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DE102018008011A1 - Energy storage with cryogenic fluids - Google Patents

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DE102018008011A1
DE102018008011A1 DE102018008011.1A DE102018008011A DE102018008011A1 DE 102018008011 A1 DE102018008011 A1 DE 102018008011A1 DE 102018008011 A DE102018008011 A DE 102018008011A DE 102018008011 A1 DE102018008011 A1 DE 102018008011A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie, umfassend eine Anlage zur Verflüssigung von Luftgasen (2), einen Tank (3) für verflüssigte Luftgase, eine über eine erste Leitung (4) mit dem Tank (3) verbundene Pumpe (5), einen mit der Pumpe (5) über eine zweite Leitung (6) verbundenen ersten Wärmeübertrager (7) und einen dem ersten Wärmeübertrager (7) nachgeschalteten zweiten Wärmeübertrager (8), sowie eine dem zweiten Wärmeübertrager (8) nachgeschaltete erste Turbine (9) mit einem ersten Generator (10), wobei am Austritt der ersten Turbine (9) eine dritte Leitung (11) anschließt und in den ersten Wärmeübertrager (7) mündet, wobei in die dritte Leitung (11) stromabwärts des ersten Wärmeübertragers (7) ein dritter Wärmeübertrager (12) geschaltet ist, wobei stromabwärts des dritten Wärmeübertragers (12) in die dritte Leitung (11) ein erstes Ventil (13) geschaltet ist, wobei die dritte Leitung stromabwärts des ersten Ventils in den Tank (3) für verflüssigte Luftgase mündet und wobei vom Tank (3) für verflüssigte Luftgase eine vierte Leitung (14) zum dritten Wärmeübertrager (12) führt, wobei in die vierte Leitung stromabwärts des dritten Wärmeübertragers (12) ein zweites Ventil (15) geschaltet ist und wobei die vierte Leitung (14) zur Atmosphäre führt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie.The invention relates to a device (1) for storing and storing electrical energy, comprising a system for liquefying air gases (2), a tank (3) for liquefied air gases, and a tank (3) via a first line (4). connected pump (5), a first heat exchanger (7) connected to the pump (5) via a second line (6) and a second heat exchanger (8) downstream of the first heat exchanger (7), and a second heat exchanger (8) downstream of the second heat exchanger (8) first turbine (9) with a first generator (10), a third line (11) connecting to the outlet of the first turbine (9) and opening into the first heat exchanger (7), the third line (11) downstream of the first A third heat exchanger (12) is connected to the heat exchanger (7), a first valve (13) being connected downstream of the third heat exchanger (12) in the third line (11), the third line being downstream of the first Valve opens into the tank (3) for liquefied air gases and a fourth line (14) leads from the tank (3) for liquefied air gases to the third heat exchanger (12), with a second valve in the fourth line downstream of the third heat exchanger (12) (15) is switched and the fourth line (14) leads to the atmosphere. The invention further relates to a method for storing and storing electrical energy.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie, sowie ein entsprechendes Verfahren.The invention relates to a device for storing and storing electrical energy, and to a corresponding method.

Da der Anteil erneuerbarer Energieerzeugung wie Windenergie, Photovoltaik etc. immer mehr zunimmt, muss die hierdurch ins Stromnetz eingespeiste und nicht regelbare elektrische Leistung entweder mit Hilfe von konventionellen Kraftwerken oder durch Energiespeicher entsprechend dem aktuellen Bedarf der Verbraucher ausgeregelt werden.Since the share of renewable energy generation such as wind energy, photovoltaics etc. is increasing more and more, the electrical power that is fed into the power grid and cannot be regulated thereby has to be adjusted either with the help of conventional power plants or through energy storage in accordance with the current needs of consumers.

Aus Sicht der Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit ist es wünschenswert, einen Energiespeicher einzusetzen, der schnell verfügbar ist, eine hohe Kapazität und einen großen Leistungsbereich hat, die Umwelt nicht mit giftigen Stoffen belastet, unabhängig von geographischen Gegebenheiten ist und dabei möglichst eine lange Lebensdauer und einen hohen Wirkungsgrad bei geringen Investitionskosten bietet.From the point of view of sustainability and economy, it is desirable to use an energy storage device that is quickly available, has a high capacity and a large output range, does not pollute the environment with toxic substances, is independent of geographical conditions and, if possible, has a long service life and a long one Offers efficiency with low investment costs.

Eine Möglichkeit, die oben genannten Kriterien zu erfüllen, ist die Energiespeicherung in Form von flüssiger Luft (LAES = Liquid Air Energy Storage). Hierbei wird elektrische Überschussleistung genutzt, um Luft zu verflüssigen und in Tanks zu speichern. Soll elektrische Leistung abgegeben werden, so wird die flüssige Luft dem Tank entnommen, auf einen höheren Druck gepumpt, mit Hilfe von Umgebungswärme oder anderen Wärmequellen verdampft und angewärmt, und in einer Turbine in der Regel mehrstufig mit Zwischenaufheizung unter Leistungsabgabe entspannt. Die Luft verlässt das System nahezu drucklos.One way to meet the above criteria is to store energy in the form of liquid air (LAES = Liquid Air Energy Storage). Here, excess electrical power is used to liquefy air and store it in tanks. If electrical power is to be delivered, the liquid air is removed from the tank, pumped to a higher pressure, evaporated and warmed with the aid of ambient heat or other heat sources, and, as a rule, expanded in a turbine in several stages with intermediate heating with power output. The air leaves the system almost without pressure.

Um den Wirkungsgrad anzuheben, kann die bei der Luftverflüssigung anfallende Verdichtungsabwärme in Wärmespeichern gespeichert werden, um damit die Turbineneintrittstemperatur anzuheben. Ebenso kann bei der Verdampfung und Aufwärmung der Luft ein Kältespeicher genutzt werden, um während des Verflüssigungszyklus den Energieaufwand zu minimieren. Die Wärme- und Kältespeicher können beispielsweise aus einer Gesteinsschüttung bestehen.In order to increase the efficiency, the compression waste heat resulting from the air liquefaction can be stored in heat stores in order to raise the turbine inlet temperature. Cold storage can also be used for the evaporation and heating of the air to minimize energy consumption during the liquefaction cycle. The heat and cold storage can consist, for example, of a bed of rock.

Ferner wurden weitere LAES- Verfahren entwickelt, welche andere Prozesse wie z.B. die LNG (Liquefied Natural Gas = Flüssigerdgas)- Regasifizierung oder Abwärme von Industrieanlagen einbinden, um entweder den Energieaufwand bei der Luftverflüssigung zu minimieren, oder die Leistungsabgabe zu erhöhen.Furthermore, further LAES processes were developed, which other processes such as incorporate LNG (liquefied natural gas) regasification or waste heat from industrial plants in order to either minimize the energy required for air liquefaction or to increase the power output.

Andere LAES- Verfahren entspannen die Druckluft mit Hilfe der Luftturbine auf ein Druckniveau, welches für den Eintritt in die Brennkammer einer Gasturbine geeignet ist und integrieren somit einen Gasturbinenprozess in den LAES- Prozess. Das heiße Abgas der Gasturbine wird hierbei genutzt, um die Eintrittstemperatur in die Luftturbine und damit den Wirkungsgrad anzuheben.Other LAES processes use the air turbine to relax the compressed air to a pressure level that is suitable for entry into the combustion chamber of a gas turbine and thus integrate a gas turbine process into the LAES process. The hot exhaust gas from the gas turbine is used to increase the inlet temperature into the air turbine and thus the efficiency.

