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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Speicherung von Elektroenergie in dem Sicherheitsbehälter eines Leichtwasserreaktors.
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Der Bedarf und die Erzeugung von Elektroenergie liegen zeitlich oft weit auseinander. So besteht in der Nacht häufig ein Überangebot und an bestimmten Tageszeiten ein Mangel an Elektroenergie. Ähnlich ist es bei dem Anfall von Elektroenergie aus Windkraftanlagen, bei denen an manchen windreichen Tagen ein Überangebot und an windstillen Tagen überhaupt keine Elektroenergie erzeugt wird. Gleiches gilt für die Erzeugung von Solarenergie, die ebenfalls tageszeitlich meistens nicht bedarfsgerecht erzeugt wird. Aus diesen Gründen versucht man, die Energie zu speichern.
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Bekannt ist die Energiespeicherung mit Hilfe von Pumpspeicherwerken, Druckluftspeichern, Dampfspeicheranlagen und Flüssig- und Feststoffspeichern. So wird in der
DE 10 2006 044 789 A1 eine Dampfspeichervorrichtung beschrieben, bei der durch das Speichermedium Wärme durch Kondensation von dampfförmigem Arbeitsmedium aufgenommen und durch Verdampfung von flüssigem Arbeitsmedium abgegeben wird. Diese Dampfspeichervorrichtung umfasst eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten und zylindrisch ausgebildeten Druckbehältern, in denen sich sowohl dampfförmiges als auch flüssiges Arbeitsmedium speichern lässt. Die Druckbehälter stehen einerseits über eine Regeleinrichtung fluidwirksam mit einem Reservoir für das flüssige Arbeitsmedium und andererseits mit einer Sammeleinrichtung für das dampfförmige Arbeitsmedium in Verbindung. Die Druckbehälter sind von einem Speichermedium so umgeben, dass ein thermischer Kontakt besteht. Als Speichermedien werden Latentwärmespeichermaterialien und insbesondere Phasenwechselmaterialien wie technische Salze genannt. Bei einer Änderung des Aggregatzustandes des Speichermediums bleibt seine Temperatur annähernd konstant, so dass eine isotherme Dampfaufnahme und Dampfabgabe möglich ist. Diese Schrift enthält den Hinweis, dass die Dampfspeichervorrichtung u. a. als Sicherheitsspeichervorrichtung bei Ausfall eines Kühlkreislaufes eines Kernkraftwerkes eingesetzt werden kann, um die Reaktorsicherheit zu erhöhen. Für eine Speicherung von größeren Energiemengen ist diese Dampfspeichervorrichtung auf Grund des Einsatzes der Latentwärmespeichermaterialien nicht geeignet.
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Eine andere Art der Energiespeicherung erfolgt in Speichern mit Feststoffschüttungen. Ein solcher Speicher wird in dem Handbuch der Energie-Speichertechniken von H. L. Cube, Band 3, Verlag C. F. Müller, Karlsruhe 1983, auf der Seite 216 beschrieben. Das Innere dieses Speichers ist mit einer Gesteinsschüttung ausgefüllt, die durch Drahtgitter in ihrer Lage gehalten wird. Zur Beladung wird durch die obere Öffnung des Speichers warme Luft eingeblasen, die dann abgekühlt durch die untere Auslassöffnung wieder abgezogen wird. Zur Entladung wird unten kalte Luft eingeblasen, die dann, von der Schüttung erwärmt, oben wieder austritt. Nach diesem Prinzip arbeiten auch Regeneratoren, die in der Verkokungsindustrie zum aufheizen von Gas und Luft genutzt werden. Ein solcher Regenerator wird beispielsweise in der
DE 2 333 914 A1 beschrieben. Solche Feststoffspeicher und Regeneratoren sind durch einen erheblichen Investitionsbedarf gekennzeichnet.
