Waermespeicherkraftwerke?

X-No-Archive: Yes
begin Thread
Moin!
In de.soc.umwelt kam neulich die Überlegung auf, daß größere Anteile Windenergie im Stromnetz zwangsläufig dazu führen, daß zeitweise sehr
hohe Einspeiseleistungen zur Verfügung stehen werden, für die gar keine Nachfrage besteht, d. h. es gibt dann in großen Mengen kostenlosen Strom. Auf dessen Nutzung muß man dann also entweder verzichten oder sich speichernde Anwendungen überlegen - eine davon war "Nachtspeicherheizungen" (die ja nicht zwangsläufig nachts aufgeladen werden müssen).
Ich hatte dazu die Idee, daß man anstatt von Pumpspeicherkraftwerken (die nach den geographischen Verhältnissen nur für wenige Stunden speichern können) Wärmespeicherkraftwerke mit Saisonspeichern verwenden könnte.
Funktionsweise: Es werden große Speichermassen in der Größenordnung von 10-100 Mio. t aus grob zerkleinertem Gestein angelegt (z. B. in abgebauten Braunkohlengruben), die elektrisch beheizt werden können, indem heiße Luft (Größenordnung 1.000 °C) hindurchgeleitet wird. Um die gespeicherte Energie zu entnehmen, wird der Gasstrom umgekehrt und die austretende Heißluft dann als Wärmequelle für ein thermisches Kraftwerk verwendet. Die Speichermasse wirkt dabei gewissermaßen als Gegenstromwärmetauscher, d. h. auf der heißen Seite tritt der heiße Gasstrom mit Arbeitstemperatur ein und wird beim Durchgang durch den Speicher vollkommen abgekühlt, beim Entladen tritt entsprechend kalte Luft auf der anderen Seite ein und heizt sich bis zur Entnahme auf die volle Arbeitstemperatur auf. Die heiße Zone im Speicher dehnt sich dabei entsprechend aus in Richtung Kaltseite oder schrumpft in Richtung Warmseite zurück.
Grob geschätzt läßt sich so ein Speicherwirkungsgrad von wenigstens 50 % realisieren (der Carnotwirkungsrad bei 900/100 °C von ca. 68 %, abzüglich der unvermeidlichen Verluste und des Eigenbedarfs (Gebläse), sollte wohl noch 50 % zulassen), wobei die angenommenen Speichermassen dann einer Kapazität von ca. 1 GWa entsprechen. Ab einer gewissen Größe der Speichermasse verliert sie so langsam Wärme durch Wärmeleitung, daß man das wirklich als Langzeitspeicher einsetzen kann - das verbietet natürlich Kleinanlagen.
Der Wirkunggrad ließe sich u. U. sogar noch verbessern, wenn man zum Beheizen Wärmepumpen verwendet, also mit Kompressoren Luft auf die Arbeitstemperatur erwärmt (und ggf. noch mit Widerstandsheizungen nachheizt) und sie nach Abgabe der Wärme dann durch Entspannung unter Nutzarbeitsleistung unter die Umgebungstemperatur abkühlen läßt.
Was ist davon zu halten, warum gibt es das noch nicht (oder doch?)? Was wären technisch machbare bzw. sinnvolle Grenzwerte (z. B. max. Speichertemperaturen)? Kann man die leistungs- und kapazitätsbezogenen spezifischen Anlagenkosten abschätzen? Die WKM sollte zweckmäßigerweise in beide Lastrichtungen arbeiten können, also sowohl motorisch Luft komprimieren und aufheizen als auch generatorisch Antriebsleistung durch Abkühlung eines Arbeitsmediums leisten können - geht wahrscheinlich nur mit Kolbenmaschinen (oder?). Zusätzlich zu einer normalen Kraftwerksausrüstung kämen dann noch größere Wärmetauscher sowie die Gebläse zum Be- und Entladen des Speichers hinzu, andererseits fällt die Kessel- und Abgasanlage sowie Brennstoff- und Aschelager und -transport weg.
(Nebenbei bemerkt braucht man einen solchen Wärmespeicher nicht zwangsläufig elektrisch zu beheizen, er könnte auch mit der Prozeßwärme aus Verbrennungsanlagen aufgeladen werden und dann ggf. kurzzeitig hohe Spitzenlasten im Netz bereitstellen.)
Gruß aus Bremen Ralf
--
R60: Substantive werden groß geschrieben. Grammatische Schreibweisen:
adressiert Appell asynchron Atmosphäre Autor bißchen Ellipse Emission
  Click to see the full signature.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
Ralf Kusmierz schrieb: > Ich hatte dazu die Idee, daß man anstatt von Pumpspeicherkraftwerken > (die nach den geographischen Verhältnissen nur für wenige Stunden > speichern können) Wärmespeicherkraftwerke mit Saisonspeichern > verwenden könnte. > > Funktionsweise: > Es werden große Speichermassen in der Größenordnung von 10-100 Mio. t > aus grob zerkleinertem Gestein angelegt (z. B. in abgebauten > Braunkohlengruben), die elektrisch beheizt werden können, indem heiße > Luft (Größenordnung 1.000 °C) hindurchgeleitet wird. Um die > gespeicherte Energie zu entnehmen, wird der Gasstrom umgekehrt und die > austretende Heißluft dann als Wärmequelle für ein thermisches > Kraftwerk verwendet. > [...] > Was ist davon zu halten, warum gibt es das noch nicht (oder doch?)?
Die Idee ist gut, und das gibt's:
"A borehole thermal energy storage (BTES) system is an underground structure for storing large quantities of solar heat collected in summer for use later in winter. It is basically a large, underground heat exchanger."
http://www.dlsc.ca/borehole.htm
Grüße, Joachim
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
X-No-Archive: Yes
begin quoting, Joachim Pimiskern schrieb:

"However, after a few years of operation, the core temperature of the BTES field will approach 80 °C by the end of summer, with sufficient heat for almost an entire heating season."
Das spielt temperaturmäßig in einer anderen Liga.
Gruß aus Bremen Ralf
--
R60: Substantive werden groß geschrieben. Grammatische Schreibweisen:
adressiert Appell asynchron Atmosphäre Autor bißchen Ellipse Emission
  Click to see the full signature.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
Joachim Pimiskern schrieb:

Es gibt schon einige Ansätze.

warum ins englische gleiten ;-)
http://www.bundesbaugesellschaft.de/dt/technik4.htm
http://www.carmen-ev.de/dt/portrait/sonstiges/reuss.pdf
"Hochtemperatur-Wärmespeicher für Adiabate Druckluftspeicherkraftwerke": http://www.dlr.de/tt/Portaldata/41/Resources/dokumente/institut/thermischept/Handout_AACAES_de.pdf
--
Glück Auf - Bodo Mysliwietz
----------------------------------------
  Click to see the full signature.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
Ralf Kusmierz schrieb:

Sicherlich eine Möglichkeit, auch wenn mir die Mitwirkung des 2. HS nicht so recht schmecken will. Ich würde für eine Bewertung folgende Punkte genauer untersuchen:
- Wie viel Wärme kann ich mit einem Gas als Transportmedium zwischen Speicher und Energiewandler austauschen (beschränkt die Leistung des Speichers, multipliziert mit dem Wirkungsgrad ist das die elektrische Leistung)
- Da ich in einem guten Wirkungsgradbereich arbeiten will, wäre zu klären, bis zu welcher Entladung (= untere Speichertemperatur) der Speicher sinnvoll genutzt werden kann. Bei 50% Carnotwirkungsgrad wäre die untere Temperatur ca. 480 °C
Die Idee mit der Wärmepumpe wäre sicher für die Beheizung des von der Turbine zum Speicher rückströmenden Gases brauchbar oder für das anheizen des kalten Speichers.
Gruß, Ralf
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
X-No-Archive: Yes
begin quoting, Ralf Teschenbaum schrieb:

Der gehört verboten. ;-)