Für die Regasifizierung von kryogenen Fluiden wie z.B. LNG wurde das überkritische Regasifizierungsverfahren entworfen, das einen Teilstrom des aus der Turbine austretenden Gesamtstroms über einen Wärmeübertrager zwecks Rekuperation zurückführt, und den aus dem Wärmeübertrager abgekühlt und verflüssigt austretenden Teilstrom mit Hilfe einer Rezirkulationspumpe mit dem zur Turbine führenden Hochdruckstrom zusammenführt.For the regasification of cryogenic fluids such as The supercritical regasification process was designed for LNG, which recirculates a partial flow of the total flow exiting the turbine via a heat exchanger for recuperation, and combines the cooled and liquefied partial flow exiting the heat exchanger with the high pressure flow leading to the turbine using a recirculation pump.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mit hohem Wirkungsgrad bereitzustellen, welche gleichzeitig kostengünstig sind, mit wenigen Komponenten auskommen und eine hohe Verfügbarkeit bieten.The object of the invention is to provide a device and a method for storing and storing electrical energy with a high degree of efficiency, which are at the same time inexpensive, require only a few components and offer high availability.

Die Erfindung löst die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einer derartigen Vorrichtung zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie, umfassend eine Anlage zur Verflüssigung von Luftgasen, einen Tank für verflüssigte Luftgase, eine über eine erste Leitung mit dem Tank verbundene Pumpe, einen mit der Pumpe über eine zweite Leitung verbundenen ersten Wärmeübertrager und einen dem ersten Wärmeübertrager nachgeschalteten zweiten Wärmeübertrager, sowie eine dem zweiten Wärmeübertrager nachgeschaltete erste Turbine mit einem ersten Generator, am Austritt der ersten Turbine eine dritte Leitung anschließt und in den ersten Wärmeübertrager mündet, wobei in die dritte Leitung stromabwärts des ersten Wärmeübertragers ein dritter Wärmeübertrager geschaltet ist, wobei stromabwärts des dritten Wärmeübertragers in die dritte Leitung ein erstes Ventil geschaltet ist, wobei die dritte Leitung stromabwärts des ersten Ventils in den Tank für verflüssigte Luftgase mündet und wobei vom Tank für verflüssigte Luftgase eine vierte Leitung zum dritten Wärmeübertrager führt, wobei in die vierte Leitung stromabwärts des dritten Wärmeübertragers ein zweites Ventil geschaltet ist und wobei die vierte Leitung zur Atmosphäre führt.The invention achieves the object aimed at a device by providing that in such a device for storing and storing electrical energy, comprising a system for liquefying air gases, a tank for liquefied air gases, a tank connected to the tank via a first line Pump, a first heat exchanger connected to the pump via a second line and a second heat exchanger downstream of the first heat exchanger, and a first turbine downstream of the second heat exchanger with a first generator, a third line connects to the outlet of the first turbine and opens into the first heat exchanger , a third heat exchanger being connected in the third line downstream of the first heat exchanger, a first valve being connected downstream of the third heat exchanger in the third line, the third line being downstream of the first valve in the tank f r liquefied air gases opens and wherein a fourth conduit leading from the tank for liquefied air gases to the third heat exchanger wherein in the fourth line downstream of the third heat exchanger, a second valve is connected and wherein the fourth line leading to the atmosphere.

Die Grundidee der Erfindung ist, das Kältepotential des verflüssigten Luftgases, welches ein kryogenes Fluid darstellt, soweit wie möglich wiederzugewinnen (zu rekuperieren), indem das durch Umgebungswärme, niederwertige Abfallwärme oder eingespeicherte Wärme aufgewärmte Fluid in der ersten Turbine auf einen niedrigeren aber überkritischen Druck entspannt wird und damit die Grädigkeit am kalten Ende des ersten Wärmeübertragers minimiert wird, was nach der Druckreduzierung auf Tankdruckniveau zu einem geringen Ausgasungsanteil führt. Im dritten Wärmeübertrager wird der ausgegaste Anteil dazu genutzt, die Temperatur des Fluids vor der Druckreduzierung noch weiter abzusenken und damit den Ausgasungsanteil nochmals zu reduzieren. Je geringer der ausgegaste Anteil ist, desto höher ist die Speicherkapazität der Vorrichtung zur Ein- und Ausspeicherung von Energie bzw. desto geringer ist die Leistungsaufnahme während des Verflüssigungsprozesses der Luftgase, um den Tank für flüssige Luftgase aufzufüllen. Somit sorgt die Erfindung dafür, dass während der Abgabe elektrischer Leistung das Kältepotential in Form von flüssigen Luftgasen wiedergewonnen wird, anstelle wie bei den bekannten LAES- Verfahren während der Abgabe elektrischer Leistung Kältespeicher aufzufüllen, welche dann erst während des Verflüssigungszyklus genutzt werden können, um die Verflüssigungsarbeit zu reduzieren. Hierdurch wird die Vorrichtung zur Ein- und Ausspeicherung von Energie bei ähnlichem Wirkungsgrad deutlich kostengünstiger, da die Kältespeicher entfallen. Das Gesamtsystem wird einfacher und übersichtlicher. Im Gegensatz zum oben beschriebenen überkritischen Regasifizierungsprozess wird gemäß der Erfindung kein Teilstrom über eine Rezirkulationspumpe rezirkuliert, sondern möglichst der gesamte Fluidstrom, der aus der ersten Turbine austritt, abgekühlt und verflüssigt in den Tank zurückgeführt.The basic idea of the invention is to recover (recuperate) the cold potential of the liquefied air gas, which is a cryogenic fluid, as much as possible by relaxing the fluid warmed up by ambient heat, low-value waste heat or stored heat to a lower but supercritical pressure in the first turbine and thus the degree of cruelty at the cold end of the first heat exchanger is minimized, which leads to a low outgassing fraction after the pressure has been reduced to the tank pressure level. The gas is degassed in the third heat exchanger Part used to lower the temperature of the fluid even further before the pressure was reduced, thus reducing the proportion of outgassing again. The lower the outgassed fraction, the higher the storage capacity of the device for storing and releasing energy or the lower the power consumption during the liquefaction process of the air gases in order to fill up the tank for liquid air gases. Thus, the invention ensures that the cold potential is recovered in the form of liquid air gases during the delivery of electrical power instead of filling up cold stores during the delivery of electrical power, as in the known LAES methods, which can then only be used during the liquefaction cycle in order to achieve the To reduce liquefaction work. As a result, the device for storing and storing energy with a similar degree of efficiency is significantly more cost-effective since the cold stores are eliminated. The overall system becomes simpler and clearer. In contrast to the supercritical regasification process described above, according to the invention, no partial stream is recirculated via a recirculation pump, but rather the entire fluid stream that emerges from the first turbine is cooled and liquefied and returned to the tank.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Pumpe ein vierter Wärmeübertrager nachgeschaltet, wobei in die zweite Leitung zwischen dem vierten Wärmeübertrager und dem ersten Wärmeübertrager ein fünfter Wärmeübertrager geschaltet ist, wobei stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers aus der dritten Leitung eine fünfte Leitung abzweigt, welche stromabwärts des ersten Wärmeübertragers in die dritte Leitung einmündet, wobei in die fünfte Leitung ein drittes Ventil geschaltet ist und ein viertes Ventil stromabwärts des Abzweigs der fünften Leitung von der dritten Leitung und stromaufwärts der Einmündung der fünften Leitung in die dritte Leitung in die dritte Leitung geschaltet ist, so dass hochdruckseitig oder auf der Seite des niedrigeren, überkritischen Drucks zwischen den ersten und vierten Wärmeübertrager ein fünfter Wärmeübertrager geschaltet werden kann, über den Wärme von der Umgebung aufgenommen oder an die Umgebung abgegeben werden kann, wobei die vierte Leitung stromabwärts des dritten Wärmeübertragers in den vierten Wärmeübertrager mündet und wobei das zweite Ventil stromabwärts des vierten Wärmeübertragers in die vierte Leitung geschaltet ist. Durch den fünften Wärmeübertrager können Temperaturschwankungen und damit thermische Spannungen innerhalb des ersten und vierten Wärmeübertragers während des Startens oder Abfahrens oder während Lastrampen verringert werden. Es bietet sich zudem die Möglichkeit, die Eintrittstemperatur in die erste Turbine allein über den Eintrag von Umgebungswärme in den fünften Wärmeübertrager anzuheben, wenn ein Eintrag von eingespeicherter Abwärme oder niederwertiger Abfallwärme in den zweiten Wärmeübertrager nicht möglich ist, wobei bei alleinigem Eintrag von Umgebungswärme die Strömung auf der Seite niedrigeren, überkritischen Drucks mit Hilfe der fünften Leitung um den ersten Wärmeübertrager herumgeführt wird. Dadurch, dass die vierte Leitung nach Austritt aus dem dritten Wärmeübertrager in den vierten Wärmeübertrager einmündet, wird der Ausgasungsanteil weiter reduziert und der Wirkungsgrad angehoben.In an advantageous embodiment of the invention, a fourth heat exchanger is connected downstream of the pump, a fifth heat exchanger being connected in the second line between the fourth heat exchanger and the first heat exchanger, a fifth line branching upstream of the first heat exchanger from the third line, which line downstream of the first heat exchanger opens into the third line, a third valve being connected in the fifth line and a fourth valve being connected downstream of the branch of the fifth line from the third line and upstream of the confluence of the fifth line and the third line, so that on the high-pressure side or on the side of the lower, supercritical pressure, a fifth heat exchanger can be connected between the first and fourth heat exchangers, via which heat can be absorbed from the environment or released to the environment ann, wherein the fourth line downstream of the third heat exchanger opens into the fourth heat exchanger and wherein the second valve is connected downstream of the fourth heat exchanger in the fourth line. The fifth heat exchanger can reduce temperature fluctuations and thus thermal stresses within the first and fourth heat exchangers during starting or shutting down or during load ramps. There is also the possibility of raising the inlet temperature into the first turbine solely by entering ambient heat into the fifth heat exchanger if it is not possible to store stored waste heat or low-quality waste heat in the second heat exchanger, with the flow being the only entry of ambient heat on the side of lower, supercritical pressure with the help of the fifth line around the first heat exchanger. The fact that the fourth line opens into the fourth heat exchanger after it emerges from the third heat exchanger means that the outgassing fraction is further reduced and the efficiency is increased.

