-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmetransportsystem. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Wärmetransportsystem, welches ohne vorgegebene, installierte Transportwege, z.B. Leitungen auskommt sowie die hierfür benötigten mobilen Wärmespeicher und die Verfahren zu deren Be- und Entladung.
-
Durch steigende Energiepreise sowie durch den durch die Verbrennung fossiler Energieträger hervorgerufenen anthropogenen Treibhauseffekt gilt es, die vorhandene Energie effizienter zu nutzen und auch bislang nicht genutzte Energiequellen zu erschließen. Mit Hilfe der hier beschriebenen mobilen Wärmespeicher ist es möglich, bislang ungenutzte Abwärme vom Entstehungsort (Wärmequelle) zu Wärmeabnehmern (Wärmesenken) zu transportieren, um sie dort zu nutzen. Dadurch können in den Wärmesenken andere Energieträger substituiert und somit die Umwelt entlastet werden.
-
Prinzipiell besteht die Möglichkeit, diese Abwärme von der Quelle über ein leitungsgebundenes Nah- oder Fernwärmenetz zu Wärmesenken zu transportieren. Vielfach ist der Bau eines solchen leitungsgebundenen Wärmenetzes jedoch schwierig oder unwirtschaftlich. Dies ist besonders der Fall, wenn es schwierige Geländesituationen wie z.B. die Querung von Flüssen oder Bahnstrecken zu bewältigen gilt.
-
Zur Speicherung von thermischer Energie ohne Leitungsbindung stehen generell drei physikalische Prozesse zur Verfügung: die sensible, latente und thermochemische Wärmespeicherung. Erste Systeme, welche sich der Speicherung latenter Wärme bedienen, um diese ohne Leitungsbindung zu transportieren, sind bereits am Markt verfügbar. Bei diesen Latentwärmespeichern auf Natriumacetatbasis ist die auskoppelbare Temperatur verfahrensbedingt auf etwa 50 °C begrenzt.
-
Das Dokument
DD 2 52 664 A1 beschreibt ein mobiles Wärmespeichersystem für den Transport auf der Straße, der Schiene oder auch auf dem Wasser, bei dem sowohl feste, flüssige als auch gasförmige Wärmespeichermaterialen eingesetzt werden können. Das System ist für den Einsatz bei dezentralen Wärmeverbrauchern, bei Heizungs- und Warmwasserbereitungsanlagen vorgesehen.
-
Die
DE 31 15 988 A1 schlägt einen Warmwasserspeicher vor, in dem sowohl warmes als auch kaltes Wasser gleichzeitig und vermischungsfrei vorliegen, wobei eine Trennung zwischen der warmen und der kalten Seite erfolgt. Der Tank hat einen Kaltwassereinlass und einen Warmwasserauslass, zwischen Einlass und Auslass befindet sich eine bewegliche wasserdichte Wand. Es ist vorgesehen, das Wasser von der Einlass- zur Auslassseite der Wand zu befördern, wobei die Wand gleichzeitig verschoben wird
-
In der
EP 2 158 432 B1 wird ein Wärmespeicher offenbart, bei dem die Energiespeicherung in Wärmespeicherblöcken erfolgt, in die Verdampferrohre eingebettet sind, in die ein flüssiges Kondensat eingetropft wird, wonach sich in den Verdampferrohren Dampf bildet und der Wärmeinhalt des Dampfes zum Heizen genutzt wird.
-
Die
EP 2 350 549 B1 beschreibt einen von einem Rohrleitungssystem durchzogenen Wärmespeicher. Das System hat einen Teilabschnitt, in dem ein Arbeitsmedium zur Zu- und Abfuhr der Wärmeenergie fließt. In einem weiteren Teilabschnitt ist ein thermisch aufladbares Speichermaterial angeordnet. Ein Fluid strömt beim Laden oder Entladen des Speichermaterials durch die Teilabschnitte, um die Wärmeenergie zwischen dem Rohrleitungssystem und dem Speichermaterial zu übertragen, wobei das Speichermaterial Strömungskanäle zur Führung des Fluids enthält.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, bestehende Abwärmepotenziale weiterer Wärmequellen in sicherer und effizienter Weise nutzbar zu machen und somit zur Ressourcenschonung und zum Klimaschutz beizutragen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch einen Wärmetransportbehälter gemäß Patentanspruch 5.
