measured and calculated values. The calculation of the minimum fluidization velocity can be found, for example, in the publication by Werther J.: Flow-mechanical fundamentals of fluidized beds, Chem.-Ing.-Tech. 49, No. 3, pages 193 to 202, (1977).
- the minimum fluidization velocity is also calculated for the maximum charging temperature of the storage tank and the absolute pressure at which charging/discharging takes place.
- the gas velocity of the carrier gas flowing through the annular channel is less than or equal to the gas velocity of the carrier gas flowing through the upper section of the storage tank, particularly during the charging cycle.
- the volumetric flow rate of the carrier gas is preferably selected such that both the gas velocity of the carrier gas flowing through the annular channel and the gas velocity of the carrier gas flowing through the upper section of the tank are less than the minimum fluidization velocity. This improves the heat transfer between the heat-storing material and the carrier gas and reliably prevents the discharge of portions of the heat-storing material due to fluidization of the packing material, even within the annular channel.
- the clear inner cross-sectional area of the annular channel is greater than or equal to the clear inner cross-sectional area of the upper container section at the upper end of the charging chamber.
- the inner (clear) cross-sectional area of the upper container section can be between 3 m2 and 100 m2 , preferably between 30 m2 and 80 m2 .
- the specific mass flow rate of the carrier gas when flowing through the feed of the heat-storing material in the storage container can be in the range between 0.5 and 6.0 kg/(s*m 2 ), based on the inner cross-sectional area of the upper container section of the storage container in the area of the feed with the heat-storing material.
- the grain size, preferably the mean diameter, of the heat-storing material can be in the range between 10 mm and 40 mm, for example in the range of 15 mm.
- the density of the heat-storing material can preferably be in the range between 3000 kg/m 3 and 6000 kg/m 3 , and more preferably in the range of approximately 3500 kg/m 3 .
- the porosity of the feed can assume values between 0.25 and 0.6, in particular 0.4.
- the carrier gas is preferably supplied to the storage container at an overpressure level, wherein the storage container is designed as a pressure vessel and wherein the pressure vessel is designed for a permissible operating pressure of more than 1.5 bar (absolute), in particular more than 5 bar (absolute), further in particular more than 8 bar (absolute), preferably 9 bar (absolute), and, further preferably, for a maximum operating pressure of less than 20 bar (absolute).
- the maximum temperature during operation of the heat storage system can range between 20 °C and 1500 °C, for example, approximately 500 °C.
- temperatures in the annular channel can range between 1000 °C and 1500 °C, preferably between 1100 °C and 1300 °C.
- the required discharge temperature for heat utilization can be at least 500 °C, preferably at least 600 °C, and up to 1500 °C, more preferably up to 800 °C.
- the minimum and maximum temperature values specified above refer in particular to the interconnection of multiple storage systems.
- a preferred design of the storage container provides that the supply of hot carrier gas into the annular channel takes place in the upper area of the annular channel, in particular directed obliquely towards the upper section of the container.
- the storage tank is preferably designed as a steel structure with tank walls made of or incorporating a steel material and has at least partial fire-resistant insulation, in particular multi-layered and/or on both sides, especially in the area adjacent to the ring channel. Furthermore, insulation is specifically provided on a suspended tank wall at the bottom end of the upper tank section.
- the steel material can be of a grade of [grade] or a comparable grade.
- insulation may be provided on a side of the upper container section and/or the lower container section facing the charging chamber and/or the annular channel, which has a multi-layer structure, in particular a two-layer structure, with at least one fire-resistant outer insulating layer made of an insulating material with a high hardness facing the charging chamber, in particular the first, upper charging zone, and with at least one further inner insulating layer with a lower hardness adjacent to the outer insulating layer.
- the hanging wall can be insulated on both sides, on the side facing the feed zone and on the side facing the annular channel. Additionally, the hanging wall can be cooled, preferably by means of cooling pipes, cooling coils, or the like, which can be embedded in the insulating layer with lower hardness, preferably on the side of the hanging wall facing the annular channel.
- the outer insulating layer can consist of a highly rigid insulating material, for example, a lining of refractory brick, such as a phosphate-bonded brick (80% alumina, fired).
- a cementitious insulating material can be used to form an inner insulating layer.
- the outer insulating layer with its higher rigidity, provides high compressive strength against the The fill level is reached.
- the inner insulating layer with lower hardness on the other hand, primarily serves to increase thermal stability.
- the height-to-diameter ratio in the upper feed zone which is radially bounded by a preferably cylindrical container wall of the upper container section, can be between 0.5 and 1.8, preferably between 1.0 and 1.6.
- the height-to-diameter ratio represents the ratio of the active fill height to the inner diameter of the upper container section that bounds the upper feed zone.
- Fig. 1 shows a schematic longitudinal sectional view of a storage tank for a high-temperature heat storage system according to the invention
- Fig. 2 shows a schematic longitudinal sectional view of a further embodiment of a storage container for a high-temperature heat storage system according to the invention, with a higher level of detail compared to Fig. 1.
- Fig. 3 shows a schematic longitudinal sectional view of a further embodiment of a storage container for a high-temperature heat storage system according to the invention.
- Figures 1 and 2 schematically show possible embodiments of storage tanks 1 of a high-temperature thermal energy storage system for storing thermal energy, in particular wherein the high-temperature thermal energy storage system is designed and suitable for providing high-temperature heat for power generation and/or as process heat for industrial plants and processes or for power plant systems, further in particular wherein the storage tank has a has a storage capacity of greater than 100 MWh and is designed for feed temperatures of greater than 1000 °C to 1500 °C, preferably from 1100 °C to 1300 °C.
- the storage container 1 has an upper container section 2 and a lower container section 3.
- the upper container section 2 forms an upper container closure, in particular a container dome 4 with an upper side wall 5 in the form of a spherical segment.
- the lower container section 3 forms a container bottom 6 of the storage container 1.
- the upper container section 2 and the lower container section 3 define a loading chamber 7 for filling with a heat-storing material 8.
- the heat-storing material 8 is shown only schematically and, in this example, consists of aluminum oxide-containing ceramic spheres with a diameter of, for example, 1.5 cm to 2 cm.
- the heat-storing material 8 is introduced into the loading chamber 7 as a loose fill.
- the terms "loading” and “fill” are used interchangeably and synonymously below.
- the storage container 1 could also be filled with a lumpy, non-spherical heat-storing material.
- the heat-storing container 1 could, in principle, also contain any heat-storing elements that are inserted into the storage container 1.
- the storage container 1 is designed for vertical installation on a base and is arranged in a vertically upright position during a loading cycle and during a discharging cycle. During loading and discharging, a carrier gas 9, 10 flows essentially vertically through the storage container 1, particularly through the upper section 2.
- hot carrier gas 9 in particular hot air with a temperature of, for example, 1200 °C
- At least one electric air heater can be provided for generating the hot air.
- the loading chamber 7, and thus the bulk material of the The heat-storing material 8 is permeated by a vertically rising flow of hot carrier gas 9, in order to heat the heat-storing material 8 by heat transfer from the hot carrier gas 9.
- the storage container 1 could also be configured to be permeated by a downward vertical flow of hot carrier gas 9.
- the feed chamber 7, and thus the bed of heat-storing material 8 is traversed vertically from top to bottom by a colder carrier gas 10, in particular cold air, in order to heat the colder carrier gas 10 by heat transfer from the heat-storing material 8.
- a colder carrier gas 10 in particular cold air
- the carrier gas 10 could also be guided through the storage container 1 from bottom to top.
- the supply of hot carrier gas 9 into the storage container 1 during the charging cycle and the removal of carrier gas 10 heated in the storage container 1 from the storage container 1 during the discharging cycle takes place via at least one channel opening 11 of an annular channel 12.
- At least one opening 13 is provided in the area of the container dome 4 to discharge the carrier gas 9 from the storage container 1 during the charging cycle after it has flowed through it.
- the cooler carrier gas 10 is supplied to the storage container 1 via the opening 13 in the area of the container dome 4 during discharge.
- the storage container 1 has an upper filling opening 14 for filling the heat-storing material 8 into the interior of the storage container 1 and a discharge opening 15 in the middle in the area of the container bottom 6 in order to be able to discharge the heat-storing material 8 from the storage container 1 as required.
- the annular channel 12 is bounded radially on the inside by a vertical side wall 16 of the upper container section 2 and radially on the outside by a vertical side wall 17 of the lower container section 3.
- the side walls 16, 17 preferably form the outer walls of the storage container.
- the side walls 16, 17 can, as shown in greater detail in Fig. 2, have an internal multi-layered insulation, which is not shown in Fig. 1.
- the side walls 16, 17 are preferably made of a metallic material, in particular steel.
- the connection of the upper container section 3 to the lower container section 2 is preferably made by welding at the connection point of the side walls 16, 17.
- the side walls 16, 17 are at least partially cylindrical, with the side wall 17 being arranged at least partially concentrically to the side wall 16, and with the cylindrical part of the lower container section 3 having a larger inner diameter than the cylindrical part of the upper container section 2.
- the upper container section 2 extends with its bottom end partially into the lower container section 3.
- An upper loading zone 18 of the loading chamber 7 is radially bounded by the cylindrical side wall 16 of the upper container section 2.
- a further, lower loading zone 19 is radially bounded by the cylindrical side wall 17 of the lower container section 3.
- the loading zones 18 and 19 merge into one another and form a continuous loading chamber 7.
- the lower loading zone 19 extends radially beyond the upper loading zone 18 to the side wall 17 of the lower container section 3.
- the annular channel 12 is arranged concentrically to the side wall 16 of the upper container section 2.
- the annular channel 12 is open at the bottom, forming a vertically downward-opening glass passage 20 at the level of a horizontal passage plane 21.
- the passage plane 21 limits the annular channel 12 vertically downwards and extends through the lower outer edge 38 of the vertical side wall 16 of the upper container section 2.
- the hot carrier gas 9 enters the second charging zone 19 from the annular channel 12 via the gas passage 20, and the heated carrier gas 10 exits the second charging zone 19 into the annular channel 12 via the gas passage 20.
- the annular channel 12 is closed except for the at least one channel opening 11.
- the annular channel 12 is closed at the top by an inclined side wall 22, which connects the vertical side wall 16 of the upper container section 2 and the vertical side wall 17 of the lower container section 3.
- the side wall 16 of the upper container section 2 is formed at its bottom end as A hanging wall section 23 is formed.
- the annular channel 12 is then formed or radially bounded by the annular space between the hanging wall section 23 and an upper region of the cylindrical side wall 17 of the lower container section 3.
- the gas passage plane 21 lies at the level of the lower outer edge 38 of the hanging wall section 23 of the side wall 16 of the upper container section 2.
- the gas passage 20 preferably extends at least substantially in a ring shape over the entire circumferential length of the annular channel 12 and has an annular area of the same width with respect to the gas passage plane 21, which is limited in the radial direction by the side walls 16, 17 of the container sections 2, 3.
- the container base 6 has a spherical segment-shaped base wall 24, which on the inside carries a multi-layered insulation 25 formed of insulating bricks 26 and fire-resistant bricks 27.
- the fill containing the heat-storing material 8 rests on the insulation 25.
- the inner surface 28 of the container base 6 is conical.
- the inner surface 28 extends radially to below the gas passage 20 or to the inner surface of the cylindrical side wall 17 of the lower container section 3.
- the inner surface 28 of the container base 6 rises continuously in a radial direction from the central discharge opening 15 in the container base 6 to the side wall 17 of the lower container section 3. This forms a sliding surface for the heat-storing material 8, which extends radially outwards from the center of the container and reaches below the gas passage 20 of the annular channel 12.
- the fill boundary 29a-29d defines the position of an outer fill surface 30 of the heat-storing material 8 in the lower filling zone 19 adjacent to the annular channel 12. This is shown schematically in Fig. 2.
- no retaining elements for retaining the heat-storing material are present in the area of the gas passage 20 of the annular channel 12 to the feed chamber 7.
- Material 8 is provided in the feed chamber 7, so that the heat-storing material 8 is moved towards the ring channel 12 as operation increases and can also rise in the ring channel 12.
- the fill boundary 29b-d of the heat-storing material 8 shifts increasingly radially outwards and upwards, so that a fill boundary 29d with a small angle of repose or flat fill surface 30 can be achieved, in which the fill surface 30 lies at least partially, preferably completely, within the annular channel 12 and the annular channel 12 is bounded vertically by the fill surface 30 over its entire clear width downwards.
- the heat-storing material 8 is conveyed through the bed at a carrier gas velocity significantly below the minimum fluidization velocity.
- the carrier gas velocity is less than 80%, preferably less than 50%, and more preferably less than 25%, of the minimum fluidization velocity.
- the viscosity and density of the carrier gas 9, 10, the mean grain or sphere diameter of the heat-storing material 8 and its density, as well as the gas pressure of the carrier gas 9, 10, the minimum fluidization velocity of the carrier gas 9, 10 can be determined, for example, using the Ergun equation known to those skilled in the art, at which fluidization of the bed of heat-storing material 8 does not yet occur when the carrier gas 9, 10 flows through it.
- a flow through the heat-storing material 8 in the area of the gas passage 20 of the annular channel 12 is provided, especially preferably at the level of the gas passage plane 21 with a carrier gas velocity below the minimum fluidization velocity.
- a structural design of the storage container 1 is provided such that the inner (clear) cross-sectional area 31 of the upper container section 16 and the inner (clear) cross-sectional area 32 of the annular channel 12, in particular at the level of the gas passage plane 21, are preferably at least substantially the same size or wherein the inner (clear) cross-sectional area 32 of the annular channel 12 is larger than the inner (clear) cross-sectional area 31 of the upper container section 16.
- the storage tank 1 is designed as a pressure vessel, in particular for an operating pressure of, for example, more than 8 bar (absolute), and furthermore, in particular, of, for example, 9 bar (absolute) or more.
- the specific mass flow rate of the carrier gas can be between 0.5 and 6.0 kg/(s* m2 ), based on the internal cross-sectional area 31 of the storage container 1 (Fig. 1).
- the operating pressure of the storage tank 1 can be between 6 bar (absolute), in particular 8 bar (absolute) and 10 bar (absolute).
- the annular channel 12 can have a heat resistance of more than 1000 °C up to 1500 °C, for example preferably 1200 °C.
- the hot carrier gas 9 can be fed to the storage container 1 via the channel opening 11.
- the carrier gas 9, cooled during loading, can exit the container via the opening 13 in the region of the container dome 4 at a temperature level between 500 °C and 1500 °C, for example at approximately 850 °C (single-container operation) or at 1200 °C (when several storage containers are connected).
- the heating of the carrier gas to the charging temperature of the storage container 1 can preferably be carried out by means of electric gas heaters of the high-temperature heat storage unit (not shown).
- the opening 11 for the supply of hot carrier gas 9 to the annular channel 12 is preferably arranged opposite the hanging wall section 23 of the side wall 16 of the upper container section 2.
- the gas supply is thus directed towards the hanging wall section 23.
- the carrier gas flow is deflected towards the gas passage 20.
- the inner cross-sectional area 31, which is bounded by the side wall 16 of the upper container section 2, can be in a range between 3 m 2 and 100 m 2 , in particular between 30 m 2 and 80 m 2 .
- the height-to-diameter ratio can be between 0.5 and 1.8, preferably between 1.0 and 1.6.
- the height-to-diameter ratio (Fig. 2) is based on the active pile height 33 in the upper container section 2 and the inner diameter 34 of the container section 2, which is defined by the cylindrical side wall 16 of the upper container section.
- the bottom wall 24 which is made of a steel material, has thermal insulation 25 on its inner side.
- the insulation 25 is formed by an outer layer 27 facing the filling chamber 7, for example made of refractory bricks, and an adjacent inner layer 26, for example made of insulating bricks.
- the lower wall section 23 of the upper container section 2, designed as a hanging wall, is also subject to a [condition] due to the laterally adjacent fill. high mechanical stress. Furthermore, the wall section 23 borders the ring channel 12 and is subjected to high thermal stress, particularly during the loading of the storage tank 1.
- the suspended wall section 23 has, on its side facing the loading chamber 7 and on the side facing the ring channel 12, a refractory outer layer 36 made of a high-hardness insulating material and an inner layer 37 with lower hardness, radially adjacent to the outer layer 36.
- the outer layer 36 can be formed by refractory bricks, while the inner layer 37 can be formed by insulating concrete.
- the lower wall section 23, designed as a suspended wall, has a metallic support element 45, which may in particular be a cylindrical steel component.
- the support element 45 is preferably welded to the side wall 16 of the upper container section 2 in the area of the connection point between the upper container section 2 and the lower container section 3.
- a cooling device 39 shown only schematically in Fig. 2, is provided to cool the support element 45 located in the wall section 23, which is designed as a suspended wall.