In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform werden der dritte Wärmeübertrager und der vierte Wärmeübertrager in einer Komponente integriert.In an alternative advantageous embodiment, the third heat exchanger and the fourth heat exchanger are integrated in one component.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform mündet die dritte Leitung in einen Ausgasungsbehälter, an dessen Boden eine sechste Leitung anschließt, welche in den Tank für verflüssigte Luftgase mündet, wobei in die sechste Leitung ein fünftes Ventil geschaltet ist und wobei die vierte Leitung im Gasraum des Ausgasungsbehälters anschließt. Dadurch, dass die Ausgasung in einem separaten Behälter stattfindet, können Kosten für die Absicherung des Tanks für flüssige Luftgase gesenkt werden.In a further advantageous embodiment, the third line opens into a degassing container, at the bottom of which a sixth line connects, which opens into the tank for liquefied air gases, a fifth valve being connected in the sixth line and the fourth line connecting in the gas space of the degassing container . Because the outgassing takes place in a separate container, costs for securing the tank for liquid air gases can be reduced.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zweigt stromaufwärts des ersten Ventils aus der dritten Leitung eine siebte Leitung ab, welche in einer zweiten Turbine mündet, die an einen zweiten Generator gekoppelt ist, wobei eine achte Leitung am Austritt der zweiten Turbine anschließt und stromabwärts des ersten Ventils in die dritte Leitung mündet. Durch eine Entspannung des kryogenen Fluids von niedrigerem, überkritischen Druck auf niedrigen, unterkritischen Druck in der zweiten Turbine anstatt im zweiten Ventil kann der Ausgasungsanteil weiter abgesenkt werden und zusätzliche elektrische Leistung erzeugt werden.In a further advantageous embodiment, a seventh line branches off upstream of the first valve from the third line, which ends in a second turbine which is coupled to a second generator, an eighth line connecting to the outlet of the second turbine and downstream of the first valve the third line opens. By relaxing the cryogenic fluid from a lower, supercritical pressure to a lower, subcritical pressure in the second turbine instead of in the second valve, the outgassing fraction can be further reduced and additional electrical power can be generated.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in die zweite Leitung stromabwärts der Pumpe eine Rückschlagklappe geschaltet, wobei stromabwärts der Rückschlagklappe von der zweiten Leitung eine neunte Leitung abzweigt und in einen Drucktank mündet, wobei am Drucktank eine zehnte Leitung anschließt, die stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers in die zweite Leitung mündet, wobei in die neunte Leitung ein sechstes Ventil geschaltet ist, wobei in die zehnte Leitung ein siebtes Ventil geschaltet ist, wobei der Drucktank mit einem luftbeheizten Druckaufbauverdampfer verbunden ist und wobei in die flüssigkeitsführende Leitung des Druckaufbauverdampfer ein achtes Ventil geschaltet ist. Der Drucktank kann auf unterkritischen Druck ausgelegt werden und wird dazu genutzt, um temporär auch ohne Pumpe ein Druckgefälle für die erste Turbine bereitstellen zu können, was in Verbindung mit Wärmeeintrag aus der Umgebung die Schwarzstartfähigkeit bewirkt.In a further advantageous embodiment, a non-return valve is connected in the second line downstream of the pump, a ninth line branching off from the second line downstream of the non-return valve and opening into a pressure tank, a tenth line connecting to the pressure tank, which line upstream of the first heat exchanger into the second line opens, a sixth valve being connected in the ninth line, a seventh valve being connected in the tenth line, the pressure tank being connected to an air-heated pressure build-up evaporator and an eighth valve being connected in the liquid-carrying line of the pressure build-up evaporator. The pressure tank can be designed for subcritical pressure and is used to temporarily provide a pressure drop for the first turbine even without a pump, which in connection with Heat input from the environment causes the black start ability.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Tank für verflüssigte Luftgase Stickstoff. Aber auch flüssige Luft, flüssiger Sauerstoff oder flüssiges Argon sind in Frage kommende Fluide.In a preferred embodiment of the invention, the tank for liquefied air gases contains nitrogen. However, liquid air, liquid oxygen or liquid argon are also possible fluids.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zweigt stromabwärts der ersten Turbine von der dritten Leitung eine elfte Leitung ab, die zu einer an einen dritten Generator gekoppelten dritten Turbine führt, wobei in die elfte Leitung ein sechster Wärmeübertrager geschaltet ist und wobei am Austritt der dritten Turbine eine zwölfte Leitung zur Atmosphäre führt. Mit Hilfe des über die zwölfte Leitung vom Gesamtstrom abgezweigten Teilstroms kann im Falle der Verwendung von Luft als kryogenes Fluid der Anstieg der Sauerstoffkonzentration im Tank begrenzt werden. Zudem kann die Grädigkeit am kalten Ende des ersten Wärmeübertragers so verringert werden, so dass der Ausgasungsanteil nach Entspannung des kryogenen Fluids im ersten Ventil abgesenkt wird. Über den sechsten Wärmeübertager kann Umgebungswärme, eingespeicherte Wärme oder niederwertige Abfallwärme eingetragen werden, um die Eintrittstemperatur in die dritte Turbine anzuheben. Alternativ ist auch eine mehrstufige Entspannung mit Zwischenanwärmung möglich.In a further advantageous embodiment, an eleventh line branches off from the third line downstream of the first turbine and leads to a third turbine coupled to a third generator, a sixth heat exchanger being connected to the eleventh line and a twelfth at the outlet of the third turbine Lead to the atmosphere. With the help of the partial flow branched off from the total flow via the twelfth line, the increase in the oxygen concentration in the tank can be limited if air is used as the cryogenic fluid. In addition, the straightness at the cold end of the first heat exchanger can be reduced so that the outgassing fraction is reduced in the first valve after the cryogenic fluid has expanded. Ambient heat, stored heat or low-value waste heat can be entered via the sixth heat exchanger in order to raise the entry temperature into the third turbine. Alternatively, a multi-stage relaxation with intermediate heating is also possible.

Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird daher gelöst durch ein Verfahren zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie, bei dem zur Einspeicherung elektrischer Energie Luftgase verflüssigt und in einem Tank gespeichert werden, und bei dem zur Ausspeicherung das gespeicherte flüssige Luftgas über eine zweite Leitung durch einen ersten und einen zweiten Wärmeübertrager zu einer ersten Turbine gepumpt wird, wobei das Luftgas im ersten und zweiten Wärmeübertrager erwärmt wird und in der ersten Turbine zum Antreiben eines ersten Generators entspannt wird, wobei das aus der ersten Turbine austretende Luftgas zuerst dem ersten Wärmeübertrager und anschließend dem dritten Wärmeübertrager zugeführt wird, wobei das aus dem dritten Wärmeübertrager abgekühlt und verflüssigt austretende Luftgas über ein erstes Ventil auf den im Tank für verflüssigte Luftgase herrschenden Druck entspannt und anschließend in den Tank für verflüssigte Luftgase geleitet wird, wobei der ausgegaste tiefkalte Anteil des Luftgases dem dritten Wärmeübertrager zugeführt wird und aus diesem dritten Wärmeübertrager teilweise angewärmt austritt, und wobei der ausgegaste Anteil des Luftgases über ein zweites Ventil in die Atmosphäre abgeblasen wird.The object directed to a method is therefore achieved by a method for storing and withdrawing electrical energy, in which air gases are liquefied and stored in a tank for storing electrical energy, and in which the stored liquid air gas is withdrawn via a second line through a first and a second heat exchanger is pumped to a first turbine, the air gas being heated in the first and second heat exchangers and expanded in the first turbine to drive a first generator, the air gas emerging from the first turbine first being the first heat exchanger and then the third heat exchanger is supplied, the cooled and liquefied from the third heat exchanger liquefied air gas via a first valve to the pressure prevailing in the tank for liquefied air gases and then passed into the tank for liquefied air gases, the outgassed cryogenic portion of the air gas is supplied to the third heat exchanger and emerges partially heated from this third heat exchanger, and the outgassed portion of the air gas is blown off into the atmosphere via a second valve.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn das mittels einer Pumpe aus dem Tank entnommene verflüssigte Luftgas auf einen Druck von über 170 bara gebracht wird.It is advantageous if the liquefied air gas removed from the tank by means of a pump is brought to a pressure of over 170 bara.

Zweckmäßiger Weise wird das Fluid aus einem Tank entnommen. Für kleinere Tankvolumina kann der Tank als Drucktank ausgeführt werden, wodurch die Pumpenleistung reduziert und damit der Wirkungsgrad angehoben werden kann. Für die Realisierung größerer Speicherkapazität sind große Flachbodentanks geeignet, die nur einen geringen Überdruck von 50-80mbar aufweisen.The fluid is expediently removed from a tank. For smaller tank volumes, the tank can be designed as a pressure tank, which reduces the pump output and thus increases the efficiency. Large flat-bottom tanks with only a slight overpressure of 50-80 mbar are suitable for realizing larger storage capacities.

Es ist vorteilhaft, wenn das Luftgas vor Eintritt in die erste Turbine auf eine möglichst hohe Temperatur aufgewärmt wird. Dies kann durch Umgebungswärme oder durch eingespeicherte Wärme, wie z.B. durch eingespeicherte Verdichtungsabwärme des Verflüssigungsprozesses für Luftgase, eingespeicherte Wärme aus einem elektrothermischen Energiespeicher (ETES = Electric Thermal Energy Storage), oder mit niederwertiger Abfallwärme, wie z.B. die Verdichtungsabwärme eines Hauptluftverdichters einer Luftzerlegungsanlage erfolgen.It is advantageous if the air gas is heated to the highest possible temperature before entering the first turbine. This can be caused by ambient heat or by stored heat, e.g. through stored compression waste heat from the liquefaction process for air gases, stored heat from an electrothermal energy storage (ETES = Electric Thermal Energy Storage), or with low-quality waste heat, e.g. the waste heat from a main air compressor of an air separation plant is produced.

Im Falle der Verwendung eines elektrothermischen Energiespeichers ist es vorteilhaft, wenn die Eintrittstemperatur in die erste Turbine über 500°C berträgt.If an electrothermal energy store is used, it is advantageous if the inlet temperature into the first turbine transmits above 500 ° C.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn der niedrigere, überkritische Druck bei der Verwendung von Stickstoff bei über 50 bara liegt. Die Vorteile der überkritischen Entspannung sind, wie oben bereits genannt, dass ein hoher Anteil des Kältepotentials wiedergewonnen werden kann, indem die Grädigkeit am kalten Ende des ersten Wärmeübertragers minimiert wird, da der Fluidmassenstrom, welcher sich auf niedrigerem, aber überkritischen Druckniveau befindet, keinen Phasenwechsel durchläuft.It is also advantageous if the lower supercritical pressure when using nitrogen is above 50 bara. As already mentioned above, the advantages of supercritical expansion are that a high proportion of the cold potential can be recovered by minimizing the degree of predilection at the cold end of the first heat exchanger, since the fluid mass flow, which is at a lower but supercritical pressure level, does not change phases goes through.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn der nach der Entspannung von niedrigerem, überkritischen Druck auf Tankdruckniveau des aus dem ersten Wärmeübertrager austretenden Fluidmassenstroms ausgegaste Anteil des entspannten Fluidmassenstroms in einem dritten Wärmeübertrager den zu entspannenden Fluidmassenstrom soweit wie möglich abkühlt, damit der Ausgasungsanteil so niedrig wie möglich, insbesondere kleiner als ein Siebtel des Gesamtmassenstroms ist. Der Ausgasungsanteil stellt den Verlust an Arbeitsvermögen des Energiespeichers während der Ausspeicherphase dar, und somit ist eine Minimierung dieses Verlustes wünschenswert, um den Energieaufwand für die Einspeicherphase zu minimieren.It is also advantageous if the portion of the expanded fluid mass flow which has been outgassed after the expansion from lower, supercritical pressure to the tank pressure level of the fluid mass flow emerging from the first heat exchanger cools the fluid mass flow to be expanded as much as possible, so that the outgassing portion is as low as possible. is in particular less than one seventh of the total mass flow. The outgassing fraction represents the loss of working capacity of the energy store during the withdrawal phase, and thus minimizing this loss is desirable in order to minimize the energy expenditure for the injection phase.

Da sich bei Gemischen verflüssigter Luftgase, wie z.B. Luft, beim Ausgasen nach einer Druckreduktion die Konzentration in der Flüssigphase ändert und der Anteil höhersiedender Komponenten ansteigt, ist es vorteilhaft, als Arbeitsmedium reine Luftgase wie z.B. Stickstoff zu verwenden.Since mixtures of liquefied air gases, e.g. Air, when degassing after a pressure reduction changes the concentration in the liquid phase and the proportion of higher-boiling components increases, it is advantageous to use pure air gases such as e.g. To use nitrogen.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn als Anlage zur Verflüssigung von Luftgasen eine Luftzerlegungsanlage mit großer Verflüssigungskapazität verwendet wird. It is also advantageous if an air separation plant with a large liquefaction capacity is used as the plant for the liquefaction of air gases.