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Weiterhin wird in der Handbuchreihe Energietransport, -Speicherung und -verteilung von Dr.-Ing. Erich Sauer, Prof. Dr.-Ing. Roland Zeise, Band 11, Technischer Verlag Resch – Verlag TÜV Rheinland, 1983, auf der Seite 252 vorgeschlagen, ein Kernkraftwerk, das einen Druckwasserreaktor enthält, mit einer Dampfspeicheranlage auszustatten. Diese Dampfspeicheranlage ist völlig separat neben dem Druckwasserreaktor angeordnet. Sie arbeitet nach dem Prinzip der Gefällespeicherung. Um eine Leistung von 400 MW über einen Zeitraum von zwei Stunden zu erzeugen, kommen 64 Hauptspeicher mit einem Speichervolumen (Wasserfüllung) von je 580 m3 bei 20 bar/212°C und 8 Überhitzungsspeicher mit je 180 m3 bei 48 bar/260°C zur Anwendung. Zur Realisierung dieser Variante ist ein sehr großer technischer Aufwand erforderlich.
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In der
DE 2 541 910 A1 wird ein Langzeitspeicher, insbesondere für Kernkraftwerke, vorgeschlagen, bei dem das Speichermedium im Wesentlichen aus Wasser besteht, wobei die von dem Speicherbehälter auf die Behälterwandung ausgeübten Druckkräfte von der Umgebung des Speicherbehälters aufgenommen werden. Die Umgebung des Speicherbehälters besteht aus Gestein bzw. der Speicherbehälter ist als eine Kaverne in einem Salzstock ausgebildet. Daher ist der Speicherbehälter Bestandteil eines Bergwerkes. Nachteilig bei diesem Vorschlag ist, dass der Standort eines Kernkraftwerkes nur in sehr seltenen Fällen mit dem Standort eines Bergwerkes übereinstimmt.
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Aus der
US 6 192 687 B1 ist ein Wärmespeicher bekannt, der bei dem Ausfall einer Stromquelle als Ersatzstromquelle dient. In diesem Wärmespeicher wird ein Material, z. B. Öl oder ein Feststoff, elektrisch oder mit Gas erwärmt und im erwärmten Zustand aufbewahrt. Bei Bedarf an Elektroenergie wird Wasser in den Wärmespeicher geleitet und verdampft. Der Dampf wird in eine Dampfturbine geführt, die mit einem Generator verbunden ist, in dem der benötigte elektrische Strom erzeugt wird. Die US 6 192 687 B1 enthält keinen Hinweis auf die thermische Speicherung von Elektroenergie in dem Sicherheitsbehälter eines Leichtwasserreaktors bei der Stilllegung eines Kernkraftwerkes.
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Weiterhin ist aus der
US 3 848 416 A eine Kombination eines Kernkraftwerkes mit einem Wärmespeichersystem bekannt, das dazu dient, die von dem Kernkraftwerk in Zeiten eines niedrigen Strombedarfes erzeugte Wärme zu speichern und in Zeiten eines erhöhten Strombedarfes wieder abzugeben. Dabei wird eine Fluoridsalzschmelze als Wärmespeicher genutzt, dessen Wärme durch Zirkulation von flüssigem Blei abgeführt wird. Diese Wärme wird zur Erzeugung von Dampf verwendet, welcher in eine Dampfturbine geführt wird. Die Dampfturbine ist mit einem Generator verbunden, der elektrischen Strom erzeugt. Dieses System der thermischen Speicherung von Elektroenergie ist durch das Arbeiten mit einer Salzschmelze und der Kreislaufführung des flüssigen Bleies sehr kompliziert und aufwendig. Außerdem ist es bei der Stilllegung des Kernkraftwerkes nicht anwendbar.
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In der Dissertation von Norbert Henkel, Einsatz keramischer Werkstoffe für Corestrukturen innovativer Druckwasserreaktoren an der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen, 1998, ist der Druckwasserreaktor als der am weitesten verbreitete Reaktortyp genannt. Es wird ein 1300 MW-Druckwasserreaktor der Konvoi-Baureihe der Siemens KWU beschrieben, bei dem die Entwicklung eines neuen Brennelementes untersucht wird.
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Ein Kernkraftwerk besteht bekanntermaßen aus einem Reaktorschutzgebäude, in dem der Kernreaktor einschließlich der dazugehörigen Nebenanlagen untergebracht ist, einem Dampferzeuger und einer meist mehrstufigen Dampfturbine, die mit einem Generator zur Erzeugung von Elektroenergie gekoppelt ist.