-
Die Erfindung basiert ausschließlich auf der sensiblen Wärmespeicherung. Die Temperatur der Wärmeträger (des Wärmespeichermaterials) wird also verändert, um Wärmeenergie aufzunehmen oder abzugeben. Die aufgeladenen Wärmeträger werden dann vom Ort einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke verbracht, wo die Wärme entladen wird.
-
Die Erfindung ist insbesondere für die mobile Nutzung von Abwärme aus industriellen, gewerblichen sowie landwirtschaftlichen Quellen bestimmt.
-
Generell kann Abwärme als Niedertemperaturwärme (unter 100 °C, z.B. Kühlwasser von Blockheizkraftwerken von Biogasanlagen) sowie als Hochtemperaturwärme (über 100 °C, z.B. Prozessdampf oder Abgas von Blockheizkraftwerken) anfallen. Erfindungsgemäß ist die Speicherung von Hochtemperaturwärme vorgesehen (T>100°C).
-
Erfindungsgemäß wird Hochtemperaturwärme in einem festen Wärmespeichermaterial gespeichert, wobei ein festes, poröses, insbesondere mineralisches Speichermaterial (233) verwendet wird.
-
Erfindungsgemäß werden Behälter mit dem Speichermaterial auf den verfügbaren Transportwegen zwischen Wärmequellen und Wärmesenken transportiert. Die Konzepte sind insbesondere auf den Straßentransport ausgerichtet, aber auch andere Transportsysteme sind denkbar. Es werden Speichermaterialien mit einer Masse von 5 bis 50 Tonnen verwendet. Zur einfacheren Integration in bestehende Logistikkonzepte können die Speicher in containerähnlicher Bauform ausgeführt sein.
-
Die erfindungsgemäße Hochtemperaturspeicherung ist zur Nutzung der Abgasabwärme von Generatoren zur Stromerzeugung oder Blockheizkraftwerken geeignet. Derzeit sind in der BRD etwa 5.000 Biogasanlagen mit einer elektrischen Gesamtleistung von etwa 1,7 GW installiert, die mit einer mittleren Verfügbarkeit von 8.000 Stunden pro Jahr betrieben werden. Die von Biogasanlagen nutzbare thermische Leistung entspricht etwa ihrer elektrischen Leistungsabgabe. Der Anteil der nutzbaren Hochtemperaturwärme beträgt knapp die Hälfte der thermischen Leistung. Die überwiegende Anzahl der Biogasanlagen verfügt über keine ausreichende Wärmenutzung, was überwiegend durch die Aufstellungsorte in ländlichen Gegenden begründet ist.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Wärmespeicher handelt es sich um eine Variation des Funktionsprinzips des Winderhitzers des Hochofenprozesses (sog. Cowper), bei dem schamottbasierte Steine als Wärmespeichermaterial eingesetzt werden und bei dem der Wärmeübergang ebenfalls durch direkten Gas-Feststoffkontakt ohne zusätzliche Wärmetauscher erfolgt. Für die mobile Wärmespeicherung scheidet die Verwendung von Schamottsteinen allerdings aus, da sie über eine zu geringe mechanische Festigkeit verfügen. Zusätzlich wird ihre hohe thermische Belastbarkeit bei der Speicherung von Motorenabgas nicht benötigt. Es ist erfindungsgemäß ein festes, poröses, vorzugsweise mineralisches Speichermaterial verwendbar. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt eine Kiesschüttung eine geeignete Kombination aus mechanischer und thermischer Stabilität bei gleichzeitig geringen Materialkosten dar.