- the cooling device 39 has an inlet 40 and an outlet 41 for cooling water, which is guided through a cooling coil running around the wall section 23.
- the cooling coil is embedded in the inner layer 37 of the insulation.
- an outer layer 36 with higher hardness, for example formed by refractory bricks, facing the annular channel 12, and an inner layer 37 with lower hardness, for example formed by insulating concrete, facing the outer container walls 17, 22, can be provided.
- the ring channel 12 has rounded inner edges in the connection area of the inclined wall 22 of the lower container section 3 to the side wall 16 of the upper container section 2 to increase pressure stability.
- the ring channel 12 On the side of a conduit section 35 of the ring channel 12, which opens into the channel opening 11, the ring channel 12 is also equipped with a previously described equipped with two-layer insulation, which is formed by an outer layer 36 with higher hardness directed towards the annular channel 12 and an inner layer 37 with lower hardness.
- the dome 4 of the upper tank section 2 has an outer layer 42 facing the charging chamber 7, made of a material with higher hardness, and an inner layer 43 adjacent to it in a radial direction to the outside, made of an insulating material with lower hardness, as well as an outer tank wall 44, wherein the outer layer 42 can be a sprayed insulating layer made of refractory bricks and the inner layer 43 can be a layer of sprayed insulating concrete.
- FIG. 3 schematically shows an alternative embodiment of the storage container 1 shown in Fig. 2.
- Identical reference numerals denote functionally and/or structurally identical features of the storage container 1.
- the storage container 1 shown in Fig. 3 is provided in such a way that the upper container section 2 rests on the lower container section 3 at its base or is supported on the lower container section 3 by a support structure 46 which is not shown in detail.
- the supporting structure 46 can be a masonry structure made of temperature-resistant bricks. In particular, the supporting structure 46 does not have any metallic support elements. The weight of the upper container section 2 is transferred to the lower container section 3 via the supporting structure 46. Cooling of the supporting structure 46 is not required if it does not have any metallic support elements.
- Figure 2 shows, by way of example only, an embodiment in which the supporting structure 46 has a radially inner and a radially outer insulating layer 36 made of a temperature-resistant material, in particular temperature-resistant bricks.
- a cement-based inner layer 37 can be provided, which consists of an insulating material with lower hardness.
- the upper container section 2 may also have a different structure of the supporting structure 46 at its lower bottom end, where the supporting structure 46 may, for example, be made entirely of refractory brickwork.
- Fig. 2 schematically shows that the supporting structure 46 can have ring-shaped column-like structural sections 47 which converge in an arc shape towards the top, so that in particular a vault-like supporting structure 46 is formed in certain areas.
- Openings 48 are provided between adjacent structural sections 47 to allow the heat storage material 8 to pass from the feed chamber 7 or the feed zone 19 into the annular channel 12.
- the opening width of the openings 48 is a multiple of the particle size of the heat storage material 8, thus ensuring free passage of the heat storage material 8 through the openings 48.
- the support structure 46 may also have a geometric design and/or a different structure than that shown in Fig. 3.
- longitudinal or transverse slots may be provided that penetrate a substantially ring-shaped, planar support structure 46 to allow the heat storage material 8 to pass through.
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Abstract
Description
Wärmespeicher Heat storage
Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Wärmespeicher mit einem Speicherbehälter zum Speichern von thermischer Energie, insbesondere zur Bereitstellung von Hochtemperaturwärme für die Stromerzeugung und/oder als Prozesswärme für industrielle Anlagen und Prozesse, weiter insbesondere mit einer Speicherkapazität von größer als 50 MWh, vorzugsweise von größer 100 MWh, und einer Hitzebeständigkeit des Speicherbehälters von 1000 °C bis 1500 °C, vorzugsweise von 1100 °C bis 1300 °C, wobei der Speicherbehälter einen oberen Behälterabschnitt und einen mit dem oberen Behälterabschnitt verbundenen unteren Behälterabschnitt aufweist und der obere Behälterabschnitt einen oberen Behälterabschluss, insbesondere eine Behälterkuppel, und der untere Behälterabschnitt einen Behälterboden ausbildet, wobei der obere Behälterabschnitt und der untere Behälterabschnitt einen Beschickungsraum zur Beschickung des Speicherbehälters mit einem wärmespeichernden Material begrenzen, wobei während eines Beladungszyklus eine in den Speicherbehälter eingebrachte Beschickung mit dem wärmespeichernden Material von einem heißen Trägergas, insbesondere von Heißluft, bei bestimmungsgemäßer Aufstellung des Speicherbehälters in vertikaler Richtung durchströmbar ist, um das wärmespeichernde Material durch Wärmeübertragung von dem heißen Trägergas an das wärmespeichernde Material zu beladen, wobei während eines Entladungszyklus die Beschickung von einem kälteren Trägergas, insbesondere von Kaltluft, bei bestimmungsgemäßer Aufstellung des Speicherbehälters in vertikaler Richtung durchströmbar ist, um das wärmespeichernde Material durch Wärmeübertragung von den wärmespeichernden Material an das kältere Trägergas zu entladen und das Trägergas aufzuheizen und wobei das wärmespeichernde Material während des Beladungszyklus und des während des Entladezyklus keine Phasenumwandlung durchläuft. The invention relates to a high-temperature thermal energy storage system with a storage tank for storing thermal energy, in particular for providing high-temperature heat for power generation and/or as process heat for industrial plants and processes, further in particular with a storage capacity of greater than 50 MWh, preferably greater than 100 MWh, and a heat resistance of the storage tank of 1000 °C to 1500 °C, preferably 1100 °C to 1300 °C, wherein the storage tank has an upper tank section and a lower tank section connected to the upper tank section, and the upper tank section forms an upper tank closure, in particular a tank dome, and the lower tank section a tank bottom, wherein the upper tank section and the lower tank section define a charging chamber for charging the storage tank with a heat-storing material, wherein during a charging cycle, a charge of the heat-storing material introduced into the storage tank is transferred by a hot carrier gas, in particular hot air, when the storage tank is set up as intended. is permeable in a vertical direction to charge the heat-storing material by heat transfer from the hot carrier gas to the heat-storing material, wherein during a discharge cycle the supply of a colder carrier gas, in particular cold air, is permeable in a vertical direction when the storage container is set up as intended, in order to discharge the heat-storing material by heat transfer from the heat-storing material to the colder carrier gas and to heat the carrier gas, and wherein the heat-storing material does not undergo a phase change during the charging cycle and during the discharge cycle.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Hochtemperatur-Wärmespeichers der vorgenannten Art mit einem Speicherbehälter zum Speichern von thermischer Energie, wobei der Speicherbehälter eine Beschickung mit einem wärmespeichernden Material aufweist, wobei die Beschickung während eines Beladungszyklus des Speicherbehälters von einem heißen Trägergas, insbesondere von Heißluft, in vertikaler Richtung durchströmt wird, um das wärmespeichernde Material durch Wärmeübertragung von dem heißen Trägergas an das wärmespeichernde Material zu beladen, wobei die Beschickung während eines Entladungszyklus von einem kälteren Trägergas, insbesondere von Kaltluft, in vertikaler Richtung durchströmt wird, um das wärmespeichernde Material durch Wärmeübertragung von dem wärmespeichernden Material an das kältere Trägergas zu entladen und das Trägergas aufzuheizen, und wobei das wärmespeichernde Material während des Beladungszyklus und während des Entladungszyklus keine Phasenumwandlung durchläuft. Furthermore, the present invention relates to a method for operating a high-temperature heat storage device of the aforementioned type with a storage container for storing thermal energy, wherein the storage container has a charge of a heat-storing material, wherein during a charging cycle of the storage container, the charge is supplied with a hot carrier gas, in particular hot air, in a vertical direction in order to charge the heat-storing material by heat transfer from the hot carrier gas to the heat-storing material, and wherein during a discharging cycle, the charge is supplied with a colder carrier gas, in particular cold air, in a vertical direction direction through which the heat-storing material is discharged by heat transfer from the heat-storing material to the colder carrier gas and heats up the carrier gas, and wherein the heat-storing material does not undergo a phase change during the charging cycle and during the discharging cycle.
Die Erfindung betrifft sogenannte "sensible" Wärmespeicher, die beim Beladungsund Entladungsvorgang ihre "fühlbare" Temperatur verändern. Da dieser Typ von Wärmespeichern keine Phasenumwandlungen durchläuft, kann er über einen breiten Temperaturbereich, insbesondere im Hochtemperaturbereich, eingesetzt werden. The invention relates to so-called "sensible" heat storage devices, which change their "sensible" temperature during the charging and discharging process. Since this type of heat storage device does not undergo phase transitions, it can be used over a wide temperature range, particularly in the high-temperature range.
Hochtemperatur-Wärmespeicher können zur Speicherung von großen thermischen Energiemengen auf einem Temperaturniveau von größer 1000 °C eingesetzt werden. Abwärme fällt in industriellen oder Kraftwerksprozessen häufig nicht konstant, sondern fluktuierend an. Insbesondere energieintensive Industriezweige erzeugen erhebliche Mengen an Abwärme, die ein hohes Temperaturniveau aufweisen und mithilfe von thermischen Energiespeichern in Prozesswärme oder Strom umgewandeltwerden können. Der durch das Speichersystem erzeugte Wärmestrom kann beispielsweise zur gezielten Prozessrückführung oder zur Verstromung eingesetzt werden. Bei der Speicherung von thermischer Energie aus Industrieprozessen können Wärmespeicher zu einer Verbesserung der Effizienz führen und Prozessbedingungen von industriellen Hochtemperaturprozessen stabilisieren. Solche Wärmespeicher können auch eingesetzt werden, um industriellen Prozesswärme aus Strom bereitzustellen. Strom wird, zu Zeiten einer Überproduktion aus erneuerbaren Energien, in Hochtemperaturwärme umgewandelt und diese Wärme wird gespeichert und später in Form von Prozesswärme an den industrielle Verbraucher abgegeben. In Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerken können solche Wärmespeicher eingesetzt werden, um die Strom- und Wärmebereitstellung zeitlich zu entkoppeln, wobei Überschusswärme im Wärmespeicher zwischengespeichert werden kann. Für eine Nutzung der gespeicherten Wärme in einem Kraftwerksprozess kann Wärme eines bei der Entladung eines Hochtemperaturspeichers erzeugten heißen Trägergas, insbesondere von Heißluft, an ein Arbeitsfluid des Kraftwerksprozesses übertragen werden, insbesondere an ein Arbeitsfluid eines Dam pfkraftprozesses. In einem Dampfkraftprozess kann die Wärme des Trägergases zur Dampferzeugung, zur Speisewasservorwärmung und/oder zur Dampfüberhitzung genutzt werden. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, die an das Trägergas übertragende Wärme in Form von Heißluft der Brennkammer eines konventionellen Kohlekraftwerks und/oder eines GUD-Kraftwerks zuzuführen, um einen Brennstoff, wie Kohle oder Gas, zu verbrennen. High-temperature thermal energy storage systems can be used to store large amounts of thermal energy at temperatures exceeding 1000 °C. Waste heat from industrial or power plant processes is often generated intermittently rather than continuously. Energy-intensive industries, in particular, produce significant amounts of waste heat at high temperatures, which can be converted into process heat or electricity using thermal energy storage systems. The heat generated by the storage system can be used, for example, for targeted process recirculation or power generation. When storing thermal energy from industrial processes, thermal energy storage systems can improve efficiency and stabilize the process conditions of high-temperature industrial processes. Such thermal storage systems can also be used to provide industrial process heat from electricity. During periods of overproduction from renewable energy sources, electricity is converted into high-temperature heat, which is then stored and later supplied to industrial consumers as process heat. In gas and steam turbine power plants, such thermal storage systems can be used to decouple electricity and heat generation over time, allowing excess heat to be temporarily stored in the thermal storage unit. To utilize the stored heat in a power plant process, heat from a hot carrier gas, particularly hot air, generated during the discharge of a high-temperature storage unit can be transferred to a working fluid of the power plant process, especially a working fluid of a steam power process. In a steam power process, the heat from the carrier gas can be used for steam generation, feedwater preheating, and/or steam superheating. However, it is also fundamentally possible to use the heat transferred to the carrier gas in the form of... To supply hot air to the combustion chamber of a conventional coal-fired power plant and/or a combined cycle power plant in order to burn a fuel such as coal or gas.
Ein thermoelektrisches Speicherkraftwerk beispielsweise kann einen Verdichter zur Verdichtung des Trägergases, wenigstens einen Gaserhitzer zur Erhitzung des Trägergases, eine Mehrzahl von Hochtemperaturspeichern zu Speicherung der Wärme von erhitztem Trägergas und wenigstens einen Wärmeübertrager, wie einen Dampferzeuger, zur Übertragung der Wärme von erhitztem Trägergas an ein Arbeitsfluid eines Kraftwerksprozesses aufweisen. Erfolgt die Erwärmung des Trägergases in dem Gaserhitzer durch Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie, wobei der Gaserhitzer zu diesem Zweck wenigstens einen elektrischen Heizwiderstand aufweisen kann, kann in Zeiten hoher Stromerzeugung und geringem Strombedarf während eines Beladungszyklus elektrische Energie in Form von Wärme gespeichert werden. Bei Lastspitzen wird dann in wenigstens einem Entladungszyklus wenigstens ein Wärmespeicher entladen und das so erzeugte heiße Trägergas zur Stromerzeugung eingesetzt, beispielsweise zur Verdampfung von Wasser für einen Dampfkraftprozess. Die erzeugte elektrische Energie kann dann wieder in ein Stromnetz abgegeben werden. So lässt sich elektrische Leistung bei kurzzeitigen hohen Verbrauchsspitzen flexibel und in sehr kurzer Zeit sowie kostengünstig zur Verfügung stellen. A thermoelectric storage power plant, for example, can include a compressor for compressing the carrier gas, at least one gas heater for heating the carrier gas, multiple high-temperature storage tanks for storing the heat from the heated carrier gas, and at least one heat exchanger, such as a steam generator, for transferring the heat from the heated carrier gas to a working fluid of a power plant process. If the carrier gas is heated in the gas heater by converting electrical energy into thermal energy, and the gas heater can have at least one electrical heating element for this purpose, electrical energy can be stored as heat during a charging cycle when electricity generation is high and demand is low. During peak loads, at least one thermal storage tank is discharged in at least one discharge cycle, and the resulting hot carrier gas is used for electricity generation, for example, to vaporize water for a steam power process. The generated electrical energy can then be fed back into a power grid. In this way, electrical power can be provided flexibly, quickly, and cost-effectively during short-term peak loads.
Bei der Stromerzeugung aus regenerativen Energiequellen können Fluktuationen auf unterschiedlichen Zeitskalen auftreten, nämlich von saisonalen Schwankungen über den Tagesverlauf bis hin zu kurzfristigen Schwankungen. Solche Fluktuationen verstärken die in der Stromnachfrage auftretenden Schwankungen und erhöhen den Bedarf an Ausgleichsmöglichkeiten für Lastspitzen. Mit Hochtemperatur-Wärmespeichern lässt sich überschüssiger Solar- oder Windstrom in Wärme umwandeln und im Wärmespeicher Zwischenspeichern. Die gespeicherte Wärmeenergie lässt sich dann bei entsprechend höherer Stromnachfrage rückverstromen. Electricity generation from renewable energy sources can be subject to fluctuations on different timescales, ranging from seasonal variations throughout the day to short-term fluctuations. Such fluctuations amplify the fluctuations in electricity demand and increase the need for balancing peak loads. High-temperature thermal energy storage systems can convert excess solar or wind power into heat and store it temporarily. The stored thermal energy can then be converted back into electricity when demand is correspondingly higher.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hochtemperatur-Wärmespeicher und ein Verfahren zum Speichern von Hochtemperaturwärme in einem Hochtemperatur-Wärmespeicher jeweils der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, insbesondere zur Speicherung von aus der Umwandlung von elektrischer Überschussenergie aus konventioneller Stromerzeugung oder regenerativer Stromerzeugung in Wärme erzeugten thermischen Überschussenergien und/oder zur Speicherung von thermischen Überschussenergien aus industriellen oder Kraftwerksprozessen und/oder für eine zeitversetzte Bereitstellung von Hochtemperaturwärme für die Stromerzeugung und/oder als Prozesswärme für industrielle Anlagen und Prozesse sowie Kraftwerksanlagen, wobei der Hochtemperatur-Wärmespeicher die Speicherung von thermischer Energie bei Temperaturen oberhalb von 1000 °C, vorzugsweise bei 1300 °C oder mehr, und die Bereitstellung von Hochtemperaturwärme in verfahrenstechnisch und konstruktiv einfacher Weise bei geringen Herstel- lungs-, Betriebs- und Wartungskosten des Wärmespeichers ermöglicht. The object of the present invention is to provide a high-temperature heat storage device and a method for storing high-temperature heat in a high-temperature heat storage device of the type mentioned above, in particular for storing excess thermal energy generated from the conversion of surplus electrical energy from conventional or renewable electricity generation into heat and/or for Storage of excess thermal energy from industrial or power plant processes and/or for the time-delayed provision of high-temperature heat for power generation and/or as process heat for industrial plants and processes as well as power plant plants, wherein the high-temperature heat storage system enables the storage of thermal energy at temperatures above 1000 °C, preferably at 1300 °C or more, and the provision of high-temperature heat in a process-engineering and structurally simple manner with low manufacturing, operating and maintenance costs of the heat storage system.
Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochtemperatur- Wärmespeicher zur Verfügung zu stellen, der sich durch eine gleichmäßige Umströmung des wärmespeichernden Materials im Speicherbehälter während der Beladung und/oder Entladung mit einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit auszeichnet und somit einen effizienten thermischen Austausch zwischen dem Trägergas und dem Wärmespeichermaterial erreicht. In particular, it is an object of the present invention to provide a high-temperature heat storage device which is characterized by a uniform flow around the heat-storing material in the storage container during charging and/or discharging at a low flow velocity and thus achieves an efficient thermal exchange between the carrier gas and the heat storage material.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Hochtemperatur-Wärmespeichers mit verbesserter mechanischer und thermischer Festigkeit. Another object of the present invention is the provision of a high-temperature heat storage system with improved mechanical and thermal strength.
Schließlich soll sich der erfindungsgemäße Hochtemperatur-Wärmespeicher durch einen hohen Nutzungsgrad, definiert als Mengenverhältnis von nutzbarer thermischer Energie zur für die Beladung des Speichers aufgewendeter Energie, auszeichnen, wobei Energieverluste aufgrund einer verbesserten Speicherisolation gering sein sollen. Finally, the high-temperature heat storage system according to the invention should be characterized by a high efficiency, defined as the ratio of usable thermal energy to the energy used for charging the storage system, with energy losses being low due to improved storage insulation.
Weitere vorteilhafte Merkmale des erfindungsgemäßen Wärmespeichers sollen eine hohe Speicherkapazität, geringe Belade- und Entladezeiten und eine hohe Anzahl möglicher Speicherzyklen sein, wobei die Speicherkapazität als die maximale Menge an Wärme definiert ist, die durch den Speicher aufgenommen werden kann. Einflussgrößen auf die Speicherkapazität von thermischen Speichern sind das Speichervolumen, die spezifische Wärmekapazität des Speichermediums und die Temperaturdifferenz. Eine hohe Speicherkapazität lässt sich nur dann erreichen, wenn homogene Strömungsverhältnisse im Speicher vorliegen. Die Temperaturgrenze bei der Beladung des wärmespeichernden Materials durch in Kontakttreten mit dem heißen Trägergas soll bei mehr als 1000 °C, bis 1500 °C, vorzugsweise zwischen 1100 °C und 1300 °C, liegen. Further advantageous features of the thermal storage device according to the invention are said to be a high storage capacity, short charging and discharging times, and a high number of possible storage cycles, wherein the storage capacity is defined as the maximum amount of heat that can be absorbed by the storage device. Factors influencing the storage capacity of thermal storage devices are the storage volume, the specific heat capacity of the storage medium, and the temperature difference. A high storage capacity can only be achieved if homogeneous flow conditions exist within the storage device. The temperature limit for loading the heat-storing material by coming into contact with the hot carrier gas should be above 1000 °C, up to 1500 °C, preferably between 1100 °C and 1300 °C.
Die vorgenannten Aufgaben werden durch einen Hochtemperatur-Wärmespeicher mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum Speichern von Hochtemperatur-Wärme in einem Hochtemperatur-Wärmespeicher mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. The aforementioned problems are solved by a high-temperature heat storage device with the features of claim 1 and by a method for storing high-temperature heat in a high-temperature heat storage device with the features of claim 10. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird zur Lösung der vorgenannten Aufgaben eine Zuleitung und/oder eine Ableitung von Trägergas in den Speicherbehälter und/oder aus dem Speicherbehälter während des Beladungszyklus und/oder während des Entladungszyklus über einen Ringkanal vorgesehen. Der Ringkanal ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung des Trägergases und eine gleichmäßige Anströmung einer in den Beschickungsraum eingebrachten Beschickung, insbesondere in Form einer Schüttung, aus einem wärmeleitfähigen Material mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit, um einen effizienten thermischen Austausch zwischen dem Trägergas und dem wärmespeichernden Material zu gewährleisten und die Ausbildung von nicht am Wärmeübergang beteiligten Totzonen in der Schüttung möglichst weitgehend auszuschließen. Totzonen im Wärmespeicher, in denen das Wärmespeichermaterial nicht oder nicht homogen von dem Trägergas umströmt wird, führen zu einer Abnahme der Speicherkapazität, d.h. der maximalen Menge an Wärme, die durch den Speicher aufgenommen bzw. vom Speicher abgegeben werden kann. According to the invention, to solve the aforementioned problems, a supply and/or discharge of carrier gas into and/or out of the storage container is provided via an annular channel during the charging cycle and/or during the discharging cycle. The annular channel enables a uniform distribution of the carrier gas and a uniform flow of the charge, in particular in the form of a packed bed, of a thermally conductive material introduced into the charging chamber at a low flow velocity. This ensures efficient thermal exchange between the carrier gas and the heat-storing material and minimizes the formation of dead zones in the packed bed that do not participate in heat transfer. Dead zones in the heat storage system, where the heat storage material is not or not homogeneously surrounded by the carrier gas, lead to a decrease in the storage capacity, i.e., the maximum amount of heat that can be absorbed by or released from the storage system.
Gleichzeitig lässt sich durch eine geeignete konstruktive Ausgestaltung des Ringkanals und des Gasübergangs zwischen dem Ringkanal und dem Beschickungsraum die Durchströmung des Wärmespeichermaterials mit einem geringen Druckverlust realisieren. At the same time, a suitable design of the annular channel and the gas transition between the annular channel and the feed chamber allows the flow through the heat storage material to be achieved with a low pressure loss.
Die Erfindung betrifft einen sensiblen Wärmespeicher, wobei das Wärmespeichermaterial den Aggregatzustand während der Beladung oder Entladung nicht ändert, sondern sich aufheizt und abkühlt, je nachdem, ob der Wärmespeicher beladen oder entladen wird. Sensible Wärmespeicher besitzen den Vorteil einer einfachen Konstruktion und sind günstig im industriellen Maßstab herzustellen, unter anderem, wenn das Wärme-Speichermaterial ein kostengünstig verfügbares Schüttgut mit hoher Wärmekapazität ist. Der Ringkanal weist wenigstens eine Kanalöffnung zur Zuleitung von Trägergas in den Ringkanal und/oder zur Ableitung von Trägergas aus dem Ringkanal und wenigstens einen Gasdurchlass für einen Übertritt des Trägergases zwischen dem Ringkanal und dem Beschickungsraum auf. Vorzugsweise ist der Ringkanal benachbart zum Behälterboden im unteren Bereich des Speicherbehälters ausgebildet. The invention relates to a sensible heat storage device, wherein the heat storage material does not change its state of matter during charging or discharging, but rather heats up and cools down depending on whether the heat storage device is being charged or discharged. Sensible heat storage devices have the advantage of a simple design and are inexpensive to manufacture on an industrial scale, particularly when the heat storage material is a readily available, inexpensive bulk material with high heat capacity. The annular channel has at least one opening for supplying carrier gas into the annular channel and/or for discharging carrier gas from the annular channel, and at least one gas passage for the transfer of carrier gas between the annular channel and the charging chamber. Preferably, the annular channel is located adjacent to the bottom of the storage container in the lower region.
Der Speicherbehälter kann im oberen Bereich benachbart zum oberen Behälterabschluss wenigstens eine Behälteröffnung aufweisen zur Zufuhr von Trägergas in den Beschickungsraum bzw. zur Ableitung von Trägergas aus dem Beschickungsraum. The storage container may have at least one opening in the upper area adjacent to the upper container end for supplying carrier gas into the charging chamber or for draining carrier gas from the charging chamber.
Vorzugsweise erfolgt die Zufuhr von heißem Trägergas in den Ringkanal im bodennahen Bereich des Speicherbehälters, wobei das heiße Trägergas aus dem Ringkanal über den Gasdurchlass in den Beschickungsraum übertritt. Anschließend kann das heiße Trägergas entlang der Beschickung des Speicherbehälters mit dem wärmespeichernden Material vertikal nach oben strömen und dann über die Behälteröffnung im oberen Bereich des Speicherbehälters aus dem Speicherbehälter austreten. Durch Wärmeübertragung von dem heißen Trägergas kommt es bei der Anströmung des wärmespeichernden Materials zur Speicherbeladung. Bei der Entladung des Speichers wird dann insbesondere über die Behälteröffnung im oberen Bereich des Speicherbehälters kälteres Trägergas der Beschickung zugeführt, wobei das kältere Trägergas entlang der Beschickung nach unten strömt und hierbei durch Wärmeübertragung von dem wärmespeichernden Material aufgeheizt wird. Das aufgeheizte Trägergas kann dann im bodennahen Bereich des Speicherbehälters aus dem Beschickungsraum über den Gasdurchlass in den Ringkanal übertreten und wird dann über die Kanalöffnung des Ringkanals oder eine weitere Kanalöffnung aus dem Ringkanal und damit dem Speicherbehälter abgeführt. Eine Trägergasführung des kälteren Trägergases von unten nach oben im Speicherbehälter ist aber nicht ausgeschlossen. Preferably, hot carrier gas is supplied to the annular channel in the lower region of the storage tank, from where it passes through the gas passage into the charging chamber. The hot carrier gas then flows vertically upwards along the charging channel of the storage tank containing the heat-storing material and exits the tank through the opening in the upper region. Heat transfer from the hot carrier gas to the heat-storing material causes the storage tank to be charged. During discharge, cooler carrier gas is supplied to the charging channel, particularly through the opening in the upper region of the storage tank. This cooler carrier gas flows downwards along the charging channel and is heated by heat transfer from the heat-storing material. The heated carrier gas can then pass from the charging chamber into the annular channel near the bottom of the storage tank via the gas passage and is then discharged from the annular channel and thus from the storage tank via the channel opening of the annular channel or another channel opening. However, a flow of the cooler carrier gas from bottom to top within the storage tank is not excluded.
Besonders bevorzugt erfolgt die Zuleitung und Ableitung des Trägergases während des Beladungszyklus und während des Entladezyklus über lediglich eine Kanalöffnung im Ringkanal und lediglich eine Behälteröffnung im Speicherbehälter. Particularly preferably, the supply and discharge of the carrier gas during the loading cycle and during the unloading cycle takes place via only one channel opening in the ring channel and only one container opening in the storage container.
Der erfindungsgemäße Wärmespeicher ist für den Vertikal betrieb ausgelegt, so dass der Wärmespeicher bezogen auf den Verlauf der Längsachse des Speicherbehälters während des Beladungszyklus und während des Entladungszyklus vertikal aufrechtstehend angeordnet ist. Der Speicherbehälter wird dann bei der Beladung und bei der Entladung jeweils in vertikaler Richtung für eine Wärmeübertragung durchströmt. The heat storage device according to the invention is designed for vertical operation, so that the heat storage device is vertical with respect to the longitudinal axis of the storage container during the charging cycle and during the discharging cycle. It is arranged in an upright position. During both loading and unloading, the storage container is subjected to a vertical flow of heat for heat transfer.
Eine besonders bevorzugte konstruktive Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmespeichers sieht vor, dass der untere Behälterabschnitt konzentrisch zum oberen Behälterabschnitt angeordnet ist, wobei der untere Behälterabschnitt eine größere Innenquerschnittsfläche als der obere Behälterabschnitt aufweist und der obere Behälterabschnitt bodenseitig bereichsweise in den unteren Behälterabschnitt eintaucht. A particularly preferred design embodiment of the heat storage device according to the invention provides that the lower container section is arranged concentrically to the upper container section, wherein the lower container section has a larger internal cross-sectional area than the upper container section and the upper container section partially dips into the lower container section at its bottom.
Der Beschickungsraum kann gebildet werden durch eine obere Beschickungszone und eine untere Beschickungszone. Die obere Beschickungszone kann quer zur Aufstellrichtung des Speicherbehälters, insbesondere radial nach außen, begrenzt werden durch den oberen Behälterabschnitt und die untere Beschickungszone kann quer zur Aufstellrichtung des Speicherbehälters, insbesondere radial nach außen, begrenzt werden durch den unteren Behälterabschnitt, wobei, vorzugsweise, sich die untere Beschickungszone quer zur Aufstellrichtung des Speicherbehälters, insbesondere in radialer Richtung, über die obere Beschickungszone hinaus nach außen erstreckt. Die vorgenannte Ausführungsform der Erfindung ermöglicht einen einfachen konstruktiven Aufbau des erfindungsgemäßen Speicherbehälters und eine homogene Strömungsführung des Trägergases, insbesondere in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Ringkanal zur Zuleitung bzw. Ableitung des Trägergases zum Beschickungsraum bzw. aus dem Beschickungsraum. Durch die sich in radialer Richtung über die obere Beschickungszone nach außen erstreckende untere Beschickungszone wird insbesondere die Möglichkeit für eine konstruktiv einfache Ausgestaltung des Gasübergangs zwischen dem Ringkanal und der zweiten Beschickungszone geschaffen. Der obere Behälterabschnitt und der untere Behälterabschnitt weisen vorzugsweise zylindrische Behälterwände auf, die die Beschickungszonen begrenzen. The filling chamber can be formed by an upper filling zone and a lower filling zone. The upper filling zone can be bounded transversely to the orientation of the storage container, particularly radially outwards, by the upper container section, and the lower filling zone can be bounded transversely to the orientation of the storage container, particularly radially outwards, by the lower container section, wherein, preferably, the lower filling zone extends transversely to the orientation of the storage container, particularly in a radial direction, beyond the upper filling zone. The aforementioned embodiment of the invention enables a simple structural design of the storage container according to the invention and a homogeneous flow of the carrier gas, particularly in conjunction with the annular channel according to the invention for supplying or discharging the carrier gas to or from the filling chamber. The lower feeding zone, extending radially outwards beyond the upper feeding zone, allows for a structurally simple design of the gas transfer between the annular channel and the second feeding zone. The upper and lower container sections preferably have cylindrical walls that define the feeding zones.
Der Ringkanal ist vorzugsweise konzentrisch zum Beschickungsraum angeordnet, insbesondere konzentrisch zum oberen Behälterabschnitt. Besonders bevorzugt erstreckt sich der Ringkanal umlaufend entlang des gesamten Umfangs des oberen Behälterabschnitts. Besonders bevorzugt ist der Ringkanal an der Außenseite einer Seitenwand des oberen Behälterabschnitts ausgebildet, wobei die Seitenwand die obere Beschickungszone begrenzt. Vorzugsweise weist der Energiespeicher einen zylindrischen Aufbau auf, wobei der obere Behälterabschnitt und der untere Behälterabschnitt jeweils zylindrisch ausgebildet sind. Der untere Behälterabschnitt kann dann eine zylindrische Seitenwand aufweisen, die eine zylindrische Seitenwand des oberen Behälterabschnitts im unteren randnahen Bereich des oberen Behälterabschnitts konzentrisch umfasst. Zwischen den Seitenwänden der beiden Behälterabschnitte kann dann der Ringkanal ausgebildet sein. The annular channel is preferably arranged concentrically to the filling chamber, and particularly concentrically to the upper container section. Most preferably, the annular channel extends circumferentially along the entire circumference of the upper container section. Most preferably, the annular channel is formed on the outside of a side wall of the upper container section, with the side wall defining the upper filling zone. Preferably, the energy storage device has a cylindrical structure, with both the upper and lower container sections being cylindrical. The lower container section can then have a cylindrical side wall that concentrically surrounds a cylindrical side wall of the upper container section in the lower, near-edge region of the upper container section. The annular channel can then be formed between the side walls of the two container sections.
Nachfolgend beschriebene Ausführungsformen beziehen sich auf die bevorzugte zylindrische Ausgestaltung des Speicherbehälters mit Behälterabschnitten, die zylindrische Behälter- bzw. Seitenwände aufweisen. Es versteht sich, dass entsprechende Ausgestaltungen auch bei Speicherbehältern mit polygonaler Querschnittsgeometrie vorgesehen und realisiert sein können, auch wenn dies nachfolgend nicht ausdrücklich beschrieben ist. The embodiments described below refer to the preferred cylindrical design of the storage container with container sections having cylindrical container or side walls. It is understood that corresponding designs can also be provided for and implemented in storage containers with a polygonal cross-sectional geometry, even if this is not explicitly described below.