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Der Kernreaktor besteht aus einem druckdichten Reaktordruckbehälter, in dem sich die Brennelemente, die Steuerstäbe und die Steuerstabantriebe befinden. Der Reaktordruckbehälter steht unter einem Druck von ca. 160 bar bei einer Wassertemperatur von etwa 320°C. Er wird durch einen Primär-Wasserkreislauf, der zu einem Dampferzeuger führt, gekühlt. Hier wird die Wärme, sofern es sich um einen Druckwasserreaktor handelt, an einen Sekundär-Wasserkreislauf abgegeben, wo das Wasser wegen des niedrigeren Druckes von etwa 60 bar bei 280°C siedet. Dieser Wasser-Dampf-Kreislauf führt zu einer Dampfturbine, die mit einem Generator zur Erzeugung von Elektroenergie gekoppelt ist. Die Dampfturbine arbeitet in der Regel im Nassdampfbetrieb.
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Der Reaktordruckbehälter mit verschiedenen Reaktornebenanlagen und sicherheitstechnischen Einrichtungen und der Dampferzeuger befinden sich in dem Sicherheitsbehälter. Eine Betonhülle schützt den Sicherheitsbehälter gegen Einwirkungen von außen. Der Sicherheitsbehälter dient im Fall einer Havarie dem Auffangen des kontaminierten Wassers.
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Die Dampfturbine und der Generator befinden sich außerhalb des Sicherheitsbehälters. Sie stehen aber mit dem Leichtwasserreaktor in unmittelbarer Wirkverbindung.
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Nach der Nuklearkatastrophe von Fukushima in Japan im Jahr 2011 wurde von der deutschen Regierung beschlossen, die Kernkraftwerke in Deutschland nach und nach außer Betrieb zu nehmen. Die Betreiber der Kernkraftwerke stehen nun vor dem Problem, diese Kraftwerke abzurüsten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die stillgelegten Kernkraftwerke so umzurüsten, dass mit vertretbarem technischen Aufwand in den Zeiten, in denen Elektroenergie ausreichend vorhanden ist, Wärmeenergie gespeichert und danach im Bedarfsfall als Elektroenergie wieder abgegeben werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Sicherheitsbehälter eines Leichtwasserreaktors, der zu einem stillgelegtem Kernkraftwerk gehört, ein Speichermaterial direkt durch überschüssige Elektroenergie erhitzt wird. Mit Hilfe des erhitzten Speichermaterials wird die Wärme in dem Sicherheitsbehälter gespeichert. Bei einem Bedarf an Elektroenergie wird die Wärme des Speichermaterials innerhalb des Sicherheitsbehälters zur Erzeugung von Wasserdampf genutzt. Die Energie dieses Dampfes wird außerhalb des Sicherheitsbehälters mittels der Dampfturbine und dem zugehörigen Generator des stillgelegten Kernkraftwerkes in Elektroenergie umgewandelt.
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Zweckmäßigerweise erfolgt das direkte Aufheizen des Speichermaterials durch elektrische Widerstandsheizungen. Das Speichermaterial wird mit Hilfe solcher Widerstandsheizungen auf 300°C bis 600°C, vorzugsweise auf 400°C bis 600°C, erhitzt.
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Weiterhin kann das Speichermaterial durch außerhalb des Sicherheitsbehälters mit Hilfe von überschüssiger Elektroenergie erzeugten Dampf erwärmt werden.
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Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der durch Wärmeabgabe des Speichermaterials erzeugte Dampf einen Druck von 50 bis 100 bar mit zugehöriger Kondensationstemperatur, bevorzugt aber die Parameter des stillgelegten Kernkraftwerkes, aufweist.
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Bei der Wärmeabgabe des Speichermaterials zur Dampferzeugung wird im Speichermaterial ein Temperaturprofil mit Temperaturen zwischen 50°C und 700°C, bevorzugt zwischen 100°C und 600°C erzeugt.
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Ferner ist es zweckmäßig, dass zur Regelung der Eingangsparameter der zu dem stillgelegten Kernkraftwerk gehörigen Dampfturbine der bei dem Abkühlen des Speichermaterials erzeugte Dampf durch einen mit Erdgas betriebenen Erhitzer nachkonditioniert werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin dadurch gelöst, dass in dem Sicherheitsbehälter eines Leichtwasserreaktors eines stillgelegten Kernkraftwerkes von einem Speichermaterial umgebene elektrische Widerstandsheizungen und Wärmeüberträger angeordnet sind. Die elektrischen Widerstandsheizungen, die zweckmäßigerweise als Heizstäbe ausgebildet sind, dienen zum Aufheizen des Speichermaterials.