-
Mit einer Speicherdichte von etwa 100 kWh pro Tonne Speichermaterial ist der wirtschaftlich bedingte Transportradius für Hochtemperaturwärme größer als der für Niedertemperaturwärme. Darüber hinaus eröffnet die Speicherung von Hochtemperaturwärme weitere Anwendungsgebiete, die sich mit der erfindungsgemäßen Speicherung von Niedertemperaturwärme oder ersten marktverfügbaren mobilen Latentwärmespeichern auf Natriumacetatbasis (vgl. www.latherm.de), bei denen die auskoppelbare Temperatur auf etwa 50 °C verfahrensbedingt begrenzt ist, kaum realisieren lassen. Zu diesen weiteren Anwendungsgebieten gehören z.B. die Dampferzeugung, der Betrieb von Adsorptionskälteanlagen für Tieftemperaturanwendungen sowie die aus trinkwasserhygienischen Gründen zum Abtöten von Legionellen erforderliche Brauchwassererwärmung auf über 60 °C. Auch wenn ein Teil dieses Anwendungsgebietes theoretisch durch die Verwendung anderer Latentwärmespeichermedien erschlossen werden könnte, würde dies unter Inkaufnahme höherer Kosten zur Beherrschung von Korrosionsproblemen und einer möglichen Einstufung in die Gefahrgutverordnung geschehen. Zum Verfahren der thermochemischen mobilen Wärmespeicherung, z.B. mit Zeolithen, konnten sich bis heute keine Verfahren am Markt etablieren.
-
Die Be- und Entladung mit Hochtemperaturwärme erfolgt durch direkten Gas-Feststoffkontakt, da hierdurch der beste Wärmeübergang erzielt werden kann. Darüber hinaus entfallen hierbei verfahrensbedingt die Kosten für Wärmetauscher. Der Umschlag des Wärmespeichermaterials erfolgt erfindungsgemäß durch Austausch von Transporteinheiten, die beispielsweise als Container ausgeführt sein können.
-
Kurze Transport- und Umschlagzeiten sind für die Realisierung der Erfindung von besonderer ökonomischer Bedeutung. Abhängig von der verwendeten Technologie, den vereinbarten Preisen für die Abwärme und des transportierten Speichermaterial liegt der Wert einer Speicherladung im Bereich von 50 bis über 100 Euro. Bei einer zukünftigen Erhöhung des zulässigen Gesamtgewichtes für LKW Transporte würde sich dieser Wert entsprechend erhöhen.
-
Bei den derzeitigen Betriebskosten für LKWs oder größere Traktoren von etwa 60 bis 80 Euro pro Stunde (inklusive Fahrer) liegt der wirtschaftlich vertretbare Transportradius im Bereich zwischen 5 und 15 Kilometern und ist damit deutlich größer als der Versorgungsradius der meisten Nahwärmenetze.
-
Der Vorteil der erfindungsgemäßen mobilen Hochtemperaturwärmespeicherung besteht in dem extrem einfachen und robusten Aufbau. Der Wärmespeicher kann, sofern er mit den Abgasen von Verbrennungsmotoren, deren Temperatur in aller Regel 400 - 500 °C beträgt, beladen wird, weder überhitzen noch kann er überladen werden. In diesem Temperaturbereich kann z.B. Kies als Wärmespeichermaterial verwendet werden, da eine thermische Umwandlung des Materials, der sogenannte Quarzsprung, erst bei 573 °C stattfinden würde und so sicher ausgeschlossen werden kann. Mit dem Bezugspreis von Kies, der in Kieswerken in der Größenordnung von mehreren Tausend Tonnen pro Tag umgesetzt wird und im Bereich von etwa 10 Euro pro Tonne liegt, kann kein anderes bekanntes Wärmespeichermaterial konkurrieren. Darüber hinaus ist Kies handelsüblich bereits in vielen Korngrößenverteilungen verfügbar, kann einfach nachgesiebt werden und besitzt verglichen mit vielen anderen Gesteinen eine vergleichsweise runde Struktur, die sich positiv auf die Durchströmung mit Gas und auf eine verfahrensnotwendige Auflockerung der Kiesschüttung auswirkt.