Der hier beschriebene überkritische Rekuperationsprozess ist ein einfacher und stabiler Prozess, mit dem das Kältepotential kryogener Fluide für die Erzeugung elektrischer Leistung effizient genutzt werden kann. Die Kombination mit einem Verflüssigungsprozess für Luftgase und der Ausnutzung von niederwertiger Abwärme oder eingespeicherter Wärme bietet folgende Vorteile:

  • - Kostengünstige und effiziente Lösung für die Energiespeicherung,
  • - Kostengünstige und effiziente Lösung für die Lastflexibilisierung von Luftzerlegungsanlagen,
  • - Kostensparend auf Grund der Verwendung nur eines Pumpentyps,
  • - Kostensparend auf Grund der Verwendung nur einer Turbinenstufe, die z.B. als Radialturbine ausgeführt werden kann,
  • - Kostensparend, da keine Zwischenaufwärmung zwischen mehreren Turbinenstufen notwendig ist, wodurch nur eine geringere Anzahl von Wärmeübertragern benötigt wird,
  • - Verflüssigung und Abgabe elektrischer Leistung können entkoppelt werden, wodurch Kosten und Komplexität verringert werden und die Flexibilität erhöht wird,
  • - Schnelle Startfähigkeit, da im Gegensatz zu Wasser-Dampf-Kreisläufen nicht auf Dampfreinheit für die Dampfturbine gewartet werden muss,
  • - Schnelle Lastrampen,
  • - Schwarzstartfähigkeit kann problemlos integriert werden,
  • - Primärfrequenzregelfähigkeit,
  • - Auch bei längeren Anlagenstillständen treten keine Korrosionsprobleme auf,
  • - Keine Notwendigkeit für chemische Konditionierung des Arbeitsmediums wie z.B. bei Wasser-Dampf-Kreisläufen,
  • - Einfache Regelung,
  • - Hohe Verfügbarkeit durch die Möglichkeit, alternativ Umgebungswärme zu verwenden,
  • - Weiter Lastbereich und hoher Teillastwirkungsgrad, da Radialturbinen mit Düsenringverstellung verwendet werden können.
The supercritical recuperation process described here is a simple and stable process with which the cold potential of cryogenic fluids can be used efficiently to generate electrical power. The combination with a liquefaction process for air gases and the use of low-quality waste heat or stored heat offers the following advantages:
  • - Inexpensive and efficient solution for energy storage,
  • - Inexpensive and efficient solution for the load flexibility of air separation plants,
  • - Cost-saving due to the use of only one pump type,
  • - Cost-saving due to the use of only one turbine stage, which can be designed as a radial turbine, for example,
  • - Cost-saving, since no intermediate heating between several turbine stages is necessary, which means that only a smaller number of heat exchangers is required,
  • - Liquefaction and delivery of electrical power can be decoupled, which reduces costs and complexity and increases flexibility,
  • - Fast start-up since, unlike water-steam cycles, there is no need to wait for steam to be cleaned for the steam turbine,
  • - fast load ramps,
  • - Black start capability can be easily integrated,
  • - primary frequency controllability,
  • - Even with long plant downtimes there are no corrosion problems,
  • - No need for chemical conditioning of the working medium, such as in water-steam cycles,
  • - simple regulation,
  • - High availability due to the possibility of alternatively using ambient heat,
  • - Wide load range and high partial load efficiency, as radial turbines with nozzle ring adjustment can be used.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

  • 1 Eine Vorrichtung zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie nach der Erfindung,
  • 2 Eine Variante der Vorrichtung zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie zur Reduzierung der thermischen Spannungen in den Wärmeübertragern,
  • 3 Eine Variante der Vorrichtung zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mit Ausgasung des auf unterkritischen Druck entspannten Fluids in einem Ausgasungsbehälter,
  • 4 Eine Variante der Vorrichtung zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mit Entspannung des überkritischen Fluids niedrigeren Drucks in einer Flüssigturbine,
  • 5 Eine Variante der Vorrichtung zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mit einem Drucktank für die Bereitstellung von Schwarzstartfähigkeit.
  • 6 Eine Variante der Vorrichtung zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mit einer Abzweigung eines Teilstroms im nichtkryogenen Bereich.
The invention is explained in more detail by way of example with reference to the drawings. They show schematically and not to scale:
  • 1 A device for storing and storing electrical energy according to the invention,
  • 2nd A variant of the device for storing and storing electrical energy to reduce the thermal stresses in the heat exchangers,
  • 3rd A variant of the device for the storage and storage of electrical energy with outgassing of the expanded fluid to subcritical pressure in a outgassing container,
  • 4th A variant of the device for storing and withdrawing electrical energy with relaxation of the supercritical fluid at lower pressure in a liquid turbine,
  • 5 A variant of the device for storing and storing electrical energy with a pressure tank for the provision of black start capability.
  • 6 A variant of the device for storing and storing electrical energy with a branch of a partial flow in the non-cryogenic area.

Die 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Vorrichtung 1 zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie, umfassend eine Anlage zur Verflüssigung von Luftgasen 2 und einen Tank 3 für verflüssigte Luftgase. Die Vorrichtung umfasst ferner eine über eine erste Leitung 4 mit dem Tank 3 verbundene Pumpe 5, einen mit der Pumpe 5 über eine zweite Leitung 6 verbundenen ersten Wärmeübertrager 7 und einen dem ersten Wärmeübertrager 7 nachgeschalteten zweiten Wärmeübertrager 8, sowie eine dem zweiten Wärmeübertrager 8 nachgeschaltete erste Turbine 9 mit einem erstem Generator 10.The 1 shows schematically and by way of example a device 1 for storing and storing electrical energy, comprising a system for liquefying air gases 2nd and a tank 3rd for liquefied air gases. The device further comprises a via a first line 4th with the tank 3rd connected pump 5 , one with the pump 5 via a second line 6 connected first heat exchanger 7 and one to the first heat exchanger 7 downstream second heat exchanger 8th , as well as the second heat exchanger 8th downstream first turbine 9 with a first generator 10th .

Am Austritt der ersten Turbine 9 schließt eine dritte Leitung 11 an und mündet in den ersten Wärmeübertrager 7, dem der dritte Wärmeübertrager 12 nachgeschaltet ist.
Stromabwärts des dritten Wärmeübertragers 12 ist in die dritte Leitung 11 das erste Ventil 3 nachgeschaltet. Die dritte Leitung 11 mündet stromabwärts des ersten Ventils 3 in den Tank 3. Über das erste Ventil 3 wird erfindungsgemäß der Druck des Fluids von überkritischem Druck auf Tankdruckniveau reduziert. Am Tank 3 schließt eine vierte Leitung 14 an und mündet im dritten Wärmeübertrager 12. Stromabwärts des dritten Wärmeübertragers 12 ist in die vierte Leitung 14 ein zweites Ventil 15 geschaltet, über welches der durch die Druckabsenkung ausgegaste Anteil des über die dritte Leitung 11 in den Tank 3 strömenden Fluids zur Atmosphäre oder zur weiteren Verwendung durch Verbraucher druckloser Luftgase geleitet wird.
At the outlet of the first turbine 9 closes a third line 11 and flows into the first heat exchanger 7 , which is the third heat exchanger 12th is connected downstream.
Downstream of the third heat exchanger 12th is on the third line 11 the first valve 3rd downstream. The third line 11 opens downstream of the first valve 3rd in the tank 3rd . Via the first valve 3rd According to the invention, the pressure of the fluid is reduced from supercritical pressure to the tank pressure level. At the tank 3rd closes a fourth line 14 and ends in the third heat exchanger 12th . Downstream of the third heat exchanger 12th is on the fourth line 14 a second valve 15 switched, via which the portion degassed by the pressure reduction via the third line 11 in the tank 3rd flowing fluids to the atmosphere or for further use by consumers of unpressurized air gases.