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Bei dem Abkühlen des Speichermaterials dienen die von dem erhitzten Speichermaterial umgebenen Wärmeüberträger als Dampferzeuger. Sie stehen mit der außerhalb des Sicherheitsbehälters angeordneten Dampfturbine und dem Generator des stillgelegten Kernkraftwerkes in Verbindung, so dass der in den Wärmeüberträgern erzeugte Wasserdampf zum Antrieb der Dampfturbine und damit zur Erzeugung von Elektroenergie genutzt wird. Dabei wird der Dampf derart im Kreislauf gefahren, dass er nach dem Verlassen der Dampfturbine kondensiert und das Kondensat mit Hilfe von Pumpen zurück in die im Speicherbehälter angeordneten Wärmeüberträger geführt und dort erneut verdampft wird.
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Sowohl die elektrischen Widerstandsheizungen als auch die Wärmeüberträger sind von dem Speichermaterial so eng umgeben, dass ein Wärmefluss von den elektrischen Widerstandsheizungen in das Speichermaterial und umgekehrt von dem Speichermaterial in die Wärmeüberträger stattfinden kann.
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Das Aufheizen des Speichermaterials mit Hilfe der Widerstandsheizungen erfolgt dann, wenn überschüssige Elektroenergie zur Verfügung steht.
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Zweckmäßigerweise sind die Wärmeüberträger als U-Rohre ausgebildet, die mit Längsrippen versehen und senkrecht in dem Sicherheitsbehälter angeordnet sind. Am Kopf einer U-Rohrhälfte wird mit Hilfe von Pumpen Wasser zugeführt. Das Wasser siedet und verdampft in dem U-Rohr und verlässt dieses als Dampf am Kopf der anderen U-Rohrhälfte. Mehrere U-Rohre werden gebündelt. Der Dampf wird zum Zweck der Erzeugung von Elektroenergie in die Dampfturbine des stillgelegten Kernkraftwerkes geführt.
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Eine weitere zweckmäßige Lösung ist die Ausbildung der Wärmeüberträger als Rohrwendel. Diese ist senkrecht angeordnet. In der Phase der Dampferzeugung durch Abkühlung des Speichermaterials erfolgt die Zuführung des Kondensates über ein vertikales Rohr zum unteren Teil der Rohrwendel und wird dann beim Aufsteigen in der Rohrwendel verdampft. Dabei bildet sich längs in der Strömungsrichtung ein Temperaturprofil in dem wärmeabgebenden Speichermaterial aus. Der Dampf tritt dabei am oberen Teil der Rohrwendel aus und wird zur Dampfturbine des stillgelegten Kernkraftwerkes geleitet. In der Phase der Aufheizung des Speichermaterials wird außerhalb des Sicherheitsbehälters durch überschüssige Elektroenergie erzeugter Dampf in den oberen Teil der Rohrwendel geführt und das entstandene Kondensat tritt am unteren Teil der Rohrwendel aus.
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Um einen Wärmeverlust in dem Sicherheitsbehälter zu verhindern, ist es zweckmäßig, die Innenwand des Sicherheitsbehälters mit einer Wärmeisolationsschicht zu versehen. In gleicher Weise kann an der Außenwandung des Sicherheitsbehälters ebenfalls eine Wärmeisolationsschicht vorgesehen sein.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, dass das Speichermaterial aus einer Schüttung von Kies und/oder Sand und/oder Schotter und zerkleinerten Stahlteilen besteht. An Stelle von Stahlteilen können auch Teile von Gusseisen oder Edelstahlschrott benutzt werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass zur Möglichkeit der Regelung der Eingangsparameter der Dampfturbine dieser in der Dampfleitung ein Nacherhitzer vorgeschaltet ist. Der Nacherhitzer ist zweckmäßigerweise als Erdgasbrenner ausgebildet.
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Zumeist ist ein Kernreaktor als Leichtwasserreaktor ausgebildet. Unter einem Leichtwasserreaktor wird im Sinne der Erfindung ein Druckwasserreaktor oder ein Siedewasserreaktor verstanden.