-
Zur Erhöhung des Wärmeüberganges vom heißen Abgas auf den kälteren Kies ist eine möglichst hohe Turbulenz der Gasströmung erforderlich, die zu einem erhöhten gasseitigen Differenzdruck oder Druckverlust über die Kiesschüttung führt. Dieser Druckverlust ist motorenseitig nach oben hin durch die ansteigenden Abgastemperaturen begrenzt. Verschiedene Motorentypen erlauben unterschiedliche maximale Abgasgegendrücke. Als allgemeingültige Obergrenze kann jedoch 10 mbar maximaler Abgasgegendruck angesehen werden. Damit ist der Hochtemperaturspeicher so zu dimensionieren, dass ein maximaler Gegendruck von etwa 7 mbar nicht überschritten werden kann.
-
Die Berechnung des Druckverlustes bei der Durchströmung von Schüttungen kann nach der Gleichung von Ergun berechnet werden, in die die Leerrohrströmungsgeschwindigkeit des Gases, dessen Temperatur, Dichte und Viskosität sowie der Kugeldurchmesser der Schüttung und dessen Lückengrad eingehen.
-
Mit zunehmender Temperatur steigt bei konstanter Gasströmung, bedingt durch die Erhöhung der Viskosität des Gases, der Druckverlust über die Schüttung. Daher sind die Hochtemperaturspeicher so auszulegen, dass der Druckverlust bei vollständig aufgeheiztem Speicher und einem gegebenen Abgasvolumenstrom sicher unterhalb von beispielsweise 7 mbar bleibt.
-
Die Beherrschung von verstärkten Randströmungen, die beim Durchströmen von in festen Geometrien befindlichen Schüttgütern auftreten, ist vergleichsweise einfach durch das Anbringen einer temperaturbeständigen weichen Schicht, wie z.B. Glaswolle, an den Behälterwänden zu erreichen. Glaswolle bietet darüber hinaus den Vorteil, dass sie bei einer verfahrensbedingten Unterschreitung des Wasser- und Säuretaupunktes (z.B. bei Biogasanlagen aus der Verbrennung von Schwefelwasserstoff) chemisch beständig ist. Die gasberührten Teile des Hochtemperaturwärmespeichers sollten aus diesem Grund aus höherwertigen Edelstählen, wie z.B. 1.4571, gefertigt sein. Für die ebenfalls mechanisch hoch beanspruchten Teile, wie den unteren Auflagerost und evtl. auch das gasdurchlässige Tragesystem unterhalb des Auflagerostes kann auch auf besonders gegen Schwefelsäure resistente Stähle wie 1.4539 zurückgegriffen werden.
-
Die wesentliche Herausforderung besteht in der Beherrschung der Wärmespannungen, die beim Aufheizen und Abkühlen der Schüttung entstehen. Die lineare Ausdehnung einzelner Kiesel liegt bei einer Temperaturänderung von 400 Kelvin etwa im Bereich von einem Prozent. Beim Abkühlen der Schüttung zieht sich diese zusammen, und es besteht die Gefahr, dass einzelne Steine in eine tiefere Ebene rutschen, so dass die Schüttung zusammensackt und sich im unteren Teil verdichtet. Bei erneuter Erwärmung treten dadurch im unteren Teil immer stärkere Kräfte durch die Wärmeausdehnung des Speichermaterials auf. Nach einer größeren Anzahl von Wechselzyklen kann es bei stationären Wärmespeichern hierdurch zu einer mechanischen Zerstörung der das Speichermaterial umgebenden Behälter kommen.
-
Bei mobilen Wärmespeichern, die beispielsweise mit eher rundem Kies gefüllt sind, kommt es allein durch transportbedingte Erschütterungen zu einer fortwährenden Auflockerung des Speichermaterials. Durch die optional sich nach oben erweiternden konischen Behälterwände kann eine Ableitung der Wärmespannungen beim Aufheizvorgang nach oben erfolgen, die Auflockerung durch Transporterschütterungen wird begünstigt.