Der Ringkanal kann zwischen zwei konzentrischen Seitenwänden des oberen Behälterabschnitts und des unteren Behälterabschnitts ausgebildet sein, insbesondere wobei der Ringkanal von einer Außenfläche einer Seitenwand des oberen Behälterabschnitts und einer Innenfläche einer konzentrisch zur Seitenwand des oberen Behälterabschnitts angeordneten Seitenwand des unteren Behälterabschnitts begrenzt wird und/oder wobei der Ringkanal am unteren Ende des oberen Behälterabschnitts, benachbart zum Behälterboden, ausgebildet ist. Bei bestimmungsgemäßer Aufstellung des Wärmespeichers vertikal auf einem Untergrund wird der Ringkanal von vertikalen Wandabschnitten der Behälterabschnitte quer zur Längsachse des Speicherbehälters bzw. in radialer Richtung begrenzt. The annular channel can be formed between two concentric side walls of the upper and lower container sections, in particular wherein the annular channel is bounded by an outer surface of a side wall of the upper container section and an inner surface of a side wall of the lower container section arranged concentrically to the side wall of the upper container section, and/or wherein the annular channel is formed at the lower end of the upper container section, adjacent to the container bottom. When the heat storage unit is installed vertically on a surface as intended, the annular channel is bounded by vertical wall sections of the container sections transversely to the longitudinal axis of the storage container or in a radial direction.
Vorzugsweise erstreckt sich der Ringkanal in vertikaler Richtung bis zu einem unteren Rand der Seitenwand des oberen Behälterabschnitts und wird in radialer Richtung nach außen begrenzt durch eine vertikalen Seitenwand des unteren Behälterabschnitts. Den Abschluss des Ringkanals nach oben kann ein schräge Seitenwand des unteren Behälterabschnitts bilden, über die der obere Behälterabschnitt und der untere Behälterabschnitt miteinander verbunden sind. Der Ringkanal kann zu den Seiten und nach oben mit Ausnahme der wenigstens einen Kanalöffnung, die für eine Zuleitung und/oder Ableitung von Trägergas vorgesehen ist, geschlossen ausgebildet sein. Eine zweckdienliche konstruktive Ausgestaltung des Speicherbehälters, die einfach und kostengünstig zu fertigen ist und sich durch eine hohe mechanische Festigkeit der Konstruktion auszeichnet, sieht vor, dass am bodenseitigen Ende des oberen Behälterabschnitts ein Wandabschnitt des oberen Behälterabschnitts als hängender Wandabschnitt ausgebildet ist. Preferably, the annular channel extends vertically to a lower edge of the side wall of the upper container section and is bounded radially outwards by a vertical side wall of the lower container section. The annular channel can be terminated at the top by an inclined side wall of the lower container section, through which the upper and lower container sections are connected. The annular channel can be closed laterally and at the top, except for the at least one channel opening provided for the supply and/or discharge of carrier gas. A practical design for the storage container, which is simple and inexpensive to manufacture and is characterized by high mechanical strength of the construction, provides that at the bottom end of the upper container section a wall section of the upper container section is designed as a hanging wall section.
Durch einen hängenden Wandabschnitt am unteren Ende des oberen Behälterabschnitts kann der untere Bereich des Beschickungsraums des Speicherbehälters, der vom oberen Behälterabschnitt begrenzt wird, zumindest bereichsweise vom Ringkanal getrennt werden. A hanging wall section at the lower end of the upper container section allows the lower area of the storage container's filling chamber, which is bordered by the upper container section, to be separated from the ring channel, at least partially.
Unterhalb des hängenden Wandabschnitts ist dagegen der Beschickungsraum in radialer Richtung zum Ringkanal offen ausgebildet. Below the hanging wall section, however, the loading chamber is open in a radial direction towards the ring channel.
Der hängende Wandabschnitt liegt vorzugsweise nach unten hin nicht gegen den unteren Behälterabschnitt an. Im Bereich unterhalb der Verbindungsstelle zwischen dem oberen Behälterabschnitt und dem unteren Behälterabschnitt ist der obere Behälterabschnitt dann frei hängend ausgebildet und vorzugsweise lediglich über die Verbindung zum unteren Behälterabschnitt an der Verbindungsstelle getragen und stabilisiert. Der zwischen der hängenden Wand des oberen Behälterabschnitts und einer Außenwand des unteren Behälterabschnitts ausgebildete Ringraum kann dann zumindest einen Teil des Ringkanals bilden. The hanging wall section preferably does not rest against the lower container section at its bottom. In the area below the connection point between the upper and lower container sections, the upper container section is then freely suspended and preferably supported and stabilized only at the connection point to the lower container section. The annular space formed between the hanging wall of the upper container section and an outer wall of the lower container section can then form at least part of the annular channel.
Im Übrigen kann der hängende Wandabschnitt zum Beschickungsraum hin und zum Ringkanal hin jeweils thermisch isoliert sein, um eine hohe Temperaturbeständigkeit des Speicherbehälters in diesem Bereich zu gewährleisten. Furthermore, the hanging wall section towards the loading chamber and towards the ring channel can each be thermally insulated to ensure high temperature resistance of the storage tank in this area.
Bei dem oberen Behälterabschnitt und dem unteren Behälterabschnitt kann es sich um Metallbauteile handeln, wobei der obere Behälterabschnitt und der untere Behälterabschnitt jeweils eine vorzugsweise äußere metallische Behälterwand, insbesondere aus Stahl, aufweisen können. Vorzugsweise radial innenliegend, gegebenenfalls aber auch radial außenliegend, kann an der Behälterwand eine feuerfeste Isolierung vorgesehen sein. The upper and lower container sections can be made of metal components, each preferably having an outer metallic container wall, in particular made of steel. Preferably radially internal, but optionally also radially external, fire-resistant insulation can be provided on the container wall.
Die Isolierung der Behälterwand kann mehrschichtig ausgebildet sein. Insbesondere kann die Isolierung gebildet werden durch eine dem Beschickungsraum zugewandte außenliegende Isolierschicht aus einem Isoliermaterial mit einer hohen Härte, beispielsweise in Form einer Ausmauerung mit feuerfestem Ziegel, und eine zwischen der metallischen Behälterwand und der außenseitigen Isolierschicht angeordnete innenliegende Isolierschicht mit geringerer Härte, die beispielsweise durch einen zementhaltigen Isolierstoff gebildet sein kann. The insulation of the container wall can be multi-layered. In particular, the insulation can be formed by an outer insulating layer facing the filling chamber, made of an insulating material with high hardness. for example in the form of a lining with refractory brick, and an inner insulating layer of lower hardness arranged between the metallic container wall and the outer insulating layer, which may be formed, for example, by a cement-containing insulating material.
Der hängende Wandabschnitt am unteren Ende des oberen Behälterabschnitts kann ein zylindrisches Metallbauteil als Stützelement, insbesondere ein zylindrisches Stahlbauteil, aufweisen, das radial innenliegend, auf der dem Beschickungsraum zugewandten Seite, und, vorzugsweise, radial außenliegend, auf der dem Ringkanal zugewandten Seite, jeweils eine feuerfeste Isolierung, insbesondere aufweisend einen Mehrschichtaufbau, weiter insbesondere einen Zweischichtaufbau, aufweisen kann. Durch das Stützelement wird die Steifigkeit des oberen Behälterabschnitts verstärkt. Dies trägt zu einer hohen Stabilität des Speicherbehälters bei. The suspended wall section at the lower end of the upper container section can have a cylindrical metal component as a support element, in particular a cylindrical steel component, which can have fire-resistant insulation, in particular having a multi-layer structure, and more preferably a two-layer structure, radially inside on the side facing the filling chamber and, preferably, radially outside on the side facing the annular channel. The support element increases the stiffness of the upper container section. This contributes to the high stability of the storage container.
Vorzugsweise kann das Stützelement beidseitig in eine thermische Isolierschicht aus einem Isoliermaterial mit geringerer Härte, beispielsweise in einen zementhaltigen Isolierstoff, eingebettet sein, wobei sich an die so gebildete innenliegende Isolierschicht eine außenliegende Isolierschicht aus einem Isoliermaterial mit höherer Härte, beispielsweise in Form einer Ausmauerung mit feuerfestem Ziegel, anschließen kann. Die außenliegende Isolierschicht kann dann unmittelbar an den Beschickungsraum (radial innenliegend) und den Ringkanal (radial außenliegend) angrenzen. Preferably, the support element can be embedded on both sides in a thermal insulation layer made of a less hard insulating material, for example, a cementitious insulating material, wherein an outer insulation layer made of a more hard insulating material, for example, in the form of a lining of refractory brick, can adjoin the inner insulation layer thus formed. The outer insulation layer can then directly adjoin the loading chamber (radially inner) and the annular channel (radially outer).
Besonders bevorzugt kann das Stützelement des hängenden Wandabschnitts im Bereich der Verbindungsstelle zwischen dem oberen Behälterabschnitt und dem unteren Behälterabschnitt mit einer metallischen Seitenwand des oberen Behälterabschnitts verbunden, insbesondere verschweißt sein. The support element of the hanging wall section in the area of the connection point between the upper container section and the lower container section can particularly preferably be connected, in particular welded, to a metallic side wall of the upper container section.
Um eine hohe Widerstandsfähigkeit der Konstruktion zu gewährleisten, kann eine Kühleinrichtung zur Kühlung des hängenden Wandabschnitts, insbesondere zur Kühlung des Stützelements, vorgesehen sein Die Kühlung kann über konzentrisch um das Stützelement verlaufende Kühlschlangen realisiert sein, wobei, vorzugsweise, eine Wasserkühlung vorgesehen sein kann. To ensure high resistance of the structure, a cooling device can be provided for cooling the suspended wall section, in particular for cooling the support element. The cooling can be achieved via cooling coils running concentrically around the support element, preferably using water cooling.
Der obere Behälterabschnitt kann alternativ bodenseitig auf dem unteren Behälterabschnitt aufstehen. Es kann eine Tragstruktur vorgesehen sein, über die der obere Behälterabschnitt auf dem unteren Behälterabschnitt abgestützt ist. Im Bereich der Tragstruktur können Öffnungen mit einem lichten Öffnungsdurchmesser vorgesehen sein, der das Mehrfache des Partikeldurchmessers beträgt, so dass ein Übergang des wärmespeichernden Materials aus dem Beschickungsraum bzw. der Beschickungszone in den Ringkanal möglich ist. Die Tragstruktur dient zur Aufnahme der Gewichtskraft des oberen Behälterabschnitts und unterliegt der Kompression. Es ist daher nicht erforderlich, einen metallischen Träger in die Tragstruktur zu integrieren. Eine Kühlung der Tragstruktur kann dann nicht von Nöten sein. Alternatively, the upper container section can rest on the lower container section at ground level. A support structure can be provided, which supports the upper container section on the lower container section. Openings with a clear diameter several times the particle diameter can be provided in the support structure, allowing the heat-storing material to pass from the feed chamber or feed zone into the annular channel. The support structure serves to absorb the weight of the upper container section and is subject to compression. Therefore, it is not necessary to integrate a metallic support into the structure. Cooling of the support structure is then unnecessary.
Die Tragstruktur kann mehrere, vorzugsweise ringförmig angeordnete, säulenartige Strukturabschnitte aufweisen, zwischen denen Öffnungen für den Übergang des Wärmespeichermaterials aus dem Beschickungsraum in den Ringkanal gebildet sind. Benachbarte Strukturabschnitte können nach oben hin zusammenlaufen und bogenförmig verbunden sein, wobei im Bereich der bogenförmigen Verbindung eine darunterliegende Öffnung überbrückt wird. Durch eine Bogenkonstruktion lässt sich eine hohe Druckbelastbarkeit der Tragstruktur einreichen. The supporting structure can have several, preferably ring-shaped, column-like structural sections, between which openings are formed for the transfer of the heat storage material from the feed chamber into the annular channel. Adjacent structural sections can converge upwards and be connected in an arc, with an underlying opening being bridged in the area of the arc-shaped connection. An arc-shaped design allows for high compressive strength of the supporting structure.
Der Ringkanal ist vorzugsweise zum Beschickungsraum, insbesondere zur unteren Beschickungszone hin, offen ausgebildet, wobei die Öffnung den Gasdurchlass für Trägergas zum Beschickungsraum bildet, insbesondere wobei der Ringkanal in radialer Richtung zur oberen Beschickungszone hin geschlossen ausgebildet ist. Nach oben hin ist der Ringkanal ebenfalls vorzugweise geschlossen, mit Ausnahme der wenigstens einen Kanalöffnung zur Zu- und/oder Ableitung von Trägergas. The annular channel is preferably open towards the feed chamber, particularly towards the lower feed zone, with the opening forming the gas passage for carrier gas to the feed chamber, and particularly wherein the annular channel is closed in the radial direction towards the upper feed zone. The annular channel is also preferably closed at the top, with the exception of the at least one channel opening for the supply and/or discharge of carrier gas.
Der Ringkanal erstreckt sich in vertikaler Richtung nach unten vorzugsweise bis zum unteren Rand des als hängende Wand ausgebildeten Teilabschnitts des oberen Behälterabschnitts. Eine an den unteren Außenrand des als hängende Wand ausgebildeten Teilabschnitts des oberen Behälterabschnitts gelegte Gasdurchlassebene kann den Ringkanal funktional und konstruktiv nach unten hin begrenzen. The annular channel extends vertically downwards, preferably to the lower edge of the section of the upper container designed as a hanging wall. A gas passage plane located at the lower outer edge of this section of the upper container designed as a hanging wall can functionally and structurally limit the annular channel downwards.
Der Behälterboden des Speicherbehälters kann gebildet sein durch eine Bodenwand des unteren Behälterabschnitts, die den Beschickungsraum in vertikaler Richtung nach unten begrenzt und sich in radialer Richtung vorzugsweise bis unterhalb des Gasdurchlasses des Ringkanals erstreckt. In der Bodenwand kann eine zentrale Austragsöffnung für Wärmespeichermaterial vorgesehen sein. The bottom of the storage container can be formed by a bottom wall of the lower container section, which limits the filling space vertically downwards and extends radially preferably to below the gas passage of the annular channel. A central discharge opening for heat storage material can be provided in the floor wall.
Innenseitig kann der untere Behälterabschnitt eine konische Aufschiebefläche für das wärmespeichernde Material aufweisen, die sich unterhalb des Ringkanals vorzugsweise von der Austragsöffnung der Bodenwand bis zum radialen äußeren Rand des Ringkanals erstreckt. Die Solllage einer Schüttung des wärmespeichernden Materials in der untere Beschickungszone kann sich mit zunehmendem Betrieb des Speicherbehälters nach außen verlagern, wobei der Schüttwinkel, d.h. der Winkel zwischen der schrägen Außenfläche der Schüttung und einer horizontalen Bezugsebene, mit zunehmendem Betrieb des Wärmespeichers abnimmt und die Schüttung im Bereich unterhalb des Ringkanals in Richtung zum Gasdurchlass des Ringkanals wandert. Schließlich kann sich die Schüttungsgrenze des Wärmespeichermaterials so weit in Richtung zum Ringkanal verlagern, dass die Schüttung den Gasdurchlass des Ringkanals passiert und in den Ringkanal eingreift. Die Schüttungsgrenze bzw. die Außenfläche der Schüttung kann dann zumindest bereichsweise innerhalb des Ringkanals und oberhalb einer an den Unterrand des oberen Behälterabschnitts gelegten Gasdurchtrittsebene des Ringkanals verlaufen. On the inside, the lower section of the container can have a conical loading surface for the heat-storing material, which preferably extends from the discharge opening in the bottom wall to the radial outer edge of the annular channel below the channel. The desired position of the heat-storing material in the lower loading zone can shift outwards as the storage container operates, with the angle of repose, i.e., the angle between the inclined outer surface of the material and a horizontal reference plane, decreasing as the heat storage system operates. As the process increases, the material in the area below the annular channel migrates towards the gas passage of the annular channel. Eventually, the boundary of the heat-storing material can shift so far towards the annular channel that the material passes through the gas passage and enters the channel. The boundary of the material, or its outer surface, can then, at least partially, lie within the annular channel and above a gas passage plane of the annular channel located at the lower edge of the upper section of the container.
