DE102011122611A1

DE102011122611A1 - Method for conversion and storage of renewable energy from wind power plant, involves removing remaining waste heat in accumulator using heat exchanger so that temperature of the working medium is kept low

Info

Publication number: DE102011122611A1
Application number: DE102011122611A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2013-07-04

Abstract

The method involves interconnecting ends of several stacked pressure pipes in accumulator (2). The waste heat is generated from the accumulator when the working medium (1) such as carbon dioxide is supplied. The waste heat generated from the accumulator is provided to a compressor unit. The remaining waste heat is removed using heat exchanger so that temperature of the working medium is kept low. An independent claim is included for an assembly for conversion and storage of renewable energy from wind power plant.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Speicherung zeitweise überschüssiger Energie, z. B. aus Windkraftwerken, die bei höherem Bedarf wieder entnommen werden kann.The invention relates to a method and an arrangement for temporarily storing excess energy, eg. B. from wind power plants, which can be removed again at higher demand.

Die verfahrenstechnische Grundlage ist der bekannte wärmetechnische Kreisprozess aus der Verdichtung eines unter Umgebungstemperatur gasförmigen Arbeitsmediums bis zur Kondensation, Speicherung des Kondensats und Energierückgewinnung aus dem wieder vergasten, unter Druck stehenden Arbeitsmedium. Bei der Verdichtung wird Wärme frei, die bei der Vergasung möglichst vollständig wieder genutzt werden muss, um die energetischen Verluste niedrig zu halten.The procedural basis is the well-known thermal cycle from the compression of a gaseous working medium under ambient temperature to condensation, storage of the condensate and energy recovery from the recalcitrant, pressurized working fluid. During compression, heat is released, which must be used as completely as possible during the gasification in order to keep the energy losses low.

Stand der TechnikState of the art

Ein bekanntes Verfahren zur Energiespeicherung ist die Nutzung von verdichteter Luft (Pressluft) als Arbeitsmedium. Hier sind für eine größere Energiespeicherung hohe Drücke und/oder große Volumina erforderlich. Verfahren mit einem Arbeitsmedium mit niedriger kritischer Temperatur, wie Kohlendioxyd, besitzen demgegenüber den Vorteil, dass durch die Verflüssigung pro Volumen mehr Energie bei geringem Überdruck gespeichert werden kann.A well-known method of energy storage is the use of compressed air (compressed air) as a working medium. Here, high pressures and / or large volumes are required for greater energy storage. In contrast, methods with a working medium having a low critical temperature, such as carbon dioxide, have the advantage that more energy can be stored at low excess pressure per volume due to the liquefaction.

Derartige Verfahren sind durch die DE 10 2006 007 119 A und DE 10 2007 045 888 B bekannt. Diese Erfindungen sind anlagentechnisch aufwendig, da ein besonderes Wärmespeichermedium und ein Arbeitsmedium technologisch geführt werden. Dafür sind mehrere Behälter/Speicher Rohrleitungen, Pumpen, Wärmetauscher usw. erforderlich. Für die Speicherung größerer Energiemengen sind diese Lösungen technisch und kostenmäßig unwirtschaftlich.Such methods are by the DE 10 2006 007 119 A and DE 10 2007 045 888 B known. These inventions are technically complex, since a special heat storage medium and a working medium are technologically conducted. This requires several tanks / storage piping, pumps, heat exchangers, etc. For the storage of larger amounts of energy, these solutions are technically and cost uneconomical.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine neue Anordnung für eine Speicheranlage zu schaffen, das/die einen einfachen technischen Aufbau hat, bekannte preiswerte Druckbehälter für variable Baugrößen nutzen kann und einen technisch einfachen Wärmekreislauf besitzt. Eine weitere Aufgabe ist es, die Temperaturbedingungen und die Wärmeleitung der verschiedenen natürlichen Umgebungen für den Druckspeicher zu nutzen.The object of the invention is therefore to provide a method and a new arrangement for a storage facility that / has a simple technical structure, known cheap pressure vessel for variable sizes can use and has a technically simple heat cycle. Another task is to use the temperature conditions and the heat conduction of the various natural environments for the pressure accumulator.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und Anordnungen nach Anspruch 6 oder 7 gelöst. Dementsprechend wird im Verfahren die bei der Verdichtung entstehende Wärme an einem dem Druckspeicher (2) umgebendes Umgebungsmedium (3) abgegeben und die bei der Entnahme erzeugte Abkühlung durch das Umgebungsmedium (3) kompensiert, wobei das Umgebungsmedium (3) ein größeres, offenes Gewässer oder eine gegenüber der Umgebung gedämmte begrenzte Wassermenge ist. Weitere günstige Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 aufgeführt.According to the invention this object is achieved by a method according to claim 1 and arrangements according to claim 6 or 7. Accordingly, in the process, the heat produced during the compression is applied to the pressure accumulator ( 2 ) surrounding environment medium ( 3 ) and the cooling produced by the removal during the removal by the surrounding medium ( 3 ), the surrounding medium ( 3 ) is a larger, open water or a limited amount of water insulated from the environment. Further favorable embodiments of the method are listed in the subclaims 2 to 5.