-
Das folgende Beispiel veranschaulicht eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Hochtemperaturwärmespeichers: Drei konische Behälter aus Edelstahl (z.B. 1.4571) mit einer Höhe von 2.300 mm, einem oberen Durchmesser von 2.000 mm und einem unteren Durchmesser von 1.500 mm sind in einem innenseitig wärmegedämmten Container installiert und mit insgesamt 23 Tonnen Kies gefüllt. Bei einer Beladung bis zu einer mittleren Temperatur von 450 °C und einer Entladung bis auf 50 °C können etwa 2.300 kWh an Wärme gespeichert werden. Für den Fall, dass zukünftig LKW-Transporte bis 60 Tonnen (sogenannte Gigaliner) zugelassen werden, erhöht sich der Anwendungsbereich aller Verfahren der mobilen Wärmespeicherung erheblich.
-
Die Metallkonstruktion der mobilen Hochtemperaturwärmespeicher nach dem o.g. Beispiel ist für alle Größen von Biogasanlagen und verwendeten Motorentypen gleich. Abhängig vom jeweiligen Abgasvolumenstrom und dem maximal zulässigen Abgasgegendruck werden unterschiedliche Kiesschüttungen verwendet.
-
Die Speicherdichte der erfindungsgemäßen Hochtemperaturwärmespeicherung pro Containerladung liegt mit etwa 100 kWh pro Tonne Speichermaterial, unabhängig von der gesetzlich zulässigen Begrenzung der Transporttonnage, etwa 50 Prozent höher als die der erfindungsgemäßen Niedertemperaturwärmespeicherung, und damit im Bereich von marktverfügbaren Latentwärmespeichern auf Natriumacetatbasis.
-
Anhand der Zeichnungen wird das erfindungsgemäße Prinzip der mobilen sensiblen Wärmespeicherung näher erläutert:
- 1 bis 4 zeigen die Be- und Entladung eines Mobilspeichers mit festem mineralischen Speichermaterial gemäß der Erfindung;
- 5 und 6 zeigen eine Ausführungsform des Mobilspeichers mit festem mineralischen Speichermaterial gemäß der Erfindung;
- 7 bis 11 zeigen alternative Ausführungsformen des Mobilspeichers mit festem mineralischen Speichermaterial gemäß der Erfindung;
-
In 1 bis 4 wird beispielhaft die Be- und Entladung eines Mobilspeichers mit festem mineralischen Speichermaterial dargestellt.
-
Drei konische gasdichte Behälter (230), in deren Inneren sich das poröse Wärmespeichermaterial befindet, sind, wie beispielhaft in 1 dargestellt, in einem Container (231) montiert. Zur Verringerung von Wärmeverlusten sind die drei Behälter sowie der Innenraum des Containers mit Mineralwolle (232) gedämmt. Das heiße Abgas eines Stromaggregates mit Verbrennungsmotor (220) wird über den Stutzen A in den linken der drei Behälter eingeleitet, durchströmt das poröse Wärmespeichermaterial (233) von unten nach oben und tritt im oberen Teil des linken Behälters wieder aus. Der Wärmeübergang vom heißen Abgas an das Wärmespeichermaterial erfolgt ungehindert durch direkten Gas-Feststoffkontakt. Am Boden der drei Behälter ist jeweils als zusätzliche Option ein Ablassstutzen (236) für bei der Abkühlung aus dem Gas ausfallendes Kondensat angebracht. Zum Schutz des Verbrennungsmotors darf ein zusätzlicher maximaler Abgasgegendruck nicht überschritten werden. Als allgemeiner Richtwert kann hier von 10 mbar für das gesamte Abgassystem nach dem Schalldämpfer ausgegangen werden. Als Auslegungsgrundlage und zur Berücksichtigung von Rohrleitungsverlusten soll der maximale Druckverlust über das gesamte Speichermaterial im aufgeheizten Zustand inklusive der Strömungsverluste innerhalb des Mobilspeichers 7 mbar betragen. Als zusätzliche Sicherheit ist zwischen Verbrennungsmotor und Mobilspeicher ein Sicherheitsventil (221) installiert, das bei einem unzulässig hohen Druckverlust über den Mobilspeicher öffnet, das heiße Abgas über einen Notkamin (222) in die Umgebung ableitet und den Motor so vor Beschädigungen schützt. 1 zeigt den Mobilspeicher während des fortgeschrittenen Beladungsvorgangs. Über den Stutzen A wird vom Verbrennungsmotor kommendes 450 °C heißes Abgas in den Speicher geleitet. Das Speichermaterial im linken Behälter hat eine mittlere Temperatur von 400 °C, die im mittleren Behälter von 200 °C, während das Speichermaterial im linken Behälter noch eine mittlere Temperatur von etwa 50 °C aufweist. Das Abgas wird über einen Kamin (223) an die Umgebung abgegeben.