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Der Kern der Erfindung besteht somit darin, den Sicherheitsbehälter eines Kernkraftwerkes weitgehend zu entkernen und als thermischen Speicher für Elektroenergie zu verwenden. Die anderen Teile des Kernkraftwerkes, nämlich die Dampfturbine und der Generator, können weiter genutzt werden. Auf diese Weise braucht nicht das gesamte Kernkraftwerk abgetragen zu werden, sondern nach einer Umrüstung kann der Sicherheitsbehälter als thermischer Speicher für Elektroenergie weiter genutzt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen
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1 ein Schema einer Vorrichtung zum thermischen Speichern von Elektroenergie und
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2 eine Draufsicht auf die Anordnung der Wärmeüberträger und der elektrischen Heizeinrichtungen
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Da in Deutschland mehrere Kernkraftwerke von der Siemens KWU errichtet wurden, wird hier ein 1300 MW Druckwasserreaktor der Konvoi-Baureihe der Siemens KWU zu Grunde gelegt.
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Der Sicherheitsbehälter 1 eines solchen Druckwasserreaktors befindet sich in einem Reaktorschutzgebäude, welches in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Nach der Stilllegung des Kernkraftwerkes wurden aus dem Sicherheitsbehälter 1 der Reaktordruckbehälter einschließlich der Brennelemente, die sicherheitstechnischen Einrichtungen, der Dampferzeuger und die Reaktornebenanlagen mit Ausnahme der Hebeeinrichtungen entfernt. Der Sicherheitsbehälter 1 wurde weitgehend entkernt und gereinigt, lediglich die Hebeeinrichtungen verbleiben in dem Sicherheitsbehälter 1. Er ist kugelförmig ausgebildet und besteht aus Stahl mit einer Wandstärke von 38 mm. Der Durchmesser des Sicherheitsbehälters 1 beträgt 56 m. Er ist für einen störfallbedingten Überdruck von 5,3 bar ausgelegt. Das Gesamtvolumen des Sicherheitsbehälters 1 beträgt ca. 92.000 m3. Zur Wärmespeicherung wird die untere Halbkugel des Sicherheitsbehälters 1 genutzt. Die obere Halbkugel wird für den Ein- und Ausbau der Wärmeüberträger 2 und der elektrischen Heizeinrichtungen 3 frei gehalten.
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In dem Sicherheitsbehälter 1 sind die Wärmeüberträger 2 senkrecht angeordnet. Sie sind als U-Rohre ausgebildet. Mehrere Wärmeüberträger 2 sind zu einem Bündel zusammengefasst. Die Wärmeüberträgerbündel weisen eine dreieckige Anordnung der U-Rohre auf. In der Mitte eines jeden Rohrdreieckes ist eine elektrische Widerstandsheizung 3 in Form eines elektrischen Heizstabes in gleicher Länge wie die U-Rohr-förmigen Wärmeüberträger 2 positioniert. Die U-Rohr-förmigen Wärmeüberträger 2 sind an ihrer Außenseite zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche mit Längsrippen versehen. Die Durchmesser und die Länge der kompletten Wärmeüberträgerbündel sind an die geometrischen Anforderungen, die sich aus der Kugelform des Sicherheitsbehälters 1 ergeben, angepasst. Der Durchmesser eines Wärmeüberträgerbündels beträgt beispielsweise etwa 5 m, der Abstand der Rohre in der Dreiecksanordnung der Rohre beträgt beispielsweise 0,25 m.
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In der Zeichnung, 2, sind auf Grund der besseren Übersichtlichkeit nur 8 Wärmeüberträger 2 und 10 elektrische Widerstandsheizungen 3 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel weist jedes Wärmeüberträgerbündel 196 Wärmeüberträger 2 und 540 elektrische Widerstandsheizungen 3 auf. In dem Sicherheitsbehälter 1 sind dann 18 Wärmeüberträgerbündel mit einer Länge von 15 m und 23 Wärmeüberträgerbündel mit einer Länge von 20 m angeordnet.
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Zur Wärmespeicherung dient eine Schüttung aus mineralischem Speichermaterial 4 wie Sand oder Kies bzw. aus einer Mischung aus beidem. Darüber hinaus enthält das Speichermaterial 4 zur Verbesserung der Wärmeleitung noch geschredderten Stahl oder besser noch Edelstahl. Das Schüttungsvolumen beträgt ca. 35.000 m3.