Um eine homogene Durchströmung des Ringkanals und eine gleichmäßige Anströmung des wärmespeichernden Materials im Beschickungsraum zu unterstützen, sind im Bereich des Gasdurchlasses des Ringkanals zum Beschickungsraum vorzugsweise keine Rückhalteelemente, wie wärmefeste Lochplatten oder Lochsteine, vorgesehen. Das wärmespeichernde Material wird dann im Beschickungsraum nicht zurückgehalten und kann wie oben beschrieben mit dem Betrieb des Wärmespeichers in Richtung zum Ringkanal „wandern“ und schließlich sogar in dem Ringkanal „aufsteigen“ bzw. in den Ringkanal eingreifen. To ensure homogeneous flow through the annular channel and uniform flow of heat-storing material to the feed chamber, no retaining elements, such as heat-resistant perforated plates or bricks, are preferably provided in the area of the gas passage between the annular channel and the feed chamber. The heat-storing material is then not retained in the feed chamber and, as described above, can migrate towards the annular channel during operation of the heat storage system and eventually even rise within the annular channel or interact with it.
Der Gasdurchlass des Ringkanals zum Beschickungsraum kann sich vorzugsweise im Wesentlichen ringförmig über die gesamte Umfangslänge des Ringkanals erstrecken. Mit anderen Worten ist der Ringkanal umlaufend zum Beschickungsraum vorzugsweise offen ausgebildet. Der Ringkanal kann eine in Umfangrichtung des Ringkanals gleichbleibende Öffnungsbreite (lichte Breite) des Gasdurchlasses aufweisen. Dies führt zu geringen Strömungsverlusten und einer gleichmäßigen Anströmung des wärmespeichernden Materials bei der Zuleitung oder Ableitung des Trägergases über den Ringkanal. Vorzugsweise weist der Ringkanal in vertikaler Richtung ausgehend vom Gasdurchlass nach oben bis zu einer schrägen Seitenwand des unteren Behälterabschnitts eine gleichbleibende lichte Breite auf. The gas passage of the annular channel to the feed chamber can preferably extend substantially in a ring shape over the entire circumferential length of the annular channel. In other words, the annular channel is preferably open all the way around to the feed chamber. The annular channel can have a constant opening width (clear width) of the gas passage along its circumference. This results in low flow losses and a uniform flow of gas to the heat-storing material when the carrier gas is fed into or discharged through the annular channel. Preferably, the annular channel has a constant clear width in the vertical direction from the gas passage upwards to an inclined side wall of the lower container section.
Besonders bevorzugt ist eine Beschickung des Beschickungsraums mit einem stückigen und/oder kugelförmigen wärmespeichernden Material vorgesehen, insbesondere können thermische Speicherkugeln aus Aluminiumoxid-Keramik (AL2O3- Keramik) als wärmespeicherndes Material vorgesehen sein. Der mittlere Material- und/oder Kugeldurchmesser kann zwischen 1 ,0 cm und 10,0 cm betragen, weiter bevorzugt größer oder gleich 1 ,5 cm und/oder bis 3 cm sein. Particularly preferred is the filling of the filling chamber with a lumpy and/or spherical heat-storing material; in particular, thermal storage spheres made of aluminum oxide ceramic (Al₂O₃ ceramic) can be used as the heat-storing material. The mean material and/or sphere diameter can be between 1.0 cm and 10.0 cm, and more preferably greater than or equal to 1.5 cm and/or up to 3 cm.
Die Dichte des wärmespeichernden Materials liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 3000 kg/m3und 6000 kg/m3, vorzugsweise zwischen 3000 kg/m3 und 4000 kg/m3 und weiter vorzugsweise bei ca. 3500 kg/m3. Dies gilt insbesondere für die Verwendung von kugelförmigem Wärmespeichermaterial aus einer Aluminiumoxid- Keramik. Solche Wärmespeicherkugeln zeichnen sich durch geringe Materialkosten, eine hohe Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe Hitzebeständigkeit aus. The density of the heat-storing material is preferably in the range between 3000 kg/ m³ and 6000 kg/ m³ , more preferably between 3000 kg/ m³ and 4000 kg/ m³ , and more preferably at approximately 3500 kg/ m³ . This applies in particular to the use of spherical heat storage material made of an aluminum oxide ceramic. Such heat storage spheres are characterized by low material costs, high heat capacity and thermal conductivity, as well as high heat resistance.
Die Öffnungsfläche des Gasdurchlasses kann dem Vielfachen der Korngröße, insbesondere des Kugeldurchmessers, des eingesetzten wärmespeichernden Materials entsprechen, so dass das wärmespeichernde Material den Gasdurchlass des Ringkanals bei der betriebsbedingten Verlagerung der Schüttung in radialer Richtung zum Ringkanal passieren kann. The opening area of the gas passage can correspond to a multiple of the grain size, in particular the sphere diameter, of the heat-storing material used, so that the heat-storing material can pass through the gas passage of the annular channel during the operational displacement of the packing in a radial direction to the annular channel.
Vorzugsweise wird der Speicherbehälter als Festbettspeicher unterhalb der Fluidisierungsgrenze der Schüttung betrieben. Preferably, the storage tank is operated as a fixed-bed storage tank below the fluidization limit of the packed bed.
Besonders bevorzugt ist eine Durchströmung des wärmespeichernden Materials im Bereich des Gasdurchlasses der Ringkanals mit einer Trägergasgeschwindigkeit unterhalb der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit vorgesehen, insbesondere wobei die Trägergasgeschwindigkeit weniger als 80%, vorzugsweise weniger als 50%, weiter vorzugsweise weniger als 25%, der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit betragen kann. Hierdurch wird eine Fluidiserung der Schüttung beim Durchströmen des wärmespeichernden Materials im Bereich des Ringkanals sicher verhindert. Die Minimalfluidisierungsgeschwindigkeit als Untergrenze der Existenz einer Wirbelschicht lässt sich beispielsweise nach der Ergun-Gleichung berechnen, welche eine geringe Abweichung zwischen Mess- und Berechnungswerten aufweist. Die Berechnung der Minimalfluidisierungsgeschwindigkeit ergibt sich beispielsweise aus der Veröffentlichung Werther J.: Strömungsmechanische Grundlagen der Wirbelschicht, Chem.-Ing.-Tech. 49, Nr. 3, Seite 193 bis 202, (1977). Die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit wird darüber hinaus berechnet für die maximale Beladungstemperatur des Speicherbehälters und den Absolutdruck, bei dem die Beladung/Entladung erfolgt. Particularly preferred is a flow through the heat-storing material in the region of the gas passage of the annular channel at a carrier gas velocity below the minimum fluidization velocity, especially wherein the carrier gas velocity can be less than 80%, preferably less than 50%, and further preferably less than 25%, of the minimum fluidization velocity. This reliably prevents fluidization of the packed bed when flowing through the heat-storing material in the region of the annular channel. The minimum fluidization velocity, as the lower limit for the existence of a fluidized bed, can be calculated, for example, using the Ergun equation, which exhibits a small deviation between measured and calculated values. The calculation of the minimum fluidization velocity can be found, for example, in the publication by Werther J.: Flow-mechanical fundamentals of fluidized beds, Chem.-Ing.-Tech. 49, No. 3, pages 193 to 202, (1977). The minimum fluidization velocity is also calculated for the maximum charging temperature of the storage tank and the absolute pressure at which charging/discharging takes place.
Besonders bevorzugt ist die Gasgeschwindigkeit des Trägergases beim Durchströmen des Ringkanals, insbesondere während des Entladungszyklus des Wärmespeichers, kleiner oder gleich der Gasgeschwindigkeit des Trägergases beim Durchströmen des oberen Behälterabschnitts des Speicherbehälters, insbesondere während des Beladungszyklus. Der Volumenstrom des Trägergases ist hierbei vorzugsweise so gewählt, dass die Gasgeschwindigkeit des Trägergases beim Durchströmen des Ringkanals und die Gasgeschwindigkeit des Trägergases beim Durchströmen des oberen Behälterabschnitts jeweils kleiner als die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit ist. Hierdurch wird die Wärmeübertragung zwischen dem wärmespeichernden Material und dem Trägergas verbessert und der Austrag von Teilen des wärmespeichernden Materials aufgrund einer Fluidisierung der Schüttung auch im Ringkanal sicher ausgeschlossen. Preferably, the gas velocity of the carrier gas flowing through the annular channel, particularly during the discharge cycle of the heat storage system, is less than or equal to the gas velocity of the carrier gas flowing through the upper section of the storage tank, particularly during the charging cycle. The volumetric flow rate of the carrier gas is preferably selected such that both the gas velocity of the carrier gas flowing through the annular channel and the gas velocity of the carrier gas flowing through the upper section of the tank are less than the minimum fluidization velocity. This improves the heat transfer between the heat-storing material and the carrier gas and reliably prevents the discharge of portions of the heat-storing material due to fluidization of the packing material, even within the annular channel.
Konstruktiv ist bei einem erfindungsgemäßen Wärmespeicher in diesem Zusammenhang weiter vorzugsweise vorgesehen, dass die lichte innere Querschnittsfläche des Ringkanals, insbesondere im Bereich des Gasdurchlasses auf Höhe der Gasdurchlassebene, größer oder gleich der lichten inneren Querschnittsfläche des oberen Behälterabschnitts am oberen Ende des Beschickungsraums ist. Die innere (lichte) Querschnittsfläche des oberen Behälterabschnitts kann zwischen 3 m2 und 100 m2, vorzugsweise zwischen 30 m2 und 80 m2, betragen. In the design of a heat storage device according to the invention, it is further preferably provided that the clear inner cross-sectional area of the annular channel, particularly in the area of the gas passage at the level of the gas passage plane, is greater than or equal to the clear inner cross-sectional area of the upper container section at the upper end of the charging chamber. The inner (clear) cross-sectional area of the upper container section can be between 3 m² and 100 m² , preferably between 30 m² and 80 m² .
Der spezifische Massenstrom des Trägergases bei Durchströmung der Beschickung des wärmespeichernden Materials im Speicherbehälter kann im Bereich zwischen 0,5 und 6,0 kg/(s*m2) liegen, bezogen auf die innere Querschnittsfläche des oberen Behälterabschnitts des Speicherbehälters im Bereich der Beschickung mit dem wärmespeichernden Material. Die Korngröße, vorzugsweise der mittlere Durchmesser, des wärmespeichernden Materials kann im Bereich zwischen 10 mm und 40 mm, beispielsweise im Bereich von 15 mm, liegen. The specific mass flow rate of the carrier gas when flowing through the feed of the heat-storing material in the storage container can be in the range between 0.5 and 6.0 kg/(s*m 2 ), based on the inner cross-sectional area of the upper container section of the storage container in the area of the feed with the heat-storing material. The grain size, preferably the mean diameter, of the heat-storing material can be in the range between 10 mm and 40 mm, for example in the range of 15 mm.
Die Dichte des wärmespeichernden Materials kann vorzugsweise im Bereich zwischen 3000 kg/m3und 6000 kg/m3, weiter vorzugsweise im Bereich von ca. 3500 kg/m3 liegen. The density of the heat-storing material can preferably be in the range between 3000 kg/m 3 and 6000 kg/m 3 , and more preferably in the range of approximately 3500 kg/m 3 .
Bei minimalen Fluidisierungsbedingungen kann die Porosität der Beschickung Werte zwischen 0,25 und 0,6, insbesondere 0,4, annehmen. Under minimal fluidization conditions, the porosity of the feed can assume values between 0.25 and 0.6, in particular 0.4.
Das Trägergas wird dem Speicherbehälter vorzugsweise auf einem Überdruckniveau zugeführt, wobei der Speicherbehälter als Druckbehälter ausgebildet ist und wobei der Druckbehälter ausgelegt ist für einen zulässigen Betriebsdruck von mehr als 1 ,5 bar (absolut), insbesondere von mehr als 5 bar (absolut), weiter insbesondere von mehr als 8 bar (absolut), bevorzugt von 9 bar (absolut), und, weiter vorzugsweise, für einen maximalen Betriebsdruck von weniger als 20 bar (absolut). The carrier gas is preferably supplied to the storage container at an overpressure level, wherein the storage container is designed as a pressure vessel and wherein the pressure vessel is designed for a permissible operating pressure of more than 1.5 bar (absolute), in particular more than 5 bar (absolute), further in particular more than 8 bar (absolute), preferably 9 bar (absolute), and, further preferably, for a maximum operating pressure of less than 20 bar (absolute).
Darüber hinaus ist während der Beladung des Speicherbehälters eine Zufuhr des heißen Trägergases zum Ringkanal mit einer Temperatur von mehr als 1000 °C bis 1500 °C, vorzugsweise zwischen 1100 °C und 1300 °C, vorgesehen. Dies setzt eine entsprechende Hitzebeständigkeit des erfindungsgemäßen Wärmespeichers, insbesondere des Speicherbehälters und aller für die Gaszuleitung und Gasableitung von heißem Trägergas vorgesehenen Gasleitungen vor. Furthermore, during the charging of the storage container, a supply of hot carrier gas to the annular channel at a temperature of more than 1000 °C to 1500 °C, preferably between 1100 °C and 1300 °C, is provided. This requires a corresponding heat resistance of the heat storage device according to the invention, in particular of the storage container and all gas lines provided for the supply and discharge of hot carrier gas.
Im Bereich der Behälterkuppel kann die Maximaltemperatur während des Betriebs des Wärmespeichers zwischen 20 °C und 1500 °C, beispielsweise ca. 500 °C, betragen. Die Temperaturen im Bereich des Ringkanals können aufgrund der Zuleitung von heißem Trägergas zwischen 1000 °C und 1500 °C, vorzugsweise 1100 °C und 1300 °C, betragen. Die für eine Wärmenutzung erforderliche Entladungs-Solltemperatur kann wenigstens 500 °C, vorzugsweise wenigstens 600 °C, und bis 1500 °C, weiter vorzugsweise bis 800 °C, betragen. Die zuvor angegebenen minimalen und maximalen Temperaturwerte beziehen sich insbesondere auf die Zusammenschaltung mehrerer Speicher. Eine bevorzugte konstruktive Ausgestaltung des Speicherbehälters sieht vor, dass die Zuleitung von heißem Trägergas in den Ringkanal im oberen Bereich des Ringkanals erfolgt, insbesondere schräg zum oberen Behälterabschnitt gerichtet. In the area of the tank dome, the maximum temperature during operation of the heat storage system can range between 20 °C and 1500 °C, for example, approximately 500 °C. Due to the supply of hot carrier gas, temperatures in the annular channel can range between 1000 °C and 1500 °C, preferably between 1100 °C and 1300 °C. The required discharge temperature for heat utilization can be at least 500 °C, preferably at least 600 °C, and up to 1500 °C, more preferably up to 800 °C. The minimum and maximum temperature values specified above refer in particular to the interconnection of multiple storage systems. A preferred design of the storage container provides that the supply of hot carrier gas into the annular channel takes place in the upper area of the annular channel, in particular directed obliquely towards the upper section of the container.
Der Speicherbehälter ist vorzugsweise als Stahlkonstruktion ausgebildet mit aus einem Stahlwerkstoff bestehenden oder einen Stahlwerkstoff aufweisenden Behälterwänden und weist zumindest bereichsweise eine feuerfeste Isolierung auf, insbesondere mehrschichtig und/oder beidseitig, insbesondere im Bereich angrenzend zum Ringkanal. Weiter insbesondere ist eine Isolierung an einer hängenden Behälterwand am bodenseitigen Ende des oberen Behälterabschnitts vorgesehen. Der Stahlwerkstoff kann die Güte aufweisen oder eine vergleichbare Güte. The storage tank is preferably designed as a steel structure with tank walls made of or incorporating a steel material and has at least partial fire-resistant insulation, in particular multi-layered and/or on both sides, especially in the area adjacent to the ring channel. Furthermore, insulation is specifically provided on a suspended tank wall at the bottom end of the upper tank section. The steel material can be of a grade of [grade] or a comparable grade.
Für eine thermische Isolierung kann auf einer dem Beschickungsraum und/oder dem Ringkanal zugewandten Seite des oberen Behälterabschnitts und/oder des unteren Behälterabschnitts eine Isolierung vorgesehen sein, die einen Mehrschichtaufbau aufweist, insbesondere einen Zweischichtaufbau, mit wenigstens einer dem Beschickungsraum, insbesondere der ersten, oberen Beschickungszone, zugewandten feuerfesten außenliegenden Isolierschicht aus einem Isoliermaterial mit einer hohen Härte und mit wenigstens einer weiteren an die äußere Isolierschicht angrenzenden innenliegenden Isolierschicht mit geringerer Härte. For thermal insulation, insulation may be provided on a side of the upper container section and/or the lower container section facing the charging chamber and/or the annular channel, which has a multi-layer structure, in particular a two-layer structure, with at least one fire-resistant outer insulating layer made of an insulating material with a high hardness facing the charging chamber, in particular the first, upper charging zone, and with at least one further inner insulating layer with a lower hardness adjacent to the outer insulating layer.