-
In 1 bis 3 sind die drei Behälter (230) beispielhaft in Reihe geschaltet. Ebenso können die Behälter parallel geschaltet werden, wie in 4 dargestellt. Durch die Parallelschaltung verringert sich die Anströmgeschwindigkeit des Abgases auf das Speichermaterial, so dass bei gleicher Schüttung der Druckverlust über das Speichermaterial deutlich abnimmt. Dieser Verringerung des Druckverlustes bei Parallelschaltung der drei Behälter kann durch die Wahl eines kleineren Korndurchmessers des Speichermaterials entgegengewirkt werden.
-
Beispielhaft kann für einen Stromerzeuger mit einer elektrischen Leistung von 500 kW, bei dem der Druckverlust über das Speichermaterial etwa 7 mbar betragen soll, bei Reihenschaltung der drei Behälter eine Kiesschüttung mit Kornduchmessern von 32 bis 38 mm und bei Parallelschaltung eine Kiesschüttung mit einem Korndurchmesser von 3 bis 7 mm verwendet werden.
-
2 zeigt die gleiche Anordnung wie 1, jedoch am Ende des Aufladevorgangs. Das linke Speichermaterial hat beinahe die Eintrittstemperatur des Abgases erreicht. Die Temperatur des rechten Speichermaterials ist nur noch geringfügig unterhalb der Eintrittstemperatur am Stutzen A, so dass über den Kamin (223) 400 °C heißes Abgas an die Umgebung abgegeben wird. Mit einer weiter fortschreitenden Aufheizung der drei Speichermaterialien verschlechtert sich durch den Abgasverlust das Verhältnis von Abgaswärme des Verbrennungsmotors zur gespeicherten Wärme. Zur Erzielung eines hohen Speicherwirkungsgrades sollte daher die Aufladung des gesamten Speichermaterials nicht bis zur Abgastemperatur durchgeführt werden. Als Richtwert für den Ladeschluss kann gelten, wenn die Gastemperatur am Stutzen B gemessen in Grad Celsius etwa 85 bis 90 Prozent der in Grad Celsius gemessenen Temperatur am Stutzen A beträgt.
-
Sollte es aus genehmigungsrechtlicher Sicht erforderlich sein, eine vorgeschriebene Abgasmindesttemperatur im Kamin, von beispielsweise 60 K oberhalb des Wassertaupunktes, einzuhalten, so kann dies eine Wiederaufheizung des aus dem Speicher austretenden kalten Abgases erforderlich machen. Die Austrittstemperaturen des Abgases (z.B. 1, Stutzen B) liegen zu Beginn des Ladevorganges eines auf Umgebungstemperatur ausgekühlten Speichers typischerweise im Bereich von etwa 40 bis 65 °C und steigen während des Beladungsvorganges bis nahe der Abgastemperatur am Eintrittsstutzen (A). Würde eine Wiederaufheizung des Abgases auf beispielsweise mindestens 120 °C vorgeschrieben, so müsste das am Stutzen B aus dem Speicher austretende Abgas so lange aufgeheizt werden, bis der Speicher so weit aufgeladen ist, dass die Austrittstemperatur am Stutzen B diesen Mindestwert 120 °C überschreitet.