Durch diese Verfahrensschritte wird die Wärmekapazität der natürlichen Umgebung genutzt, wodurch aufwendige technische Wärmetauscher entfallen. Die niedrigen Temperaturen in tiefen Gewässern in Kombination mit dem Arbeitsmedium CO₂ ermöglicht eine Verflüssigung bei relativ kleinen Arbeitsdrücken im Druckspeicher. Dadurch können als Druckspeicher industriell gefertigte Druckrohre eingesetzt werden.Through these process steps, the heat capacity of the natural environment is used, which eliminates complex technical heat exchanger. The low temperatures in deep waters in combination with the working medium CO ₂ allows liquefaction at relatively low working pressures in the accumulator. As a result, industrially manufactured pressure pipes can be used as accumulators.

Die erfindungsgemäßen Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens bestehen gemäß Anspruch 6 aus einem Großrohr als Druckspeicher (2) in Form einer Spirale, an dessen einen Ende die Zufuhrleitung (6) mit der Verdichterstation und am anderen Ende die Abfuhrleitung (7) mit einer Gasturbine und Generator angeschlossen ist.The arrangements according to the invention for carrying out the method according to claim 6 consist of a large tube as an accumulator ( 2 ) in the form of a spiral, at one end of the supply line ( 6 ) with the compressor station and at the other end the discharge line ( 7 ) is connected to a gas turbine and generator.

Eine weitere Anordnungsvariante nach Anspruch 7 beinhaltet einen Druckspeicher (2) aus parallelen geraden Großrohren, die an ihren Enden miteinander durch Rohrbögen in Reihe oder durch Querrohre parallel verbunden sind. Weitere günstige Ausgestaltungen der Anordnungen sind in den Unteransprüchen 8 bis 11 dargelegt.Another arrangement variant according to claim 7 includes a pressure accumulator ( 2 ) of parallel straight pipes, which are connected at their ends to each other in parallel by pipe bends in series or by transverse tubes. Further favorable embodiments of the arrangements are set forth in the subclaims 8 to 11.

Die Hauptvorteile der Anordnungen sind die variable Größe und der einfache Aufbau. Kohlendioxyd ist preiswert verfügbar und wird zum Umweltschutz im Kreislauf gefahren. Besonders geeignet ist die Speicheranordnung für Offshore Windkraftanlagen und Meereswellenenergieanlagen. Ein weiterer Vorteil der Anordnung ist die mögliche variable Dimensionierung und Gestaltung des Wärmekreislaufs in Abhängigkeit von den herrschenden Umgebungsbedingungen.The main advantages of the arrangements are the variable size and the simple construction. Carbon dioxide is available inexpensively and is cycled to protect the environment. Particularly suitable is the storage arrangement for offshore wind turbines and marine energy systems. Another advantage of the arrangement is the possible variable dimensioning and design of the heat cycle depending on the prevailing environmental conditions.

Beispielexample

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment.

1 zeigt einen Druckspeicher mit einem spiralförmig angeordneten Rohrpaket als Seitenansicht im Schnitt. 1 shows a pressure accumulator with a spirally arranged tube package as a side view in section.

2 zeigt die gleiche Anordnung in der Draufsicht. 2 shows the same arrangement in plan view.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem röhrenförmigen Druckspeicher 2 für das Arbeitsmedium 1. Das kann ein spiralförmiges Druckrohr gemäß 1 und 2 oder es können gestapelte Druckrohre sein, die an ihren Enden verbunden sind. Diese Druckrohre, z. B. Erdgasleitungsrohre, sind auf dem Meeresgrund, einem tiefen See, einem Tagebaurestloch oder im Erdreich bei einem Temperaturbereich von 2° bis 10°C gelagert. In diesem Temperaturbereich kann CO₂ bei ca. 55 bar flüssig gelagert werden.The inventive arrangement consists of a tubular pressure accumulator 2 for the working medium 1 , This can be a spiral pressure tube according to 1 and 2 or it can be stacked pressure pipes, which are connected at their ends. These pressure pipes, z. As natural gas pipelines, are stored on the seabed, a deep sea, an open pit or in the ground at a temperature range of 2 ° to 10 ° C. In this temperature range, CO ₂ can be stored liquid at about 55 bar.

Eine Zu -und Abfuhrleitung 6, 7 führt zur Gewässer- oder Erdoberfläche. Hier sind eine nicht dargestellte Verdichterstation und eine Vergasungsstation mit Gasturbine und Generator angeordnet. Die Zu- und Abfuhrleitung 6, 7 ist im Oberflächenbereich als Wärmetauscher ausgebildet. Das Wasser nimmt vom Druckspeicher 2 nach der Verdichterstation die entstehende Abwärme auf und kühlt das heiße Gas ab. An der Vergasungsstation wird der gleichen Umgebung die erforderliche wieder Wärme entzogen.A supply and discharge line 6 . 7 leads to the surface of the water or the earth. Here, a compressor station, not shown, and a gasification station with gas turbine and generator are arranged. The supply and discharge line 6 . 7 is formed in the surface area as a heat exchanger. The water is removed from the accumulator 2 After the compressor station, the resulting waste heat and cools the hot gas. At the gasification station, the required heat is withdrawn from the same environment.