1 m^3 Luft bei 1000 °C hat so etwa 280 g und transportiert ungefähr 70 kJ. Für eine thermische Leistung von 1 GW braucht man also ca. 15.000 m^3/s - bei einer Gasgeschwindigkeit von 50 m/s wäre das ein Rohrdurchmesser von 20 m und vor allem ein Vielfaches an Querschnitt der Speichermasse, denn die durchströmbaren Lücken werden nur einige 10 % des Gesamtquerschnitts ausmachen - hm...
Das spricht eher für eine Auslegung des Speichers als flacher Zylinder (was natürlich zu einer Braunkohlengrube ganz gut paßt). Man hätte dann z. B. eine Grundfläche von 1 km^2, die 100 m hoch mit Speichermasse belegt wird (zusammen ca. 100 Mio. m^3 Schüttung). Wenn dadurch in vertikaler Richtung 20.000 m^3/s Luft gehen (oben; unten (kalt) sind es nur noch 5.000 m^3/s), dann entspricht das einer mittleren Gasgeschwindigkeit von 2 cm/s bzw. bei einer "Porösität" von 10 % 0,2 m/2 - sollte kein besonderes Problem sein.
Dann müßte man oben noch ein Rohrsystem in der Form einer "Fußbodenheizung" verlegen, das das technische Wärmeträgermedium (hochgespannten Dampf oder Flüssigmetall) führt und an die Umgebungsluft mit ausreichend Wärmetauscherflächen angekoppelt ist, und dann wird einfach in vertikaler Richtung (abwärts beim Beladen und aufwärts beim Entladen) Luft hindurchgeblasen (man muß natürlich die Luftverteilung passend steuern, damit die Temperaturgrenzzone in der Schüttung einigermaßen eben verläuft - die wird natürlich mit Sensoren gespickt).
Nach unten hin muß man nicht isolieren (dort braucht man nur große Luftkanäle), und nach oben hin muß halt ein isolierender Deckel drauf - einige zehn Meter isolierende Schüttung (Sand, Trennschichten) sollten aber auch für einen Jahresspeicher ausreichen.
Eine flache Bauweise hätte auch den Vorteil, daß man einzelne Sektionen zu Wartungszwecken abschalten kann, ohne daß man bei Störungen gleich die komplette, ziemlich hochwertige Energiebeladung verliert wie bei einem kompakten Speicher.
Als Alternative wäre aber zu prüfen, ob man nicht anstatt des Gesteins als Speichermasse einen Dampfspeicher verwenden könnte - der erreicht zwar nicht diese hohen Temperaturen, hätte aber eine viel höhere Energiedichte (und wäre deswegen wohl auch nicht so ganz ungefährlich).

Die Frage würde ich so nicht stellen. Die Temperatur ist immer "hoch", denn es gibt im Speicher keine Durchmischung, sondern eine Zonengrenze zwischen heißem und kalten Bereich, die vor oder zurück wandert. Damit sinkt die Temperatur bei leerem Speicher nicht kontinuierlich, sondern plötzlich ab: Irgendwann wäre Schluß.
Man könnte sich vorstellen, daß der Speicher eine lange "Wurst" in einer isolierenden Umhüllung ist und vom Gas der Länge nach durchströmt wird. Dann gibt es ein heißes und ein kaltes Wurstende, und die Grenzzone dazwischen ist relativ dünn. (Natürlich würde man eine einigermaßen intelligente Gasführung vorsehen, die das Gas im wesentlichen nur durch die Grenzzone strömen läßt - hat doch keinen Sinn, kaltes bzw. heißes Gas über lange Strecken durch kalte bzw. heiße Speicherbereiche strömen zu lassen, ohne daß sich dessen Temperatur dabei verändert.)

Was spricht denn dagegen, Gas durch Kompression sehr hoch zu erhitzen?
Gruß aus Bremen Ralf
--
R60: Substantive werden groß geschrieben. Grammatische Schreibweisen:
adressiert Appell asynchron Atmosphäre Autor bißchen Ellipse Emission
  Click to see the full signature.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
Ralf Kusmierz schrieb:

Die Werkstoffe und die Schmierung des Kompressors. Mit Nanokeramik scheint da jetzt Einiges möglich zu werden. Hohe Drücke, die für die hohen Temperaturen sorgen, werden allerdings eher kleine Maschinen voraussetzen.
--
Servus
Christoph Müller
  Click to see the full signature.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
X-No-Archive: Yes
begin quoting, Christoph Müller schrieb:

Gibt es keine Turbinenkompressoren (Gasturbine rückwärts)?
Gruß aus Bremen Ralf
--
R60: Substantive werden groß geschrieben. Grammatische Schreibweisen:
adressiert Appell asynchron Atmosphäre Autor bißchen Ellipse Emission
  Click to see the full signature.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
Ralf Kusmierz schrieb:

Natürlich. Jedes Flugzeug mit Strahltriebwerk hat sowas. Sind die ersten Schaufelreihen. Aber das Problem ist vor allem die Hitzebeständigkeit der Werkstoffe und die damit zusammenhängende nachlassende Festigkeit. Hohe Drücke verlangen nach kleinen Strukturen. Dann bleiben auch die Zugkräfte und dementsprechend die Wandstärken im Rahmen. Bei Turbinen kommt's aufgrund der Zentrifugalkräfte auf die Reißlänge an, die mit höher werdender Temperatur immer kleiner wird. Kühlt man deshalb die Schaufeln, geht natürlich wieder viel Energie verloren.
--
Servus
Christoph Müller
  Click to see the full signature.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
Ralf Kusmierz schrieb:

Wenn ein Zusammenhang zwischen Wirtschaftskrise und dem 2. Hauptsatz offensichtlich werden sollte, bin ich sicher, das noch in 2009 ein gesetzliches Verbot kommt :-)

Dann wäre vielleicht gleich ein adiabater Druckspeicher statt eines Wärmespeichers zu bevorzugen. Da wäre dann der 2. HS auch schon wieder draußen ...
Da müsste man mal das Energiespeichervermögen durchrechnen ... bei adiabater Kompression gilt doch
    p * v ^ n = const.
wobei n bei zweiatomigen Gasen 1,4 ist. Die gespeicherte Energie ist das Integral über -p*dV. Wenn ich mich nicht verrechnet habe, ist bei einem zylindrischen Gasspeicher die enthaltene Energie
W = A*p_0*(x_0^1,4/x^0,4-x_0)/0,4
Wobei A die Kreisfläche des Zylinders ist, x_0 die Länge des entladenen Zylinders oder aber auch die Position des Kolbens, p_0 der Restdruck im entspannten Zylinders. Sobald man den Kolben einfährt, erhält man eine Position x (mit x < x_0) und kann die gespeicherte Arbeit W berechnen.
So, und den Rest kann man jetzt wieder rechnen ...
Gruß, Ralf.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
X-No-Archive: Yes
begin quoting, Ralf Teschenbaum schrieb:

Druckluftspeicher heiß? Och nö, das wäre mir dann doch ein bißchen zu sehr "Bombe"...

Geht nicht.
Gruß aus Bremen Ralf
--
R60: Substantive werden groß geschrieben. Grammatische Schreibweisen:
adressiert Appell asynchron Atmosphäre Autor bißchen Ellipse Emission
  Click to see the full signature.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
Ralf Kusmierz schrieb:

Warum so zimperlich? Auch ein kalter Druckspeicher kann knallen. Es gibt genügend stillgelegte Bergwerke, in denen so ein Speicher verschwinden könnte.
Bei einem Druckspeicher mit Wärmezu- und Abfuhr verlierst Du a) Speicherkapazität und b) spielt der 2. HS wieder mit. Daneben musst Du Wärme ab- und später wieder zuführen. Dazu brauchst Du wieder Leitungen, Ventilatoren oder Pumpen und natürlich einen zusätzlichen Invest. Damit das mit der Wärmezufuhr klappt, wäre Umgebungstemperatur am geeignetsten, sonst brauchst Du noch unterschiedliche Wärmereservoirs durchzuführen das Landen und Entladen des Speichers zügig hinzubekommen.
Also ist die Wärme am besten im Gas aufgehoben.

Keine Lust?
Gruß, Ralf.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
Ralf Teschenbaum schrieb:

So denken die Stirlingmotorbauer übrigens auch. Ein paar Japaner wollten so einen Motor in ein Auto bauen und haben ihn mit sage und schreibe 600 bar mit Wasserstoff aufgeblasen und am Erhitzer auf bestimmt 800°C aufgeheizt.
Bin zwar selber auch ein bischen Stirling-Fuzzi (Diplomarbeit dazu 1981) - aber so viel Mut für ein mobiles Maschinchen hätte ich nicht so ohne Weiteres aufgebracht.
--
Servus
Christoph Müller
  Click to see the full signature.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
X-No-Archive: Yes
begin quoting, Ralf Teschenbaum schrieb:

Hoher Druck *und* hohe Temperatur *und* Langzeitbeanspruchung dürfte ein wenig zu viel des Guten sein.

Ich will keinen Druckspeicher.