-
Die Wiederaufheizung kann prinzipiell auf verschiedene Arten erfolgen:
- a) Mit Abwärme des Verbrennungsmotors
- - Einstufig über Erwärmung des Abgases über einen Ölkühler (Abgas-Motoröl-Wärmetauscher) mit Motoröltemperaturen deutlich über 150 °C
- - Zweistufig: Vorwärmung des Abgases mit Kühlwasser auf etwa 80 °C. Zur weiteren Aufheizung kann ein Teilvolumenstrom des heißen Abgases gemäß b) erfolgen
- b) Durch Beimischung eines Teilvolumenstroms des heißen Abgases vom Stutzen A, der im Bypass um den Wärmespeicher herumgeführt wird und dem kalten Abgas vor dem Eintritt in den Kamin (223) beigemischt wird.
-
Generell erhöht eine Wiederaufheizung der Abgase vor dem Eintritt in den Kamin den betriebsnotwendigen apparativen Aufwand erheblich. Insbesondere eine Wiederaufheizung der kalten Abgases mit einem Teilvolumenstrom des heißem Abgas wirkt dem erfindungsgemäßen Gedanken entgegen, da der Ladevorgang des Speichers länger dauert und daher insgesamt weniger der Abgasabwärme für die Abgabe an den Wärmekunden genutzt werden kann. Auch aus Sicht des Emissions- und Immissionsschutz wird hierdurch keine Minderung von erzielt, da durch die Wiederaufheizung die Kondensation vom Kamin räumlich in die Atmosphäre verlagert wird, wo sie bei Abkühlung der Abgase erneut stattfindet.
-
Sofern eine Wiederaufheizung der Abgase nicht zwingend durch eine Genehmigungsbehörde vorgeschrieben wird, sollte in jedem Fall aus ökologischer und ökonomischer Sicht hierauf verzichtet werden.
-
Generell sollte zur Entladung des Mobilspeichers, unabhängig davon, ob die Behälter parallel oder in Reihe geschaltet sind, die kühlere Luft über den Stutzen B (Gasaustrittstutzen während der Aufladung) in den Speicher eingebracht werden. Hierdurch trifft die Luft zuerst auf den kühleren Teil des Speichermaterials und kann sich im Laufe der Durchströmung weiter aufheizen. Die Austrittstemperatur der heißen Luft wird so maximiert und der Wärmeübergang im Wärmetauscher (234) verbessert, so dass dieser kleiner dimensioniert werden kann.
-
In 3 ist die Entladung des Mobilspeichers an einer Wärmesenke (108) dargestellt. Die Entladung erfolgt analog zur Beladung ebenfalls im direkten Gas-Feststoffkontakt. Beispielhaft erfolgt die Entladung hier an in Reihe geschalteten Behältern, sie kann jedoch, wie bereits erwähnt, auch bei parallel geschalten Behältern erfolgen (unter Verwendung von feinerem Schüttgut zur Erhaltung des Druckverlustes). Über einen Ventilator (235) wird Luft beispielhaft mit einer Temperatur von 50 bis 100 °C über den Stutzen B dem aufgeheizten Mobilspeicher zugeführt. Der Ventilator ist zur Materialschonung auf der kalten Seite montiert. Beim Durchströmen des aufgeheizten Speichermaterials erwärmt sie sich bis beinahe zur Maximaltemperatur des Speichers. 4 zeigt beispielhaft die Entladung des Mobilspeichers mit parallel geschalteten gasdichten Innenbehältern. Sowohl in 3 als auch in 4 tritt die Luft mit 420 °C aus dem Speicher aus und gibt ihre Wärme in einem Gas-Flüssigkeitswärmetauscher (234) ab, von dem aus die Wärmesenke (108) versorgt wird.