Die in 2 gezeigte Schaltung ist zur Reduzierung von thermischen Spannungen optimiert, die in den Wärmeübertragern beim Betrieb mit höherer Eintrittstemperatur in die Turbine 9 auftreten können. Die Eintrittstemperatur in die Turbine 9 wird über Wärmeeintrag durch eingespeicherte Wärme oder Abfallwärme in den zweiten Wärmeübertrager 8 angehoben. Um die thermischen Spannungen vor allem bei Lastwechseln zu reduzieren, werden ein warmer erster Wärmeübertrager 7 und ein kalter vierter Wärmeübertrager 17 verwendet. Der fünfte Wärmeübertager 16 ist hier exemplarisch hochdruckseitig zwischen den vierten Wärmeübertrager 17 und den ersten Wärmeübertrager 7 geschaltet worden und ermöglicht durch Wärmeeintrag von der Umgebung oder Wärmeabfuhr an die Umgebung eine zusätzliche Verminderung der Temperaturschwankungen innerhalb des ersten Wärmeübertragers 7 und des vierten Wärmeübertragers 17. Sollte keine Wärmequelle mit einer höheren Temperatur als Umgebungstemperatur für den Wärmeeintrag in den zweiten Wärmeübertrager 8 zur Verfügung stehen, so kann der erste Wärmeübertager 7 auf der Seite niedrigeren, aber überkritischen Drucks über die fünfte Leitung 18 umfahren werden, indem das dritte Ventil 19 in der fünften Leitung 18 geöffnet und das vierte Ventil 20 in Leitung 11 geschlossen wird, so dass allein mit einem Wärmeeintrag aus der Umgebung elektrische Leistung erzeugt werden kann.In the 2nd the circuit shown is optimized to reduce thermal stresses, those in the heat exchangers when operating with a higher inlet temperature into the turbine 9 may occur. The entry temperature into the turbine 9 is about heat input through stored heat or waste heat in the second heat exchanger 8th raised. In order to reduce the thermal stresses, especially when there are load changes, a warm first heat exchanger is used 7 and a cold fourth heat exchanger 17th used. The fifth heat exchanger 16 is an example here on the high pressure side between the fourth heat exchanger 17th and the first heat exchanger 7 has been switched and allows an additional reduction in temperature fluctuations within the first heat exchanger by heat input from the environment or heat dissipation to the environment 7 and the fourth heat exchanger 17th . Should not be a heat source with a higher temperature than the ambient temperature for the heat input into the second heat exchanger 8th are available, so the first heat exchanger 7 on the side of lower but supercritical pressure via the fifth line 18th be bypassed by the third valve 19th on the fifth line 18th opened and the fourth valve 20th in line 11 is closed, so that electrical power can be generated only with a heat input from the environment.

3 zeigt eine Ausführung, bei der das Ausgasen des aus dem ersten Ventil 13 austretenden kryogenen Fluids stromabwärts des ersten Ventils 13 in einem Ausgasungsbehälter 21 anstatt im Tank 3 erfolgt. Die flüssige Phase wird über die sechste Leitung 22, in die das fünfte Ventil 23 geschaltet ist, in den Tank 3 geleitet. Die vierte Leitung 14 schließt am Ausgasungsbehälter 21 anstatt am Tank 3 an. 3rd shows an embodiment in which the outgassing of the first valve 13 escaping cryogenic fluid downstream of the first valve 13 in a degassing tank 21 instead of in the tank 3rd he follows. The liquid phase is through the sixth line 22 into which the fifth valve 23 is switched into the tank 3rd headed. The fourth line 14 closes on the degassing tank 21 instead of on the tank 3rd at.

Das Ausführungsbeispiel der 4 dient der Optimierung des Wirkungsgrads. Anstelle das aus dem dritten Wärmeübertrager 12 austretende kryogene Fluid im ersten Ventil 13 auf Tankdruckniveau zu entspannen, wird das Fluid über eine siebte Leitung 24 zu einer zweiten Turbine 25 geleitet, welche an einen zweiten Generator 26 gekoppelt ist. Vom Austritt der zweiten Turbine 25 wird das kryogene Fluid über eine achte Leitung 27 stromabwärts des ersten Ventils 13 in die dritte Leitung 11 eingeleitet, welche in den Tank 3 einmündet. Wenn die zweite Turbine 25 in Betrieb ist, ist das erste Ventil 13 geschlossen. Das erste Ventil 13 wird zum Anfahren der Anlage verwendet und für den Fall, dass die zweite Turbine 25 nicht zur Verfügung steht.The embodiment of the 4th serves to optimize efficiency. Instead of that from the third heat exchanger 12th escaping cryogenic fluid in the first valve 13 To relax at the tank pressure level, the fluid passes through a seventh line 24th to a second turbine 25th passed to a second generator 26 is coupled. From the exit of the second turbine 25th the cryogenic fluid passes through an eighth line 27 downstream of the first valve 13 to the third line 11 initiated which in the tank 3rd flows into. If the second turbine 25th is in operation, is the first valve 13 closed. The first valve 13 is used to start the system and in the event that the second turbine 25th is not available.

5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit Schwarzstartfähigkeit. Ein Drucktank 31 ist über eine neunte Leitung 29, in die ein sechstes Ventil 30 geschaltet ist, mit der zweiten Leitung 6 verbunden. Die neunte Leitung 29 dient zum Befüllen des Drucktanks 31, indem das sechste Ventil 30 bei laufender Pumpe 5 geöffnet wird und nach Beendigung des Befüllens geschlossen wird. Zudem ist der Boden des Drucktanks 31 über die zehnte Leitung 32, in die ein siebtes Ventil 33 geschaltet ist, mit der zweiten Leitung 6 verbunden. Ein Druckaufbauverdampfer 34, in welchen über ein achtes Ventil 35 Flüssigkeit aus dem Drucktanks 31 eingeleitet werden kann, ist flüssigkeits- und gasseitig mit dem Drucktank 31 verbunden. Soll im Schwarzstartfall elektrische Leistung erzeugt werden, so wird das siebte Ventil 33 geöffnet, wodurch auch ohne laufende Pumpe 5 unter Druck stehendes kryogenes Fluid in die zur ersten Turbine 9 führende zweite Leitung 6 eingespeist werden kann. Dabei wird der Druck im Drucktank 31 durch den mit Umgebungswärme betriebenen Druckaufbauverdampfer 34 aufrechterhalten, indem die für die Druckhaltung notwendige zu verdampfende Menge über das achte Ventil 35 in den Druckaufbauverdampfer 34 eingeleitet wird. Um zu verhindern, dass kryogenes Fluid rückwärts über die nicht laufende Pumpe 5 in den Tank 3 gedrückt wird, ist in die zweite Leitung 6 stromabwärts der Pumpe 5 und stromaufwärts des Abzweigs der neunten Leitung 29 eine Rückschlagklappe 28 geschaltet. 5 shows an embodiment with black start ability. A pressure tank 31 is on a ninth line 29 in which a sixth valve 30th is switched with the second line 6 connected. The ninth line 29 is used to fill the pressure tank 31 by the sixth valve 30th with the pump running 5 is opened and is closed after filling is complete. In addition, the bottom of the pressure tank 31 over the tenth line 32 in which a seventh valve 33 is switched with the second line 6 connected. A pressure build-up evaporator 34 , in which via an eighth valve 35 Liquid from the pressure tanks 31 can be initiated, is on the liquid and gas side with the pressure tank 31 connected. If electrical power is to be generated in the event of a black start, the seventh valve is used 33 opened, so even without a running pump 5 pressurized cryogenic fluid into the first turbine 9 leading second line 6 can be fed. The pressure in the pressure tank 31 through the pressure build-up evaporator operated with ambient heat 34 maintained by the amount to be evaporated required for pressure maintenance via the eighth valve 35 in the pressure build-up evaporator 34 is initiated. To prevent cryogenic fluid from flowing backwards over the non-running pump 5 in the tank 3rd is pressed is in the second line 6 downstream of the pump 5 and upstream of the ninth line branch 29 a check valve 28 switched.