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Sowohl die Wärmeüberträger 2 als auch die elektrischen Widerstandsheizungen 3 sind von dem Speichermaterial 4 so eng umgeben, dass ein ungehinderter Wärmefluss von den elektrischen Widerstandsheizungen 3 in das Speichermaterial 4 und umgekehrt von dem Speichermaterial 4 in die Wärmeüberträger 2 stattfinden kann. Der Abstand der elektrischen Widerstandsheizungen 3 zueinander ist so bemessen, dass eine annähernd gleichmäßige Erwärmung des gesamten Speichermaterials 4 gewährleistet wird. Die gleiche Bedingung trifft auch für die Anordnung der Wärmeüberträger 2 zueinander im Hinblick auf die Wärmeabgabe des Speichermaterials 4 bei der Dampferzeugung zu. Dies wird durch die oben genannten Abstände und Anzahl der Wärmeüberträger 2 ermöglicht.
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Die Wärmeüberträger 2, die elektrischen Widerstandsheizungen 3 und das Speichermaterial 4 sind sektionsweise auf Stahlträgern in dem Sicherheitsbehälter 1 angeordnet. Die Schüttungen des mineralischen Speichermaterials 4 sind in senkrechte Kammern geteilt, die getrennt gefüllt und entleert werden können. Zum Ein- und Austrag des Speichermaterials 4 sind spezielle Befüll- und Leereinrichtungen vorgesehen. Ebenso sind in dem Sicherheitsbehälter 1 Schrägen angeordnet, die eine Entnahme des Speichermateriales 4 erleichtern.
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Der Sicherheitsbehälter 1 ist sowohl innen als auch außen mit einer Wärmeisolationsschicht versehen. Diese ist so dimensioniert, dass auch nach einem längeren Zeitraum das stark erhitzte Speichermaterial 4 nur wenig abkühlt. Die innere Wärmeisolationsschicht besteht aus Schamotte. Sie dient in gewisser Weise ebenfalls der Wärmespeicherung und schützt darüber hinaus den stählernen Sicherheitsbehälter 1 vor hohen Temperaturen. Um das hohe Speichermaterialgewicht aufzufangen, werden die Fundamente des Speicherbehälters 1 verstärkt.
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Für das Aufheizen des Speichermaterials 4 wird überschüssige Elektroenergie aus dem elektrischen Leitungsnetz entnommen. Das Aufheizen des Speichermaterials 4 erfolgt durch die als Heizstäbe ausgebildeten elektrischen Widerstandsheizungen 3. Dabei beträgt die Heizleistung beim Speichern 500 MW, die speicherbare Wärmemenge beträgt ca. 3,4 GWh. Das Aufheizen wird beendet, wenn das Speichermaterial 4 die gewünschte Maximaltemperatur von 600°C erreicht hat. Die Aufheizzeit dauert in der Regel etwa 6,7 Stunden.
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Bei Bedarf an Elektroenergie wird zur Dampfgewinnung das Speichermaterial 4 abgekühlt. Hierzu wird Kondensat aus dem Wasserspeicher 5 über die Wasserleitung 6 mit Hilfe der beiden Pumpen 7 abgezogen und in die Wärmeüberträger 2 gefördert. In der Zeichnung, 1, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei Pumpen 7, vier elektrische Widerstandsheizungen 3 und zwei U-Rohr-förmige Wärmeüberträger 2 dargestellt. In der Praxis sind jedoch mehr Pumpen 7, elektrische Widerstandsheizungen 3 und Wärmeüberträger 2 erforderlich.
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Das Wasser wird in die eine Hälfte des Kopfes eines U-Rohr-förmigen Wärmeüberträgers 2 geleitet. Durch Wärmeentnahme aus dem Speichermaterial 4 siedet und verdampft das Wasser in den Wärmeüberträgern 2. Es wird Dampf erzeugt, der am Kopf der anderen Hälfte des Wärmeüberträgers 2 abgeleitet wird. Die Wärmeüberträger 2 wirken somit als Dampferzeuger. Der Wärmeübergang und die Verdampfung werden so gesteuert, dass der erzeugte Dampf einen Druck von ca. 65 bar bei einer Dampftemperatur von 280°C aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Verdampfungsleistung ca. 500 MW, es können ca. 8.000 t Dampf erzeugt werden. Es werden 5 Pumpen benötigt, um stündlich einen Volumenstrom von ca. 815 m3 Wasser zu fördern. Die Vorlauftemperatur des Wassers liegt unterhalb von 100°C.