Ich halte das Konzept nicht für sinnvoll. Heiße Steine liegen nur "einfach so" herum und sind ziemlich harmlos, während heißes hochgespanntes Gas haufenweise unangenehme Eigenschaften hat, außerdem dürfte die volumetrische Energiedichte erheblich geringer sein.
Bei sehr großen Druckbehältern spielen andererseits die Behälterwände nicht die große Rolle bei den Kosten. Die Wände müssen auch nicht gleichzeitig temperatur- und druckbeansprucht zu sein: Innerhalb des Druckbehälters könnte sich eine Wärmeisolierung befinden, und der Druck wird dann über ein kaltes Medium übertragen.
Bei Großspeichern muß man sich allerdings etwas zur Einteilung in abgeschottete Sektionen o. ä. überlegen, weil man es sich schlicht nicht leisten kann, daß bei einem Störfall Energie im Umfang der Jahresproduktion eines Kernkraftwerks verlorengeht, mal ganz abgesehen davon, daß das auch Folgen für die Umgebung haben dürfte.
Gruß aus Bremen Ralf
--
R60: Substantive werden groß geschrieben. Grammatische Schreibweisen:
adressiert Appell asynchron Atmosphäre Autor bißchen Ellipse Emission
  Click to see the full signature.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
Ralf Kusmierz schrieb:

Mehrere Druckspeicher mittlerer Größe würden das ermöglichen. Ab und zu schaltet man einen Druckspeicher ab und lässt ihn vom TÜV prüfen.
Ein weiterer Vorteil der Technologie wäre, dass die Leistung nur durch die Energiewandlung mechanisch-zu-elektrisch begrenzt wäre. Bei Deinem Hitzespeicher begrenzt zusätzlich der Wärmeübergang vom Speicher zum Transportmedium die Leistung. Damit könnten Druckspeicher kurze Lastspitzen ausgleichen.
Gruß, Ralf.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
Ralf Teschenbaum schrieb:

Es gibt auch stillgelegte Gasometer in denen gleich einige 100.000 m3 H2 "verschwinden" könnten.
--
Glück Auf - Bodo Mysliwietz
----------------------------------------
  Click to see the full signature.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
Ralf Kusmierz schrieb:

Das das Gas nach dem Komprimieren auch unter dem Kompressionsdruck bleiben muß - sonst Abkühlung - und riesige Hochtemperatur-Hochdruck-Speicher zu bauen dürfte exorbitant teuer sein. Man wird wohl nicht vertretbare Wandstärken nebst teuren Materialien brauchen.
--
Glück Auf - Bodo Mysliwietz
----------------------------------------
  Click to see the full signature.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
X-No-Archive: Yes
begin quoting, Bodo Mysliwietz schrieb:

Das soll es auch, d. h. zunächst soll es - im Gegenstrom - seine Wärme über WT an ein druckloses Arbeitsgas abgeben und sich dann unter Arbeitsleistung und Abkühlung in einer Maschine entspannen. Am Schluß hat es eine Temperatur möglichst weit unter der Umgebungstemperatur, und die so entzogene Energie ist der zusätzliche Gewinn, der gegenüber Direktheizung über Heizwiderstände aus dem Prozeß gezogen wird.
Eine andere Frage ist, ob sich das überhaupt lohnt - WP schaffen normalerweise nur hohe LZ, wenn die Vorlauftemperatur niedrig ist. Aber Kleinvieh macht auch Mist: Wenn man die ohnehin vorhandenen Kraftwerkseinrichtungen sozusagen "rückwärts" laufen lassen und so energetisch günstig eine deutliche Vorwärmung erreichen kann, sollte man das doch ruhig machen. Alles nur eine Kostenfrage...
Gruß aus Bremen Ralf
--
R60: Substantive werden groß geschrieben. Grammatische Schreibweisen:
adressiert Appell asynchron Atmosphäre Autor bißchen Ellipse Emission
  Click to see the full signature.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
Ralf Kusmierz schrieb:

am besten gleich die Eishalle, Skihalle, Kühlhaus oder Luftzerlegeung da neben bauen ;-)
> der gegenüber

Die Motoren produzieren aber auch reichlich Abwärme.

und wenn man bedenkt das typischerweise Hochdruckkompressoren mit hohem Durchsatz noch Wassergekühlt sind um Membranen, Kolben oder Turbinenräder in "moderaten" Temperaturen zu halten.
--
Glück Auf - Bodo Mysliwietz
----------------------------------------
  Click to see the full signature.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload
Bodo Mysliwietz schrieb:

Hat schon mal wer mikroporöses Gestein untersucht? Könnte mir vorstellen, dass damit was geht.
--
Servus
Christoph Müller
  Click to see the full signature.
Add pictures here
<% if( /^image/.test(type) ){ %>
<% } %>
<%-name%>
Add image file
Upload

Polytechforum.com is a website by engineers for engineers. It is not affiliated with any of manufacturers or vendors discussed here. All logos and trade names are the property of their respective owners.