Das Ausführungsbeispiel der 6 dient der Begrenzung der Sauerstoffkonzentration im Tank 3 im Falle der Verwendung von flüssiger Luft als kryogenes Fluid. Von der dritten Leitung 11 zweigt stromabwärts der ersten Turbine 9 eine elfte Leitung 36 ab, die in die dritte Turbine 39 mündet, welche an einen dritten Generator 40 gekoppelt ist. Über den sechsten Wärmeübertrager, der stromaufwärts der dritten Turbine in die elfte Leitung geschaltet ist, wird mit Hilfe von Umgebungswärme, eingespeicherter Wärme oder niederwertiger Abfallwärme die Eintrittstemperatur der dritten Turbine 39 angehoben. Am Austritt der dritten Turbine 39 schließt eine zwölfte Leitung 38 an, die zur Atmosphäre führt.The embodiment of the 6 serves to limit the oxygen concentration in the tank 3rd in the case of using liquid air as a cryogenic fluid. From the third line 11 branches downstream of the first turbine 9 an eleventh line 36 starting in the third turbine 39 which leads to a third generator 40 is coupled. Via the sixth heat exchanger, which is connected in the eleventh line upstream of the third turbine, the inlet temperature of the third turbine is determined with the aid of ambient heat, stored heat or low-value waste heat 39 raised. At the exit of the third turbine 39 closes a twelfth line 38 that leads to the atmosphere.

BezugszeichenlisteReference list

11
Vorrichtung zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer EnergieDevice for storing and storing electrical energy
22nd
Anlage zur Verflüssigung von LuftgasenPlant for the liquefaction of air gases
33rd
Tank für verflüssigte LuftgaseLiquefied air gas tank
44th
erste Leitungfirst line
55
Pumpepump
66
zweite Leitungsecond line
77
erster Wärmeübertragerfirst heat exchanger
88th
zweiter Wärmeübertragersecond heat exchanger
99
erste Turbinefirst turbine
1010th
erster Generatorfirst generator
1111
dritte Leitungthird line
1212th
dritter Wärmeübertragerthird heat exchanger
1313
erstes Ventilfirst valve
1414
vierte Leitungfourth line
1515
zweites Ventilsecond valve
1616
fünfter Wärmeübertragerfifth heat exchanger
1717th
vierter Wärmeübertragerfourth heat exchanger
1818th
fünfte Leitungfifth line
1919th
drittes Ventilthird valve
2020th
viertes Ventilfourth valve
2121
AusgasungsbehälterOutgassing tank
2222
sechste Leitungsixth line
2323
fünftes Ventilfifth valve
2424th
siebte Leitungseventh line
2525th
zweite Turbinesecond turbine
2626
zweiter Generatorsecond generator
2727
achte Leitungeighth line
2828
RückschlagklappeCheck valve
2929
neunte Leitungninth line
3030th
sechstes Ventilsixth valve
3131
DrucktankPressure tank
3232
zehnte Leitungtenth line
3333
siebtes Ventilseventh valve
3434
DruckaufbauverdampferPressure build-up evaporator
3535
Achtes VentilEighth valve
3636
elfte Leitungeleventh line
3737
sechster Wärmeübertragersixth heat exchanger
3838
zwölfte Leitungtwelfth line
3939
dritte Turbinethird turbine
4040
dritter Generatorthird generator

Claims (16)