Weist der Speicherbehälter einen oberen Behälterabschnitt auf, der an seinem unteren Ende als hängende Wand ausgebildet ist, kann eine Isolierung der hängenden Wand beidseitig, auf der der Beschickungszone zugewandten Seite und der dem Ringkanal zugewandten Seite, vorgesehen sein. Zusätzlich kann eine Kühlung der hängenden Wand vorgesehen sein, vorzugsweise ausgebildet durch Kühlleitungen, Kühlschlangen oder dergleichen, die in die Isolierschicht mit geringerer Härte eingebettet sein können, vorzugsweise auf der dem Ringkanal zugewandten Seite der hängenden Wand. If the storage tank has an upper section that forms a hanging wall at its lower end, the hanging wall can be insulated on both sides, on the side facing the feed zone and on the side facing the annular channel. Additionally, the hanging wall can be cooled, preferably by means of cooling pipes, cooling coils, or the like, which can be embedded in the insulating layer with lower hardness, preferably on the side of the hanging wall facing the annular channel.
Die außenliegende Isolierschicht kann aus einem Isoliermaterial mit einer hohen Härte, beispielsweise in Form einer Ausmauerung mit feuerfestem Ziegel, bestehen, beispielsweise wobei ein Phosphat gebundener Ziegel (80 % Tonerde, gebrannt) beispielhaft eingesetzt werden kann. Zur Ausbildung einer innenliegenden Isolierschicht kann ein zementhaltiger Isolierstoff eingesetzt werden. Durch die äußere Isolierschicht mit höherer Härte wird eine hohe Druckfestigkeit gegenüber der Schüttung erreicht. Die innenliegende Isolierschicht mit geringerer Härte dient dagegen vorrangig zur Erhöhung der thermischen Stabilität. The outer insulating layer can consist of a highly rigid insulating material, for example, a lining of refractory brick, such as a phosphate-bonded brick (80% alumina, fired). A cementitious insulating material can be used to form an inner insulating layer. The outer insulating layer, with its higher rigidity, provides high compressive strength against the The fill level is reached. The inner insulating layer with lower hardness, on the other hand, primarily serves to increase thermal stability.
Für eine gleichmäßige Durchströmung der Schüttsäule im Beschickungsraum kann darüber hinaus das Höhe-zu-Durchmesser-Verhältnis im Bereich der oberen Beschickungszone, die radial durch eine vorzugsweise zylindrische Behälterwand des oberen Behälterabschnitts begrenzt wird, zwischen 0,5 und 1 ,8, vorzugsweise zwischen 1 ,0 und 1 ,6, liegen. Das Höhe-zu-Durchmesser-Verhältnis gibt das Verhältnis von aktiver Schütthöhe zum Innendurchmesser des die obere Beschickungszone begrenzenden oberen Behälterabschnitts wieder. To ensure uniform flow through the fill column in the feed chamber, the height-to-diameter ratio in the upper feed zone, which is radially bounded by a preferably cylindrical container wall of the upper container section, can be between 0.5 and 1.8, preferably between 1.0 and 1.6. The height-to-diameter ratio represents the ratio of the active fill height to the inner diameter of the upper container section that bounds the upper feed zone.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung und der Zeichnung selbst. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Further features, advantages, and applications of the present invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing and the drawing itself. All features described and/or illustrated, individually or in any combination, constitute the subject matter of the present invention, irrespective of their compilation in the claims or their cross-reference.
In der Zeichnung zeigen: The drawing shows:
Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht eines Speicherbehälters für einen erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Wärmespeicher; Fig. 1 shows a schematic longitudinal sectional view of a storage tank for a high-temperature heat storage system according to the invention;
Fig. 2 eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Speicherbehälters für einen erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Wärmespeicher mit im Vergleich zu Fig. 1 höherem Detailierungsgrad und Fig. 2 shows a schematic longitudinal sectional view of a further embodiment of a storage container for a high-temperature heat storage system according to the invention, with a higher level of detail compared to Fig. 1.
Fig. 3 eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Speicherbehälters für einen erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Wärmespeicher. Fig. 3 shows a schematic longitudinal sectional view of a further embodiment of a storage container for a high-temperature heat storage system according to the invention.
In den Fign. 1 und 2 sind schematisch mögliche Ausführungsformen von Speicherbehältern 1 eines Hochtemperatur-Wärmespeichers zum Speichern von thermischer Energie gezeigt, insbesondere wobei der Hochtemperatur-Wärmespeicher zur Bereitstellung von Hochtemperaturwärme für die Stromerzeugung und/oder als Prozesswärme für industrielle Anlagen und Prozesse oder für Kraftwerksanlagen ausgebildet und geeignet ist, weiter insbesondere wobei der Speicherbehälter eine Speicherkapazität von größer 100 MWh aufweist und für Beschickungstemperaturen von größer als 1000 °C bis 1500 °C, vorzugsweise von 1100 °C bis 1300 °C, ausgelegt ist. Figures 1 and 2 schematically show possible embodiments of storage tanks 1 of a high-temperature thermal energy storage system for storing thermal energy, in particular wherein the high-temperature thermal energy storage system is designed and suitable for providing high-temperature heat for power generation and/or as process heat for industrial plants and processes or for power plant systems, further in particular wherein the storage tank has a has a storage capacity of greater than 100 MWh and is designed for feed temperatures of greater than 1000 °C to 1500 °C, preferably from 1100 °C to 1300 °C.
In den Fign. 1 und 2 mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehene Bauteile weisen eine gleiche oder ähnliche konstruktive Ausgestaltung und/oder Funktionalität auf, auch wenn dies nicht im Einzelnen ausdrücklich beschrieben ist. Components shown in Figs. 1 and 2 with matching reference numerals have the same or similar design and/or functionality, even if this is not explicitly described in detail.
Der Speicherbehälter 1 weist einen oberen Behälterabschnitt 2 und einen unteren Behälterabschnitt 3 auf. Der obere Behälterabschnitt 2 bildet einen oberen Behälterabschluss, insbesondere eine Behälterkuppel 4 mit einer oberen Seitenwand 5 in Form eines Kugelsegments aus. Der untere Behälterabschnitt 3 bildet einen Behälterboden 6 des Speicherbehälters 1. The storage container 1 has an upper container section 2 and a lower container section 3. The upper container section 2 forms an upper container closure, in particular a container dome 4 with an upper side wall 5 in the form of a spherical segment. The lower container section 3 forms a container bottom 6 of the storage container 1.
Der obere Behälterabschnitt 2 und der untere Behälterabschnitt 3 begrenzen einen Beschickungsraum 7 zur Beschickung mit einem wärmespeichernden Material 8. Das Wärmespeichermaterial 8 ist lediglich schematisch gezeigt und besteht im vorliegenden Fall beispielhaft aus aluminiumoxidhaltigen Keramikkugeln mit einem Durchmesser von beispielsweise 1 ,5 cm bis 2 cm. Das wärmespeichernde Material 8 ist in Form einer Schüttung in den Beschickungsraum 7 eingebracht. Die Begriffe "Beschickung" und "Schüttung" werden nachfolgend alternativ und gleichbedeutend verwendet. Grundsätzlich könnte der Speicherbehälter 1 aber auch mit einem stückigen, nicht-kugelförmigem wärmespeichernden Material beschickt bzw. befüllt sein. Alternativ könnte der Wärmespeicherbehälter 1 grundsätzlich auch beliebige wärmespeichernde Elemente aufweisen, die in den Speicherbehälter 1 eingesetzt sind. The upper container section 2 and the lower container section 3 define a loading chamber 7 for filling with a heat-storing material 8. The heat-storing material 8 is shown only schematically and, in this example, consists of aluminum oxide-containing ceramic spheres with a diameter of, for example, 1.5 cm to 2 cm. The heat-storing material 8 is introduced into the loading chamber 7 as a loose fill. The terms "loading" and "fill" are used interchangeably and synonymously below. In principle, however, the storage container 1 could also be filled with a lumpy, non-spherical heat-storing material. Alternatively, the heat-storing container 1 could, in principle, also contain any heat-storing elements that are inserted into the storage container 1.
Der Speicherbehälter 1 ist für die vertikale Aufstellung auf einem Untergrund ausgebildet und ist während eines Beladungszyklus und während eines Entladungszyklus vertikal aufrechtstehend angeordnet. Der Speicherbehälter 1 wird während der Beladung und der Entladung von einem Trägergas 9, 10 im Wesentlichen vertikal durchströmt, was insbesondere den oberen Behälterabschnitt 2 betrifft. The storage container 1 is designed for vertical installation on a base and is arranged in a vertically upright position during a loading cycle and during a discharging cycle. During loading and discharging, a carrier gas 9, 10 flows essentially vertically through the storage container 1, particularly through the upper section 2.
Während des Beladungszyklus wird dem Beschickungsraum 7 heißes Trägergas 9 zugeführt, insbesondere Heißluft mit einer Temperatur von beispielsweise 1200 °C. Zur Heißlufterzeugung kann wenigstens ein nicht dargestellter elektrischer Lufterhitzer vorgesehen sein. Der Beschickungsraum 7 und damit die Schüttung des wärmespeichernden Materials 8 wird von dem heißen Trägergas 9 in vertikaler Richtung aufsteigend durchströmt, um das wärmespeichernde Material 8 durch Wärmeübertragung von dem heißen Trägergas 9 aufzuheizen. Grundsätzlich könnte auch eine Durchströmung des Speicherbehälters 1 mit dem heißen Trägergas 9 in vertikaler Richtung nach unten vorgesehen sein. During the loading cycle, hot carrier gas 9, in particular hot air with a temperature of, for example, 1200 °C, is supplied to the loading chamber 7. At least one electric air heater (not shown) can be provided for generating the hot air. The loading chamber 7, and thus the bulk material of the The heat-storing material 8 is permeated by a vertically rising flow of hot carrier gas 9, in order to heat the heat-storing material 8 by heat transfer from the hot carrier gas 9. Alternatively, the storage container 1 could also be configured to be permeated by a downward vertical flow of hot carrier gas 9.
Während des Entladungszyklus wird der Beschickungsraum 7 und damit die Schüttung des wärmespeichernden Materials 8 von einem kälteren Trägergas 10, insbesondere von Kaltluft, in vertikaler Richtung von oben nach unten durchströmt, um das kältere Trägergas 10 durch Wärmeübertragung von dem wärmespeichernden Material 8 aufzuheizen. Grundsätzlich könnte bei der Entladung das Trägergas 10 auch von unten nach oben durch den Speicherbehälter 1 geführt sein. During the discharge cycle, the feed chamber 7, and thus the bed of heat-storing material 8, is traversed vertically from top to bottom by a colder carrier gas 10, in particular cold air, in order to heat the colder carrier gas 10 by heat transfer from the heat-storing material 8. In principle, during discharge, the carrier gas 10 could also be guided through the storage container 1 from bottom to top.
Die Zufuhr von heißem Trägergas 9 in den Speicherbehälter 1 während des Beladungszyklus und die Abfuhr von im Speicherbehälter 1 erwärmten Trägergas 10 aus dem Speicherbehälter 1 während des Entladungszyklus erfolgt über wenigstens eine Kanalöffnung 11 eines Ringkanals 12. The supply of hot carrier gas 9 into the storage container 1 during the charging cycle and the removal of carrier gas 10 heated in the storage container 1 from the storage container 1 during the discharging cycle takes place via at least one channel opening 11 of an annular channel 12.
Im Bereich der Behälterkuppel 4 ist wenigstens eine Behälteröffnung 13 vorgesehen, um das Trägergas 9 während des Beladungszyklus nach dem Durchströmen des Speicherbehälters 1 aus dem Speicherbehälter 1 abzuführen. Über die Behälteröffnung 13 im Bereich der Behälterkuppel 4 wird das kältere Trägergas 10 dem Speicherbehälter 1 bei der Entladung zugeführt. At least one opening 13 is provided in the area of the container dome 4 to discharge the carrier gas 9 from the storage container 1 during the charging cycle after it has flowed through it. The cooler carrier gas 10 is supplied to the storage container 1 via the opening 13 in the area of the container dome 4 during discharge.
Im Übrigen weist der Speicherbehälter 1 eine obere Einfüllöffnung 14 zum Einfüllen des wärmespeichernden Materials 8 in das Innere des Speicherbehälters 1 auf und eine Austragsöffnung 15 mittig im Bereich des Behälterbodens 6, um das wärmespeichernde Material 8 bedarfsweise aus dem Speicherbehälter 1 austragen zu können. Furthermore, the storage container 1 has an upper filling opening 14 for filling the heat-storing material 8 into the interior of the storage container 1 and a discharge opening 15 in the middle in the area of the container bottom 6 in order to be able to discharge the heat-storing material 8 from the storage container 1 as required.
Der Ringkanal 12 wird radial innenliegend von einer vertikalen Seitenwand 16 des oberen Behälterabschnitts 2 und radial außenliegend von einer vertikalen Seitenwand 17 des unteren Behälterabschnitts 3 begrenzt. Die Seitenwände 16, 17 bilden vorzugsweise Außenwände des Speicherbehälters. Die Seitenwände 16, 17 können, wie in Fig. 2 mit höherem Detailierungsgrad gezeigt, eine innenliegende mehrschichtige Isolierung aufweisen, die in Fig. 1 nicht gezeigt ist. Die Seitenwände 16, 17 bestehen vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Stahl. Die Verbindung des oberen Behälterabschnitts 3 mit dem unteren Behälterabschnitt 2 erfolgt im Anschlussbereich der Seitenwände 16, 17 vorzugsweise durch Verschweißen. The annular channel 12 is bounded radially on the inside by a vertical side wall 16 of the upper container section 2 and radially on the outside by a vertical side wall 17 of the lower container section 3. The side walls 16, 17 preferably form the outer walls of the storage container. The side walls 16, 17 can, as shown in greater detail in Fig. 2, have an internal multi-layered insulation, which is not shown in Fig. 1. The side walls 16, 17 are preferably made of a metallic material, in particular steel. The connection of the upper container section 3 to the lower container section 2 is preferably made by welding at the connection point of the side walls 16, 17.
Die Seitenwände 16, 17 sind zumindest abschnittsweise zylindrisch ausgebildet, wobei die Seitenwand 17 zumindest abschnittsweise konzentrisch zur Seitenwand 16 angeordnet ist und wobei der zylindrische Teil des unteren Behälterabschnitts 3 einen größeren Innendurchmesser aufweist als der zylindrische Teil des oberen Behälterabschnitts 2. Der obere Behälterabschnitt 2 taucht mit seinem bodenseitigen Ende bereichsweise in den unteren Behälterabschnitt 3 ein. The side walls 16, 17 are at least partially cylindrical, with the side wall 17 being arranged at least partially concentrically to the side wall 16, and with the cylindrical part of the lower container section 3 having a larger inner diameter than the cylindrical part of the upper container section 2. The upper container section 2 extends with its bottom end partially into the lower container section 3.
Eine obere Beschickungszone 18 des Beschickungsraums 7 wird von der zylindrischen Seitenwand 16 des oberen Behälterabschnitts 2 radial begrenzt. Eine weitere, untere Beschickungszone 19 wird in radialer Richtung durch die zylindrische Seitenwand 17 des unteren Behälterabschnitts 3 begrenzt. Die Beschickungszonen 18, 19 gehen ineinander über und bilden einen zusammenhängenden Beschickungsraum 7. Hierbei erstreckt sich die untere Beschickungszone 19 in radialer Richtung über die obere Beschickungszone 18 hinaus bis zur Seitenwand 17 des unteren Behälterabschnitts 3. An upper loading zone 18 of the loading chamber 7 is radially bounded by the cylindrical side wall 16 of the upper container section 2. A further, lower loading zone 19 is radially bounded by the cylindrical side wall 17 of the lower container section 3. The loading zones 18 and 19 merge into one another and form a continuous loading chamber 7. The lower loading zone 19 extends radially beyond the upper loading zone 18 to the side wall 17 of the lower container section 3.
Der Ringkanal 12 ist konzentrisch zur Seitenwand 16 des oberen Behälterabschnitts 2 angeordnet. Nach unten bzw. bodenseitig ist der Ringkanal 12 offen ausgebildet, so dass ein vertikal nach unten offener Glasdurchlass 20 in Höhe einer horizontalen Durchlassebene 21 realisiert ist. Die Durchlassebene 21 begrenzt den Ringkanal 12 in vertikaler Richtung nach unten und verläuft durch den unteren Außenrand 38 der vertikalen Seitenwand 16 des oberen Behälterabschnitts 2. Über den Gasdurchlass 20 erfolgt der Eintritt des heißen Trägergases 9 aus dem Ringkanal 12 in die zweite Beschickungszone 19 und der Austritt des erwärmten Trägergases 10 aus der zweiten Beschickungszone 19 in den Ringkanal 12. The annular channel 12 is arranged concentrically to the side wall 16 of the upper container section 2. The annular channel 12 is open at the bottom, forming a vertically downward-opening glass passage 20 at the level of a horizontal passage plane 21. The passage plane 21 limits the annular channel 12 vertically downwards and extends through the lower outer edge 38 of the vertical side wall 16 of the upper container section 2. The hot carrier gas 9 enters the second charging zone 19 from the annular channel 12 via the gas passage 20, and the heated carrier gas 10 exits the second charging zone 19 into the annular channel 12 via the gas passage 20.