-
5: Darstellung des erfindungsgemäßen Speichers zur Be- und Entladung eines festen Speichermaterials mit Wärmeenergie durch direkten Gaskontakt. Der Speicher verfügt über ein festes Speichermaterial (233) mit innerem Poren- bzw. Gassensystem, das vom Wärmeträgergas über den Eintritt A zum Austritt B durchströmt wird, einer gasdichten Ummantelung (Innenbehälter, 230) mit innenseitigem weichen Material (240), wie z.B. Glaswolle zur Reduzierung der Randgängigkeit der Gasströmung, sowie hier beispielhaft dargestellt allseitig angebrachten krafttragenden thermischen Entkopplungen (241). Die gasdichte Ummantelung (230) stellt sicher, das über den Stutzen A eingebrachtes Wärmeträgergas gerichtet durch das feste Wämespeichermaterial (233) geführt wird und am Stutzen B austritt, ohne dass eine Leckage in die Isolierung (232) bzw. die Umgebung auftreten kann. Die An- und Abströmflächen (242, 243) können beispielsweise als Roste, Lochbleche oder Gitter ausgeführt sein. Das Gewicht des Wärmespeichermaterials wird über den unteren Anströmrost (242), die untere gasdurchlässige Trägerkonstruktion (244), die krafttragenden thermischen Entkopplungen (241) auf die äußere Containerhülle (231) übertragen. An der Unterseite der gasdichten Ummantelung (230) ist ein Ablassstutzen (236) für bei der Abkühlung des Gases anfallendes Kondensat angebracht.
-
Die Umkehrung der Strömungsrichtung des Gases von Stutzen B zu Stutzen A ist auch ohne explizite graphische Darstellung Bestandteil der Erfindung.
-
6 zeigt den Aufbau des unteren Auflagerostes detaillierter. Der untere Auflagerost (242) besteht beispielsweise aus Winkelprofilen aus Edelstahl, die mit einem ausreichenden Abstand für den Gasdurchtritt zueinander angebracht sind. Der Auflagerost ist fest mit der gasdurchlässigen Trägerkonstruktion (244) verbunden. Auf dem Auflagerost befindet sich eine mehrlagige Schicht von großen Steinen (246), die so groß sind, dass sie nicht durch den Auflagerost fallen können und die durch ein Edelstahlnetz (245) fest auf dem Auflagerost gehalten werden. Durch diese Fixierung der großen Steine wird verhindert, dass diese durch transportbedingte Erschütterungen in der feinkörnigeren Schicht des Speichermaterials aufschwimmen, wodurch letztlich die feinkörnige Schicht durch den Auflagerost rieseln würde.
-
Die Größenverhältnisse der Steine sind so zu wählen, dass das feinkörnige Speichermaterial nicht durch die Porenräume der großen Steine rieseln kann. Bei besonders feinkörnigem Speichermaterial kann auch eine zweite Schicht mit Steinen einer mittleren Korngröße (hier nicht dargestellt) hinzugefügt werden.
-
In 7 ist eine Variante der Entladung des Speichers mit festem Speichermaterial dargestellt durch einen Kaltluft ansaugenden Ventilator (247), bei der die heiße Luft direkt, d.h. ohne Wärmetauscher und Kreislaufführung, genutzt wird.
-
In 8 bis 11 sind Variation des erfindungsgemäßen Speichers mit festem Speichermaterial dargestellt.
-
In 8 ist eine mittige Trennwand (250) installiert, so dass das Gas innerhalb eines gasdichten Behälters (230) umgelenkt wird. Die längere Wegstrecke des Gases durch das Speichermaterial kann zur Erhöhung des Druckverlustes genutzt werden.
-
In 9 findet eine horizontale Durchströmung des festen Speichermaterials statt. Der gasdichte Behälter kann sowohl rund als auch eckig ausgeführt sein. Die seitlichen Begrenzungsroste (251, 252) halten die Wärmespeichermaterialien in Form und können wie bei den vertikalen Varianten oder auch als seitlich offene Lamellen- oder Jalousieroste oder durch schräg angestellte Flacheisen ausgeführt sein, durch die Wärmespannungen des Wärmespeichermaterials durch seitliche Bewegung der Schüttung abgebaut werden können.
-
In 10 ist die Durchströmung mehrerer paralleler Kammern (253) von Speichermaterial dargestellt.
-
11 zeigt einen radialsymmetrischen Aufbau mit konzentrischen An- und Abströmrosten (254, 255), die die Schüttung aus Wärmespeichermaterial in Form halten.
-
Eine Umkehr der Strömungsrichtung (zwischen den Ein- und Auslassstutzen A und B) ist bei allen dargestellten Zeichnungen auch ohne explizite graphische Darstellung Bestandteil der Erfindung.