Vorrichtung (1) zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie, umfassend eine Anlage zur Verflüssigung von Luftgasen (2), einen Tank (3) für verflüssigte Luftgase, eine über eine erste Leitung (4) mit dem Tank (3) verbundene Pumpe (5), einen mit der Pumpe (5) über eine zweite Leitung (6) verbundenen ersten Wärmeübertrager (7) und einen dem ersten Wärmeübertrager (7) nachgeschalteten zweiten Wärmeübertrager (8), sowie eine dem zweiten Wärmeübertrager (8) nachgeschaltete erste Turbine (9) mit einem ersten Generator (10), dadurch gekennzeichnet, dass am Austritt der ersten Turbine (9) eine dritte Leitung (11) anschließt und in den ersten Wärmeübertrager (7) mündet, wobei in die dritte Leitung (11) stromabwärts des ersten Wärmeübertragers (7) ein dritter Wärmeübertrager (12) geschaltet ist, wobei stromabwärts des dritten Wärmeübertragers (12) in die dritte Leitung (11) ein erstes Ventil (13) geschaltet ist, wobei die dritte Leitung stromabwärts des ersten Ventils (13) in den Tank (3) für verflüssigte Luftgase mündet und wobei vom Tank (3) für verflüssigte Luftgase eine vierte Leitung (14) zum dritten Wärmeübertrager (12) führt, wobei in die vierte Leitung (14) stromabwärts des dritten Wärmeübertragers (12) ein zweites Ventil (15) geschaltet ist und wobei die vierte Leitung (14) zur Atmosphäre führt.Device (1) for storing and withdrawing electrical energy, comprising a system for liquefying air gases (2), a tank (3) for liquefied air gases, a pump (5) connected to the tank (3) via a first line (4) ), a first heat exchanger (7) connected to the pump (5) via a second line (6) and a second heat exchanger (8) connected downstream of the first heat exchanger (7), and a first turbine (9) connected downstream of the second heat exchanger (8) ) with a first generator (10), characterized in that a third line (11) connects to the outlet of the first turbine (9) and opens into the first heat exchanger (7), the third line (11) downstream of the first heat exchanger (7) a third heat exchanger (12) is connected, a first valve (13) being connected downstream of the third heat exchanger (12) in the third line (11), the third line being downstream of the first vent ils (13) opens into the tank (3) for liquefied air gases and a fourth line (14) leads from the tank (3) for liquefied air gases to the third heat exchanger (12), the fourth line (14) downstream of the third heat exchanger (12) a second valve (15) is connected and the fourth line (14) leads to the atmosphere. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Pumpe (5) ein vierter Wärmeübertrager (17) nachgeschaltet ist, wobei in die zweite Leitung (6) zwischen dem vierten Wärmeübertrager (17) und dem ersten Wärmeübertrager (7) ein fünfter Wärmeübertrager (16) geschaltet ist, wobei stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers (7) aus der dritten Leitung (11) eine fünfte Leitung (18) abzweigt, welche stromabwärts des ersten Wärmeübertragers (7) in die dritte Leitung (11) einmündet, wobei in die fünfte Leitung (18) ein drittes Ventil (19) geschaltet ist und ein viertes Ventil (20) stromabwärts des Abzweigs der fünften Leitung (18) von der dritten Leitung (11) und stromaufwärts der Einmündung der fünften Leitung (18) in die dritte Leitung (11) in die dritte Leitung (11) geschaltet ist, wobei die vierte Leitung (14) stromabwärts des dritten Wärmeübertragers (12) in den vierten Wärmeübertrager (17) mündet und wobei das zweite Ventil (15) stromabwärts des vierten Wärmeübertragers (17) in die vierte Leitung (14) geschaltet ist.Device after Claim 1 , The pump (5) is followed by a fourth heat exchanger (17), a fifth heat exchanger (16) being connected in the second line (6) between the fourth heat exchanger (17) and the first heat exchanger (7), the upstream of the first heat exchanger (7) branches off from the third line (11) a fifth line (18) which opens downstream of the first heat exchanger (7) into the third line (11), a third valve (19 ) is connected and a fourth valve (20) downstream of the branch of the fifth line (18) from the third line (11) and upstream of the junction of the fifth line (18) into the third line (11) into the third line (11) is switched, the fourth line (14) downstream of the third heat exchanger (12) opening into the fourth heat exchanger (17) and the second valve (15) downstream of the fourth heat exchanger (17) opening into the fourth line (14) is switched. Vorrichtung nach dem Anspruch 2, wobei der dritte Wärmeübertrager (12) und der vierte Wärmeübertrager (17) in einer Komponente integriert sind.Device after Claim 2 , wherein the third heat exchanger (12) and the fourth heat exchanger (17) are integrated in one component. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Leitung (11) in einen Ausgasungsbehälter (21) mündet, an den eine sechste Leitung (22) anschließt, welche in den Tank (3) für verflüssigte Luftgase mündet, wobei in die sechste Leitung (22) ein fünftes Ventil (23) geschaltet ist und wobei die vierte Leitung (14) im Gasraum des Ausgasungsbehälters (21) anschließt.Device according to one of the preceding claims, wherein the third line (11) opens into a degassing tank (21), to which a sixth line (22) adjoins, which opens into the tank (3) for liquefied air gases, the sixth line ( 22) a fifth valve (23) is connected and the fourth line (14) connects in the gas space of the outgassing container (21). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei stromaufwärts des ersten Ventils (13) aus der dritten Leitung (11) eine siebte Leitung (24) abzweigt, welche in einer zweiten Turbine (25) mündet, die an einen zweiten Generator (26) gekoppelt ist, wobei eine achte Leitung (27) am Austritt der zweiten Turbine anschließt und stromabwärts des ersten Ventils (13) in die dritte Leitung (11) mündet.Device according to one of the preceding claims, wherein upstream of the first valve (13) from the third line (11) branches off a seventh line (24) which opens into a second turbine (25) which is coupled to a second generator (26) , an eighth line (27) connecting to the outlet of the second turbine and opening downstream of the first valve (13) into the third line (11). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in die zweite Leitung (6) stromabwärts der Pumpe (5) eine Rückschlagklappe (28) geschaltet ist, wobei stromabwärts der Rückschlagklappe (28) von der zweiten Leitung (6) eine neunte Leitung (29) abzweigt und in einen Drucktank (31) mündet, wobei in die neunte Leitung ein sechstes Ventil (30) geschaltet ist, wobei am Drucktank (31) eine zehnte Leitung (32) anschließt, die stromabwärts der Abzweigung der neunen Leitung (29) in die zweite Leitung (6) mündet, wobei in die zehnte Leitung (32) ein siebtes Ventil (33) geschaltet ist, wobei der Drucktank (31) mit einem umgebungsluftbeheizten Druckaufbauverdampfer (34) verbunden ist und wobei in die flüssigkeitsführende Leitung des Druckaufbauverdampfers ein achtes Ventil (35) geschaltet ist.Device according to one of the preceding claims, wherein a non-return valve (28) is connected in the second line (6) downstream of the pump (5), a ninth line (29) branching off from the second line (6) downstream of the non-return valve and into a pressure tank (31) opens, a sixth valve (30) being connected in the ninth line, a tenth line (32) connecting to the pressure tank (31), which opens downstream of the branch of the new line (29) into the second line (6), whereby a seventh valve (33) is connected into the tenth line (32), the pressure tank (31) being connected to a pressure build-up evaporator (34) heated by ambient air, and an eighth valve (35) being connected into the liquid-carrying line of the pressure build-up evaporator. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei stromabwärts der ersten Turbine (9) von der dritten Leitung (11) eine elfte Leitung (36) abzweigt, die zu einer an einen dritten Generator (40) gekoppelten dritten Turbine (39) führt, wobei stromaufwärts der dritten Turbine (39) in die elfte Leitung (36) ein sechster Wärmeübertrager (37) geschaltet ist und wobei am Austritt der dritten Turbine (39) eine zwölfte Leitung (38) anschließt, die zur Atmosphäre führt.Device according to one of the preceding claims, wherein downstream of the first turbine (9) branches off from the third line (11) an eleventh line (36) which leads to a third turbine (39) coupled to a third generator (40), upstream a sixth heat exchanger (37) is connected to the third turbine (39) in the eleventh line (36) and a twelfth line (38) is connected to the outlet of the third turbine (39) and leads to the atmosphere. Verfahren zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie, bei dem zur Einspeicherung elektrischer Energie Luftgase verflüssigt und in einem Tank (3) gespeichert werden, und bei dem zur Ausspeicherung das gespeicherte flüssige Luftgas über eine zweite Leitung (6) durch einen ersten Wärmeübertrager (7) und einen zweiten Wärmeübertrager (8) zu einer ersten Turbine (9) gepumpt wird, wobei das Luftgas im ersten Wärmeübertrager (7) und zweiten Wärmeübertrager (8) erwärmt wird und in der ersten Turbine (9) zum Antreiben eines ersten Generators (10) entspannt wird, wobei das aus der ersten Turbine (9) austretende Luftgas zuerst dem ersten Wärmeübertrager (7) und anschließend dem dritten Wärmeübertrager (12) zugeführt wird, wobei das aus dem dritten Wärmeübertrager (12) abgekühlt und verflüssigt austretende Luftgas über ein erstes Ventil (13) auf den im Tank (3) für verflüssigte Luftgase herrschenden Druck entspannt und anschließend in den Tank (3) für verflüssigte Luftgase geleitet wird, wobei der ausgegaste tiefkalte Anteil des Luftgases dem dritten Wärmeübertrager (12) zugeführt wird und aus diesem dritten Wärmeübertrager (12) teilweise angewärmt austritt, und wobei der ausgegaste Anteil des Luftgases über ein zweites Ventil (15) in die Atmosphäre abgeblasen wird.Method for storing and withdrawing electrical energy, in which air gases are liquefied and stored in a tank (3) for storing electrical energy, and in which the stored liquid air gas is extracted via a second line (6) through a first heat exchanger (7) and a second heat exchanger (8) is pumped to a first turbine (9), the air gas being heated in the first heat exchanger (7) and second heat exchanger (8) and in the first turbine (9) for driving a first generator (10) is relaxed, the air gas emerging from the first turbine (9) first being fed to the first heat exchanger (7) and then to the third heat exchanger (12), the air gas emerging from the third heat exchanger (12) being cooled and liquefied via a first valve (13) to the pressure prevailing in the tank (3) for liquefied air gases and then into the tank (3) for liquefied Air gases is passed, the outgassed cryogenic portion of the air gas being fed to the third heat exchanger (12) and exiting partially heated from this third heat exchanger (12), and the outgassed portion of the air gas being blown off into the atmosphere via a second valve (15) . Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Austrittsdruck aus der ersten Turbine (9) höher als der kritische Druck des verwendeten Fluids ist.Procedure according to Claim 8 , wherein the outlet pressure from the first turbine (9) is higher than the critical pressure of the fluid used. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei der Tank (3) als Drucktank ausgeführt ist.Procedure according to one of the Claims 8 or 9 , the tank (3) being designed as a pressure tank. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9 , wobei der Tank (3) als Flachbodentank ausgeführt ist.Procedure according to one of the Claims 8 or 9 , the tank (3) being designed as a flat-bottom tank. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei als Anlage zur Verflüssigung von Luftgasen (2) eine Luftzerlegungsanlage verwendet wird.Procedure according to one of the Claims 8 to 11 , an air separation plant being used as the plant for liquefying air gases (2). Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die vierte Leitung (14) in den warmen Teil einer Luftzerlegungsanlage führt.Procedure according to one of the Claims 8 to 12th , the fourth line (14) leading into the warm part of an air separation plant. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei über den zweiten Wärmeübertrager (8) die Verdichtungswärme eines Hauptluftverdichters einer Luftzerlegungsanlage zur Anhebung der Eintrittstemperatur der ersten Turbine (9) genutzt wird.Procedure according to one of the Claims 8 to 13 The compression heat of a main air compressor of an air separation plant is used to raise the inlet temperature of the first turbine (9) via the second heat exchanger (8). Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei über den zweiten Wärmeübertrager (8) gespeicherte Wärme aus einem elektrothermischen Energiespeicher zur Anhebung der Eintrittstemperatur der ersten Turbine (9) genutzt wird.Procedure according to one of the Claims 8 to 13 , With the second heat exchanger (8), stored heat from an electrothermal energy store is used to raise the inlet temperature of the first turbine (9). Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei das dem Tank (3) entnommene kryogene Fluid flüssiger Stickstoff, flüssige Luft, flüssiger Sauerstoff oder flüssiges Argon ist.Procedure according to one of the Claims 8 to 15 , wherein the cryogenic fluid removed from the tank (3) is liquid nitrogen, liquid air, liquid oxygen or liquid argon.
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