In vertikaler Richtung nach oben ist der Ringkanal 12 mit Ausnahme der wenigstens einen Kanalöffnung 11 geschlossen ausgebildet. Nach oben wird der Ringkanal 12 geschlossen durch eine schräge Seitenwand 22, die die vertikale Seitenwand 16 des oberen Behälterabschnitts 2 und die vertikale Seitenwand 17 des untere Behälterabschnitts 3 miteinander verbindet. Die Seitenwand 16 des oberen Behälterabschnitts 2 ist bei der gezeigten Ausführungsform am bodenseitigen Ende als hängender Wandabschnitt 23 ausgebildet. Durch den Ringraum zwischen dem hängenden Wandabschnitt 23 und einem oberen Bereich der zylindrischen Seitenwand 17 des unteren Behälterabschnitts 3 wird dann der Ringkanal 12 ausgebildet bzw. in radialer Richtung begrenzt. Die Gasdurchlassebene 21 liegt auf Höhe des unteren Außenrandes 38 des hängenden Wandabschnitts 23 der Seitenwand 16 des oberen Behälterabschnitts 2. In the vertical upward direction, the annular channel 12 is closed except for the at least one channel opening 11. The annular channel 12 is closed at the top by an inclined side wall 22, which connects the vertical side wall 16 of the upper container section 2 and the vertical side wall 17 of the lower container section 3. In the illustrated embodiment, the side wall 16 of the upper container section 2 is formed at its bottom end as A hanging wall section 23 is formed. The annular channel 12 is then formed or radially bounded by the annular space between the hanging wall section 23 and an upper region of the cylindrical side wall 17 of the lower container section 3. The gas passage plane 21 lies at the level of the lower outer edge 38 of the hanging wall section 23 of the side wall 16 of the upper container section 2.
Der Gasdurchlass 20 erstreckt sich vorzugsweise zumindest im Wesentlichen ringförmig über die gesamte Umfangslänge des Ringkanals 12 und weist bezogen auf die Gasdurchlassebene 21 eine gleiche Breite der Ringfläche auf, die in radialer Richtung durch die Seitenwände 16, 17 der Behälterabschnitte 2, 3 begrenzt wird. The gas passage 20 preferably extends at least substantially in a ring shape over the entire circumferential length of the annular channel 12 and has an annular area of the same width with respect to the gas passage plane 21, which is limited in the radial direction by the side walls 16, 17 of the container sections 2, 3.
Der Behälterboden 6 weist eine kugelsegmentförmige Bodenwand 24 auf, die innenseitig eine mehrschichtige Isolierung 25 gebildet aus Dämmziegeln 26 und feuerfesten Ziegeln 27 trägt. Auf der Isolierung 25 liegt die Schüttung mit dem wärmespeichernden Material 8 auf. The container base 6 has a spherical segment-shaped base wall 24, which on the inside carries a multi-layered insulation 25 formed of insulating bricks 26 and fire-resistant bricks 27. The fill containing the heat-storing material 8 rests on the insulation 25.
Die Innenfläche 28 des Behälterbodens 6 ist konisch ausgebildet. Die Innenfläche 28 erstreckt sich in radialer Richtung bis unterhalb des Gasdurchlasses 20 bzw. bis zur inneren Mantelfläche der zylindrischen Seitenwand 17 des unteren Behälterabschnitts 3. Vorzugsweise steigt die Innenfläche 28 des Behälterbodens 6 ausgehend von der zentralen Austragsöffnung 15 im Behälterboden 6 in radialer Richtung stetig bis zur Seitenwand 17 des unteren Behälterabschnitts 3 an. So wird eine Aufschiebefläche für das wärmespeichernde Material 8 gebildet, die sich von der Behältermitte radial nach außen erstreckt und die bis unterhalb des Gasdurchlasses 20 des Ringkanals 12 reicht. The inner surface 28 of the container base 6 is conical. The inner surface 28 extends radially to below the gas passage 20 or to the inner surface of the cylindrical side wall 17 of the lower container section 3. Preferably, the inner surface 28 of the container base 6 rises continuously in a radial direction from the central discharge opening 15 in the container base 6 to the side wall 17 of the lower container section 3. This forms a sliding surface for the heat-storing material 8, which extends radially outwards from the center of the container and reaches below the gas passage 20 of the annular channel 12.
Nach der Befüllung des Speicherbehälters 1 mit dem wärmespeichernden Material 8 kommt es während des Speicherbetriebs zu einer Änderung der Lage der Schüttungsgrenze 29a-29d der Schüttfläche 30 des wärmespeichernden Materials 8 und des Schüttungswinkels. Die Schüttungsgrenze 29a-29d definiert hierbei die Lage einer äußeren Schüttfläche 30 des wärmespeichernden Materials 8 in der unteren Beschickungszone 19 angrenzend zum Ringkanal 12. Dies ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. After the storage container 1 is filled with the heat-storing material 8, the position of the fill boundary 29a-29d of the fill surface 30 of the heat-storing material 8 and the fill angle change during storage operation. The fill boundary 29a-29d defines the position of an outer fill surface 30 of the heat-storing material 8 in the lower filling zone 19 adjacent to the annular channel 12. This is shown schematically in Fig. 2.
Vorzugsweise sind im Bereich des Gasdurchlasses 20 des Ringkanals 12 zum Beschickungsraum 7 keine Rückhalteelemente zum Rückhalt des wärmespeichernden Materials 8 im Beschickungsraum 7 vorgesehen, so dass das wärmespeichernde Material 8 mit zunehmendem Betrieb in Richtung zum Ringkanal 12 verlagert wird und auch im Ringkanal 12 aufsteigen kann. Preferably, no retaining elements for retaining the heat-storing material are present in the area of the gas passage 20 of the annular channel 12 to the feed chamber 7. Material 8 is provided in the feed chamber 7, so that the heat-storing material 8 is moved towards the ring channel 12 as operation increases and can also rise in the ring channel 12.
Ausgehend von einer Anfangsschüttungsgrenze 29a mit großem Schüttwinkel bzw. steiler Schüttfläche 30 kommt es während des Speicherbetriebs zu einer Verlagerung der Schüttungsgrenze 29b-d des wärmespeichernden Materials 8 zunehmend radial nach außen und nach oben, so dass eine Schüttungsgrenze 29d mit kleinem Schüttwinkel bzw. flacher Schüttfläche 30 erreicht werden kann, in der die Schüttfläche 30 zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollflächig, innerhalb des Ringkanals 12 liegt und der Ringkanal 12 durch die Schüttfläche 30 in vertikaler Richtung über seine gesamte lichte Breite nach unten hin begrenzt wird. Starting from an initial fill boundary 29a with a large angle of repose or steep fill surface 30, during storage operation the fill boundary 29b-d of the heat-storing material 8 shifts increasingly radially outwards and upwards, so that a fill boundary 29d with a small angle of repose or flat fill surface 30 can be achieved, in which the fill surface 30 lies at least partially, preferably completely, within the annular channel 12 and the annular channel 12 is bounded vertically by the fill surface 30 over its entire clear width downwards.
Für einen hohen Wärmeübergang zwischen dem Trägergas 9, 10, eine gute Gasablösung von dem wärmespeichernden Material 8, insbesondere bei Verwendung keramischer, weiter insbesondere kugelförmiger, Wärmespeichermaterialien 8, und um sicherzustellen, dass es bei der Beladung und/oder Entladung des Speicherbehälters 1 nicht zu einem Austrag des wärmespeichernden Materials 8 aus dem Speicherbehälter 1 kommt, ist eine Durchströmung der Schüttung des wärmespeichernden Materials 8 mit einer Trägergasgeschwindigkeit vorgesehen, die deutlich unterhalb der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit liegt. Insbesondere beträgt die Trägergasgeschwindigkeit weniger als 80%, vorzugsweise weniger als 50%, weiter vorzugsweise weniger als 25%, der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit. To ensure high heat transfer between the carrier gas 9, 10, good gas separation from the heat-storing material 8, particularly when using ceramic, and more specifically spherical, heat-storing materials 8, and to prevent the heat-storing material 8 from being discharged from the storage container 1 during loading and/or unloading, the heat-storing material 8 is conveyed through the bed at a carrier gas velocity significantly below the minimum fluidization velocity. In particular, the carrier gas velocity is less than 80%, preferably less than 50%, and more preferably less than 25%, of the minimum fluidization velocity.
Ausgehend insbesondere von der Bettporosität einer Schüttung des wärmespeichernden Materials 8 bei minimalen Fluidisierungsbedingungen, der Viskosität und Dichte des Trägergases 9, 10, dem mittleren Korn- bzw. Kugeldurchmesser des wärmespeichernden Materials 8 und dessen Dichte, sowie dem Gasdruck des Trägergases 9, 10 lässt sich beispielsweise über die dem Fachmann bekannte Ergun-Glei- chung die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit des Trägergases 9, 10 ermitteln, bei der es bei Durchströmung der Schüttung des wärmespeichernden Materials 8 mit dem Trägergas 9, 10 noch nicht zur Fluidisierung der Schüttung kommt. Starting in particular from the bed porosity of a bed of heat-storing material 8 under minimum fluidization conditions, the viscosity and density of the carrier gas 9, 10, the mean grain or sphere diameter of the heat-storing material 8 and its density, as well as the gas pressure of the carrier gas 9, 10, the minimum fluidization velocity of the carrier gas 9, 10 can be determined, for example, using the Ergun equation known to those skilled in the art, at which fluidization of the bed of heat-storing material 8 does not yet occur when the carrier gas 9, 10 flows through it.
Insbesondere ist eine Durchströmung des wärmespeichernden Materials 8 im Bereich des Gasdurchlasses 20 des Ringkanals 12, besonders bevorzugt auf Höhe der Gasdurchlassebene 21 mit einer Trägergasgeschwindigkeit unterhalb der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit vorgesehen. Vorzugsweise ist in diesem Zusammenhang eine konstruktive Ausgestaltung des Speicherbehälters 1 derart vorgesehen, dass die innere (lichte) Querschnittsfläche 31 des oberen Behälterabschnitts 16 und die innere (lichte) Querschnittsfläche 32 des Ringkanals 12, insbesondere auf Höhe der Gasdurchlassebene 21 , vorzugsweise zumindest im Wesentlichen gleich groß sind oder wobei die innere (lichte) Querschnittsfläche 32 des Ringkanals 12 größer als die innere (lichte) Querschnittsfläche 31 des oberen Behälterabschnitts 16 ist. Bei gleichem Volumenstrom des Trägergases 9, 10 kann so eine Fluidisierung der Schüttung des wärmespeichernden Material 8 bei der Beladung des wärmespeichernden Materials 8 durch Zuleitung von heißem Trägergas 9 in den Speicherbehälter 1 und bei der Entladung des wärmespeichernden Materials 8 durch Zuleitung von kälterem Trägergas 10 in den Speicherbehälter 1 gleichermaßen sicher verhindert werden, wobei das Trägergas 9, 10 die Schüttung sowohl im Bereich des oberen Behälterabschnitts 2 mit der inneren Querschnittsfläche 31 als auch im Bereich des Gasdurchlasses 20 des Ringkanals 12 mit der inneren Querschnittsfläche 32 jeweils mit einer ausreichend geringen Gasgeschwindigkeit unterhalb der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit durchströmt. In particular, a flow through the heat-storing material 8 in the area of the gas passage 20 of the annular channel 12 is provided, especially preferably at the level of the gas passage plane 21 with a carrier gas velocity below the minimum fluidization velocity. Preferably, in this context, a structural design of the storage container 1 is provided such that the inner (clear) cross-sectional area 31 of the upper container section 16 and the inner (clear) cross-sectional area 32 of the annular channel 12, in particular at the level of the gas passage plane 21, are preferably at least substantially the same size or wherein the inner (clear) cross-sectional area 32 of the annular channel 12 is larger than the inner (clear) cross-sectional area 31 of the upper container section 16. With the same volume flow rate of the carrier gas 9, 10, fluidization of the bed of heat-storing material 8 can be prevented equally reliably both when the heat-storing material 8 is loaded by supplying hot carrier gas 9 into the storage container 1 and when the heat-storing material 8 is discharged by supplying colder carrier gas 10 into the storage container 1, wherein the carrier gas 9, 10 flows through the bed both in the area of the upper container section 2 with the inner cross-sectional area 31 and in the area of the gas passage 20 of the annular channel 12 with the inner cross-sectional area 32 at a sufficiently low gas velocity below the minimum fluidization velocity.
Der Speicherbehälter 1 ist als Druckbehälter ausgelegt, insbesondere auf einen Betriebsdruck von beispielsweise mehr als 8 bar (absolut), weiter insbesondere von beispielsweise 9 bar (absolut) oder mehr. The storage tank 1 is designed as a pressure vessel, in particular for an operating pressure of, for example, more than 8 bar (absolute), and furthermore, in particular, of, for example, 9 bar (absolute) or more.
Der spezifische Massenstrom des Trägergases kann zwischen 0,5 und 6,0 kg/(s*m2) betragen, bezogen auf die innere Querschnittsfläche 31 des Speicherbehälters 1 (Fig. 1 ). . The specific mass flow rate of the carrier gas can be between 0.5 and 6.0 kg/(s* m² ), based on the internal cross-sectional area 31 of the storage container 1 (Fig. 1).
Der Betriebsdruck des Speicherbehälters 1 kann zwischen 6 bar (absolut), insbesondere 8 bar (absolut) und 10 bar (absolut) betragen. The operating pressure of the storage tank 1 can be between 6 bar (absolute), in particular 8 bar (absolute) and 10 bar (absolute).
Der Ringkanal 12 kann eine Hitzebeständigkeit von mehr als 1000 °C bis 1500 °C, beispielsweise von vorzugsweise 1200 °C, aufweisen. Auf diesem Temperaturniveau kann das heiße Trägergas 9 über die Kanalöffnung 11 dem Speicherbehälter 1 zugeleitet werden. Das bei der Beladung abgekühlte Trägergas 9 kann über die Behälteröffnung 13 im Bereich der Behälterkuppel 4 auf einem Temperaturniveau zwischen 500 °C und 1500 °C, beispielsweise bei ca. 850 °C (Einbehälterbetrieb) oder auch bei 1200 °C (bei Zusammenschalten mehrerer Speicherbehälter), aus dem Speicherbehälter 1 abgeleitet werden. Es versteht sich, dass eine entsprechende Hitzebeständigkeit auch für in den Fign. 1 und 2 nicht gezeigte Zu- und Ableitungen des Trägergases 9, 10 zum bzw. vom Speicherbehälter 1 vorgesehen sein kann. The annular channel 12 can have a heat resistance of more than 1000 °C up to 1500 °C, for example preferably 1200 °C. At this temperature level, the hot carrier gas 9 can be fed to the storage container 1 via the channel opening 11. The carrier gas 9, cooled during loading, can exit the container via the opening 13 in the region of the container dome 4 at a temperature level between 500 °C and 1500 °C, for example at approximately 850 °C (single-container operation) or at 1200 °C (when several storage containers are connected). Storage container 1. It is understood that corresponding heat resistance can also be provided for inlets and outlets of the carrier gas 9, 10 to and from storage container 1, which are not shown in Figures 1 and 2.
Die Trägergaserwärmung auf die Beladungstemperatur des Speicherbehälters 1 kann vorzugsweise mittels nicht gezeigter elektrischer Gaserhitzer des Hochtemperatur-Wärmespeichers erfolgen. The heating of the carrier gas to the charging temperature of the storage container 1 can preferably be carried out by means of electric gas heaters of the high-temperature heat storage unit (not shown).
Die Leitungsöffnung 11 für die Zuleitung von heißem Trägergas 9 zum Ringkanal 12 ist vorzugsweise gegenüberliegend zum hängenden Wandabschnitt 23 der Seitenwand 16 des oberen Behälterabschnitts 2 angeordnet. Die Gaszuführung ist somit auf den hängenden Wandabschnitt 23 gerichtet. An dem hängenden Wandabschnitt 23 wird der Trägergasstrom umgelenkt in Richtung auf den Gasdurchlass 20. The opening 11 for the supply of hot carrier gas 9 to the annular channel 12 is preferably arranged opposite the hanging wall section 23 of the side wall 16 of the upper container section 2. The gas supply is thus directed towards the hanging wall section 23. At the hanging wall section 23, the carrier gas flow is deflected towards the gas passage 20.