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Der entstandene Dampf wird mit den genannten Parametern über die Dampfleitung 8 und einen in der Dampfleitung 8 angeordneten Druckhalter in die Dampfturbine 9 geführt. Der in den Wärmeüberträgern 2 erzeugte Dampf wird daher mit solchen Parametern gewonnen, die es ermöglichen, ihn direkt in die Dampfturbine 9 zu führen.
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Sollten am Ende des Wärmeentnahmevorganges die für den Betrieb der Dampfturbine 9 erforderlichen Parameter nicht mehr erreicht werden, dann wird der von den Wärmeüberträgern 2 kommende Dampf in dem Nacherhitzer 10 soweit nacherwärmt, bis die geforderten Parameter erreicht werden. Der Nacherhitzer 10 ist in der Dampfleitung 8 angeordnet. Er wird mit Erdgas betrieben, welches über die Erdgasleitung 11 dem Nacherhitzer 10 zugeführt wird. Das verbrannte Erdgas verlässt den Nacherhitzer 10 durch die Abgasleitung 12.
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Die Dampfturbine 9 ist direkt mit dem Generator 13 gekoppelt, der elektrischen Strom erzeugt, welcher in das elektrische Leitungsnetz eingespeist wird.
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Die gespeicherte Wärme ist erschöpft, wenn die Dampftemperatur am Austritt auf dem Wärmeüberträgern 2 der zum eingestellten Druck gehörenden Sättigungstemperatur entspricht.
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Die Dampfturbine 9 verlässt ein Niederdruckdampf, der in dem Kondensator 14 kondensiert wird. Das dabei entstehende Kondensat wird über die Kondensatleitung 15 zurück in den Wasserspeicher 5 geführt, von dem es erneut mit Hilfe der Pumpen 7 wieder in die Wärmeüberträger 2 gefördert wird. Auf diese Weise wird eine Kreislauffahrweise des Dampfes bzw. des Wassers bewirkt.
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Bei einer Variante, bei der die Wärmeüberträger 2 nicht als U-Rohre, sondern als Rohrwendel ausgebildet sind, erfolgt in der Phase der Abkühlung des Speichermaterials (4) die Kondensatzuführung am unteren Teil und der Dampfaustritt am oberen Teil der Rohrwendel. Damit ist die Ausbildung eines entsprechenden Temperaturprofiles längs des Speichermaterials verbunden. In der Phase der Abkühlung des Speichermaterials (4) können daher die Temperaturen des Speichermaterials nahe der Kondensattemperatur zwischen 50°C und 150°C liegen. In der Aufheizphase des Speichermaterials 4 erfolgt dagegen der Eintritt des erhitzten Dampfes am oberen Teil und der Austritt des Kondensates am unteren Teil der Rohrwendel. Die Anordnung der als Rohrwendeln ausgebildeten Wärmeüberträger 2 im Verhältnis zur Anordnung der elektrischen Widerstandsheizungen 3 entspricht der oben aufgeführten Anordnung, bei der die Wärmeüberträger 2 U-Rohr-förmig ausgebildet sind und wie sie in der Zeichnung, 2, dargestellt ist.
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Bei dieser Variante kann der Aufheizvorgang durch die elektrischen Widerstandsheizungen 3 durch außerhalb des Sicherheitsbehälters 1 in elektrischen Heizregistern erzeugten Wasserdampf und dessen Kondensation in den Rohrwendeln unterstützt werden. Einen Grenzfall stellt die alleinige Aufheizung des Speichermaterials 4 durch in den Wärmeüberträgern 2 kondensierenden Wasserdampf dar.
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Der in der Zeichnung, 1, dargestellte dicke Strich 16 trennt die erfindungsgemäßen Anlagenteile von denen eines herkömmlichen Kernkraftwerkes. Die in der Richtung des Pfeiles 17 gezeichneten Anlagenteile gehören zu einem herkömmlichen Kernkraftwerk und können als solche weiter genutzt werden. Sie brauchen somit bei einer Stilllegung des Kernkraftwerkes nicht demontiert zu werden.