Für größere, tiefe Gewässer mit warmem Oberflächenwasser und kühlem Wasser unter der Sprungschicht sind wärmetechnisch keine weiteren Maßnahmen erforderlich. Bei kleinen Anlagen, bzw. Anlagen im Erdbereich ist eine Dämmung 5 sinnvoll, um die Abwärme für die Vergasung effektiv zu nutzen. Hier kann auch gemäß Anspruch 4 durch einen zusätzlichen Wärmetauscher mit eigenem Kreislauf Wärme entzogen und so die Temperatur des Arbeitsmediums 1 geregelt, bzw. niedrig gehalten werden. Die überschüssige Wärme ist z. B. für die Heizung von Gebäuden nutzbar.For larger, deep waters with warm surface water and cool water under the thermocline, no further measures are necessary from a thermal point of view. For small plants, or plants in the earth area is an insulation 5 useful to effectively use the waste heat for gasification. Here can also deprived of heat according to claim 4 by an additional heat exchanger with its own circuit and so the temperature of the working medium 1 regulated or kept low. The excess heat is z. B. for heating buildings.

Eine Variante ist die Anordnung einer isolierten Wanne im Oberflächenbereich gemäß 1, in der die Rohrabschnitte nach der Verdichterstation und vor Vergasungsstation im Kies-Wasser-Gemisch 4 als Wärmetauscher wirken.A variant is the arrangement of an insulated tub in the surface area according to 1 in which the pipe sections after the compressor station and before gasification station in the gravel-water mixture 4 act as a heat exchanger.

Zur Gesamtanlage gehört noch ein nicht dargestellter Speicher für das annähernd drucklos aus der Gasturbine ausströmende Gas. Vorteilhaft besteht dieser Speicher aus einem Ballon oder mehreren Ballons aus gasdichtem Gewebe.For the entire system still includes a memory, not shown, for the gas flowing out of the gas turbine almost without pressure. Advantageously, this memory consists of a balloon or more balloons of gas-tight tissue.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Arbeitsmediumworking medium
22: Druckspeicheraccumulator
33: Umgebungsmediumambient medium
44: Kies-Wasser-GemischGravel-water mixture
55: Dämmunginsulation
66: Zufuhrleitungsupply line
77: Abfuhrleitungdischarge line
88th: ErdabdeckungGround cover

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006007119 A [0004]
DE 102007045888 B [0004]

Claims

Process for the conversion and storage of regenerative or other energy, in which a working medium ( 1 ) stores the energy in a closed cycle process by compression and, if necessary, with delivery of technical work again, characterized in that the heat generated during the compression at a pressure accumulator ( 2 ) surrounding environment medium ( 3 ) and the cooling produced by the removal during the removal by the surrounding medium ( 3 ) is compensated, the surrounding medium ( 3 ) is a larger, open water or a limited amount of water insulated from the environment.

Method according to claim 1, characterized in that the pressure accumulator ( 2 ) is stored in the coldest region of the open water, preferably in the region below a temperature jump layer.

Method according to claim 1, characterized in that the pressure accumulator ( 2 ) in a gravel-water mixture ( 4 ) is supported by an insulation ( 5 ) relative to the surrounding medium ( 3 ) is thermally insulated.

A method according to claim 3, characterized in that in the region of the supply line ( 6 ) and / or deprived of heat at the compressor station by means of a heat exchanger and thus the temperature of the working medium ( 1 ) in the accumulator ( 2 ) is regulated.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that as a working medium ( 1 ) CO ₂ (carbon dioxide) is used, which at an ambient temperature of 2 ° -10 ° C and at a pressure of about 50 bar in the accumulator ( 2 ) is stored liquid.

Arrangement for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the pressure accumulator ( 2 ) consists of a large tube in the form of a spiral, at one end of the supply line ( 6 ) with the compressor station and at the other end the discharge line ( 7 ) is connected to a working motor and generator.

Arrangement for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the pressure accumulator ( 2 ) consists of parallel straight large tubes, which are connected at their ends to each other by pipe bends in series or by transverse tubes in parallel.

Arrangement according to claim 7, characterized in that the pressure accumulator ( 2 ) consists of several, separately connectable and disconnectable memory sections to adapt the storage capacity to the current needs.

Arrangement according to one of claims 6 to 8, characterized in that the pressure accumulator ( 2 ) is stored in the region of the thermocline or on the bottom of a shallow sea, a deep lake or open pit, so that a temperature range of 2-10 ° C in the accumulator ( 2 ) is held throughout the year.

Arrangement according to one of claims 6 to 8, characterized in that the pressure accumulator ( 2 ) is stored on or in the soil in a gravel-water mixture which is waterproof by an envelope and an insulation ( 5 ) to the soil and possibly a Erdabdeckung 8th is delimited.

Arrangement according to one of claims 6 to 10, characterized in that a memory is connected to the output of the gas turbine for the approximately depressurized out of this flowing gas, said memory consists of at least one gas-tight fabric (balloon).