Die innere Querschnittsfläche 31 , die durch die Seitenwand 16 des oberen Behälterabschnitts 2 begrenzt wird, kann in einem Bereich zwischen 3 m2 und 100 m2, insbesondere zwischen 30 m2 und 80 m2, liegen. The inner cross-sectional area 31, which is bounded by the side wall 16 of the upper container section 2, can be in a range between 3 m 2 and 100 m 2 , in particular between 30 m 2 and 80 m 2 .
Um eine gleichmäßige Durchströmung der Schüttsäule im Beschickungsraum 7 zu gewährleisten, kann das Höhe-zu-Durchmesser-Verhältnis zwischen 0,5 und 1 ,8, vorzugsweise zwischen 1 ,0 und 1 ,6 betragen. Das Höhe-zu-Durchmesser-Verhältnis (Fig. 2) ist bezogen auf die aktive Schütthöhe 33 im oberen Behälterabschnitt 2 und den durch die zylindrische Seitenwand 16 des oberen Behälterabschnitts vorgegebenen Innendurchmesser 34 des Behälterabschnitts 2. To ensure a uniform flow through the pile in the feed chamber 7, the height-to-diameter ratio can be between 0.5 and 1.8, preferably between 1.0 and 1.6. The height-to-diameter ratio (Fig. 2) is based on the active pile height 33 in the upper container section 2 and the inner diameter 34 of the container section 2, which is defined by the cylindrical side wall 16 of the upper container section.
Wie in Fig. 2 im Detail gezeigt, weist die Bodenwand 24, die aus einem Stahlwerkstoff besteht, innenseitig eine thermische Isolierung 25 auf. Die Isolierung 25 wird gebildet durch eine dem Beschickungsraum 7 zugewandte Außenschicht 27, beispielsweise gebildet aus feuerfesten Ziegeln, und eine daran angrenzende Innenschicht 26, beispielsweise gebildet aus Dämmziegeln. Hiermit wird eine hohe Druckfestigkeit im Bereich des Behälterbodens 6 erreicht, da der Speicherbehälter 1 in diesem Bereich aufgrund der auf dem Behälterboden 6 lastenden Schüttung des wärmespeichernden Materials 8 einer hohen statischen und dynamischen Druckbelastung unterliegt. As shown in detail in Fig. 2, the bottom wall 24, which is made of a steel material, has thermal insulation 25 on its inner side. The insulation 25 is formed by an outer layer 27 facing the filling chamber 7, for example made of refractory bricks, and an adjacent inner layer 26, for example made of insulating bricks. This achieves high compressive strength in the area of the tank bottom 6, since the storage tank 1 is subject to high static and dynamic pressure loads in this area due to the load of heat-storing material 8 on the tank bottom 6.
Der als hängende Wand ausgebildete untere Wandabschnitt 23 des oberen Behälterabschnitts 2 unterliegt aufgrund der seitlich anliegenden Schüttung ebenfalls einer hohen mechanischen Belastung. Darüber hinaus grenzt der Wandabschnitt 23 an den Ringkanal 12 an und ist insbesondere bei der Beladung des Speicherbehälters 1 einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt. Für eine ausreichende thermische Isolierung und eine hohe Druckfestigkeit weist der hängende Wandabschnitt 23 auf seiner dem Beschickungsraum 7 zugewandten Seite und auf der Seite des Ringkanals 12 jeweils eine feuerfeste Außenschicht 36 aus einem Isoliermaterial mit hoher Härte und eine in radialer Richtung an die Außenschicht 36 angrenzende Innenschicht 37 mit geringerer Härte auf. Die Außenschicht 36 kann durch feuerfeste Ziegel gebildet sein, während die Innenschicht 37 durch Isolierbeton gebildet sein kann. The lower wall section 23 of the upper container section 2, designed as a hanging wall, is also subject to a [condition] due to the laterally adjacent fill. high mechanical stress. Furthermore, the wall section 23 borders the ring channel 12 and is subjected to high thermal stress, particularly during the loading of the storage tank 1. For sufficient thermal insulation and high compressive strength, the suspended wall section 23 has, on its side facing the loading chamber 7 and on the side facing the ring channel 12, a refractory outer layer 36 made of a high-hardness insulating material and an inner layer 37 with lower hardness, radially adjacent to the outer layer 36. The outer layer 36 can be formed by refractory bricks, while the inner layer 37 can be formed by insulating concrete.
Weiter weist der als hängende Wand ausgebildete untere Wandabschnitt 23 ein metallisches Stützelement 45 auf, bei dem es sich insbesondere um ein zylindrisches Stahlbauteil handeln kann. Das Stützelement 45 ist vorzugsweise mit der Seitenwand 16 des oberen Behälterabschnitts 2 im Bereich der Verbindungsstelle des oberen Behälterabschnitts 2 mit dem unteren Behälterabschnitt 3 verschweißt. Furthermore, the lower wall section 23, designed as a suspended wall, has a metallic support element 45, which may in particular be a cylindrical steel component. The support element 45 is preferably welded to the side wall 16 of the upper container section 2 in the area of the connection point between the upper container section 2 and the lower container section 3.
Im Übrigen ist eine in Fig. 2 lediglich schematisch gezeigte Kühleinrichtung 39 vorgesehen, um das in dem als hängende Wand ausgebildeten Wandabschnitt 23 vorgesehene Stützelement 45 zu kühlen. Die Kühleinrichtung 39 weist eine Zuleitung 40 und eine Ableitung 41 für Kühlwasser auf, das durch eine um den Wandabschnitt 23 verlaufende Kühlschlange geführt wird. Die Kühlschlage ist in die Innenschicht 37 der Isolierung eingebettet. Furthermore, a cooling device 39, shown only schematically in Fig. 2, is provided to cool the support element 45 located in the wall section 23, which is designed as a suspended wall. The cooling device 39 has an inlet 40 and an outlet 41 for cooling water, which is guided through a cooling coil running around the wall section 23. The cooling coil is embedded in the inner layer 37 of the insulation.
Die schräge Wand 22 und die Seitenwand 17 des unteren Behälterabschnitts 3, die den Ringkanal 12 nach oben und radial nach außen begrenzen, weisen ebenfalls eine mehrschichtige Isolierung auf, die innenseitig an den Behälterwänden 17, 22 angebracht ist. Wiederum kann eine zum Ringkanal 12 gerichtete Außenschicht 36 mit höherer Härte, beispielsweise gebildet durch feuerfeste Ziegel, und eine in Richtung zu den äußeren Behälterwänden 17, 22 gerichtete Innenschicht 37 mit geringerer Härte, beispielsweise gebildet durch Isolierbeton, vorgesehen sein. The sloping wall 22 and the side wall 17 of the lower container section 3, which define the annular channel 12 upwards and radially outwards, also have multi-layered insulation applied to the inside of the container walls 17, 22. Again, an outer layer 36 with higher hardness, for example formed by refractory bricks, facing the annular channel 12, and an inner layer 37 with lower hardness, for example formed by insulating concrete, facing the outer container walls 17, 22, can be provided.
Darüber hinaus weist der Ringkanal 12 zur Erhöhung der Druckstabilität gerundete Innenkanten im Anschlussbereich der schrägen Wand 22 des unteren Behälterabschnitts 3 an die Seitenwand 16 des oberen Behälterabschnitts 2 auf. In addition, the ring channel 12 has rounded inner edges in the connection area of the inclined wall 22 of the lower container section 3 to the side wall 16 of the upper container section 2 to increase pressure stability.
Auf der Seite eines Leitungsabschnitts 35 des Ringkanals 12, der in die Kanalöffnung 11 mündet, ist der Ringkanal 12 ebenfalls mit einer zuvor vorbeschriebenen zweischichtigen Isolierung ausgerüstet, die durch eine zum Ringkanal 12 gerichtete Außenschicht 36 mit höherer Härte und eine Innenschicht 37 mit geringerer Härte gebildet wird. On the side of a conduit section 35 of the ring channel 12, which opens into the channel opening 11, the ring channel 12 is also equipped with a previously described equipped with two-layer insulation, which is formed by an outer layer 36 with higher hardness directed towards the annular channel 12 and an inner layer 37 with lower hardness.
Die Behälterkuppel 4 des oberen Behälterabschnitts 2 weist eine zum Beschickungsraum 7 gerichtete Außenschicht 42 aus einem Material mit höherer Härte und eine daran in radialer Richtung nach außen angrenzende Innenschicht 43 aus einem Isoliermaterial mit geringerer Härte sowie eine äußere Behälterwand 44 auf, wobei als Außenschicht 42 eine gespritzte Isolierschicht aus feuerfesten Ziegeln und als Innenschicht 43 eine Schicht aus gespritztem Isolierbeton vorgesehen sein kann. The dome 4 of the upper tank section 2 has an outer layer 42 facing the charging chamber 7, made of a material with higher hardness, and an inner layer 43 adjacent to it in a radial direction to the outside, made of an insulating material with lower hardness, as well as an outer tank wall 44, wherein the outer layer 42 can be a sprayed insulating layer made of refractory bricks and the inner layer 43 can be a layer of sprayed insulating concrete.
Fig. 3 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform des in Fig. 2 gezeigten Speicherbehälters 1. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen funktions- und/oder baugleiche Merkmale des Speicherbehälters 1. Fig. 3 schematically shows an alternative embodiment of the storage container 1 shown in Fig. 2. Identical reference numerals denote functionally and/or structurally identical features of the storage container 1.
Abweichend zu dem in Fig. 2 gezeigten Speicherbehälter 1 ist bei dem in Fig. 3 gezeigten Speicherbehälter 1 vorgesehen, dass der obere Behälterabschnitt 2 bodenseitig auf dem unteren Behälterabschnitt 3 aufsteht bzw. über eine nicht im Einzelnen gezeigte Tragstruktur 46 auf dem unteren Behälterabschnitt 3 abgestützt ist. In contrast to the storage container 1 shown in Fig. 2, the storage container 1 shown in Fig. 3 is provided in such a way that the upper container section 2 rests on the lower container section 3 at its base or is supported on the lower container section 3 by a support structure 46 which is not shown in detail.
Bei der Tragstruktur 46 kann es sich um ein Mauerwerk aus temperaturfesten Ziegeln handeln. Insbesondere weist die Tragstruktur 46 kein metallisches Stützelement auf. Über die Tragstruktur 46 wird die Gewichtskraft des oberen Behälterabschnitts 2 in den unteren Behälterabschnitt 3 eingeleitet. Eine Kühlung der Tragstruktur 46 ist nicht erforderlich, wenn diese kein metallisches Stützelement aufweist. The supporting structure 46 can be a masonry structure made of temperature-resistant bricks. In particular, the supporting structure 46 does not have any metallic support elements. The weight of the upper container section 2 is transferred to the lower container section 3 via the supporting structure 46. Cooling of the supporting structure 46 is not required if it does not have any metallic support elements.
In Fig. 2 lediglich beispielhaft gezeigt ist eine Ausführungsform, bei der die Tragstruktur 46 eine radial innenliegende und eine radial außenliegende Isolierschicht 36 aus einem temperaturbeständigen Material, insbesondere aus temperaturfesten Ziegeln, aufweist. Im Bereich zwischen der Außenschicht 36 kann eine zementbasierte Innenschicht 37 vorgesehen sein, die aus einem Isoliermaterial mit geringerer Härte besteht. Figure 2 shows, by way of example only, an embodiment in which the supporting structure 46 has a radially inner and a radially outer insulating layer 36 made of a temperature-resistant material, in particular temperature-resistant bricks. In the area between the outer layer 36, a cement-based inner layer 37 can be provided, which consists of an insulating material with lower hardness.
Nicht gezeigt ist, dass der obere Behälterabschnitt 2 an seinem unteren bodenseitigen Ende auch einen anderen Aufbau der Tragstruktur 46 aufweisen kann, wobei die Tragstruktur 46 beispielsweise vollständig aus feuerfestem Ziegelmauerwerk gebildet sein kann. Weiter ist in Fig. 2 schematisch gezeigt, dass die Tragstruktur 46 ringförmig angeordnete säulenartige Strukturabschnitte 47 aufweisen kann, die nach oben bogenförmig zusammenlaufen, so dass insbesondere eine in Bereichen gewölbeartige Tragstruktur 46 gebildet wird. It is not shown that the upper container section 2 may also have a different structure of the supporting structure 46 at its lower bottom end, where the supporting structure 46 may, for example, be made entirely of refractory brickwork. Furthermore, Fig. 2 schematically shows that the supporting structure 46 can have ring-shaped column-like structural sections 47 which converge in an arc shape towards the top, so that in particular a vault-like supporting structure 46 is formed in certain areas.
Zwischen benachbarten Strukturabschnitten 47 sind Öffnungen 48 vorgesehen, um einen Übertritt des Wärmespeichermaterials 8 aus dem Beschickungsraum 7 bzw. der Beschickungszone 19 in den Ringkanal 12 zu ermöglichen. Die Öffnungsweite der Öffnungen 48 beträgt zu diesem Zweck ein Vielfaches der Partikelgröße des Wärmespeichermaterials 8, so dass ein freier Übergang des Wärmespeichermaterials 8 durch die Öffnungen 48 gewährleistet ist. Openings 48 are provided between adjacent structural sections 47 to allow the heat storage material 8 to pass from the feed chamber 7 or the feed zone 19 into the annular channel 12. For this purpose, the opening width of the openings 48 is a multiple of the particle size of the heat storage material 8, thus ensuring free passage of the heat storage material 8 through the openings 48.
Es versteht sich, dass die Tragstruktur 46 auch eine von der in Fig. 3 gezeigten Aus- gestaltung abweichende geometrische Ausgestaltung und/oder einen abweichenden Aufbau aufweisen kann. Beispielsweise können Längs- oder Querschlitze vorgesehen sein, die eine im Wesentlichen ringförmige, flächige Tragstruktur 46 durchbrechen, um einen Übertritt des Wärmespeichermaterials 8 zu ermöglichen. It is understood that the support structure 46 may also have a geometric design and/or a different structure than that shown in Fig. 3. For example, longitudinal or transverse slots may be provided that penetrate a substantially ring-shaped, planar support structure 46 to allow the heat storage material 8 to pass through.
Bezugszeichenliste: Reference symbol list:
1 Speicherbehälter 25 Isolierung 1 storage container 25 insulation
2 Behälterabschnitt 26 Innenschicht2 Container section 26 Inner layer
3 Behälterabschnitt 27 Außenschicht3 Container section 27 Outer layer
4 Behälterkuppel 30 28 Innenfläche4 Container dome 30 28 Inner surface
5 Seitenwand 29 Schüttungsgrenze5 side wall 29 fill limit
6 Behälterboden 30 Schüttfläche6 Container bottom 30 Pouring area
7 Beschickungsraum 31 Querschnittsfläche7 Loading area 31 Cross-sectional area
8 Wärmespeichermaterial 32 Querschnittsfläche8 Heat storage material 32 Cross-sectional area
9 Trägergas 35 33 Schütthöhe9 Carrier gas 35 33 Filling height
10 Trägergas 34 Innendurchmesser10 Carrier gas 34 Inner diameter
11 Kanalöffnung 35 Leitungsabschnitt11 Channel opening 35 Pipe section
12 Ringkanal 36 Außenschicht12 Ring channel 36 Outer layer
13 Behälteröffnung 37 Innenschicht13 Container opening 37 Inner layer
14 Einfüllöffnung 40 38 Außenrand14 Filling opening 40 38 Outer edge
15 Austragsöffnung 39 Kühleinrichtung15 Discharge opening 39 Cooling unit
16 Seitenwand 40 Zuleitung 16 Side wall 40 Supply line
17 Seitenwand 41 Ableitung 17 Side wall 41 Derivation
18 Beschickungszone 42 Außenschicht18 Feed zone 42 Outer layer
19 Beschickungszone 45 43 Innenschicht19 Feed zone 45 43 Inner layer
20 Gasdurchlass 44 Behälterwand20 Gas passage 44 Container wall
21 Gasdurchlassebene 45 Stützelement21 Gas passage level 45 Support element
22 Seitenwand 46 Tragstruktur22 Side wall 46 Supporting structure
23 Wandabschnitt 47 Strukturabschnitt23 Wall section 47 Structural section
24 Bodenwand 50 48 Öffnung 24 Floor wall 50 48 Opening
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CA1118652A (en) * | 1977-07-09 | 1982-02-23 | Axel Eschner | Storage heating unit |
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| EP2247906B1 (en) * | 2008-02-21 | 2014-01-29 | Franz Schweighofer | Heat accumulator |
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- 2025-03-27 WO PCT/EP2025/058462 patent/WO2025228593A1/en active Pending
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| "Strömungsmechanische Grundlagen der Wirbelschicht", CHEM.-ING.-TECH., vol. 49, no. 3, 1977, pages 193 - 202 |
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