Speicherkraftwerk und Verfahren zum Betreiben eines Speicher kraftwerks

Die Erfindung betrifft ein Speicherkraftwerk nach dem Oberbe griff des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie Verfahren zum Laden und Entladen der Energiespeieher eines solchen Spei cherkraftwerks nach den Oberbegriffen der Ansprüche 5 bzw. 6.

Mit der zunehmenden Nutzung erneuerbarer Energien zur Strom erzeugung steigt die Forderung nach geeigneten Speieherlösun- gen und -kapazitäten stark an, da die erneuerbaren Energien, wie Sonnen- und Windenergie, nicht immer zum Zeitpunkt des Energiebedarfs im benötigten Maß vorhanden sind.

Die Verwendung von thermischen Energiespeiehern (oft auch als Wärmespeieher bezeichnet) ist heute bereits in solarthermi schen Kraftwerken Stand der Technik. Dabei erfolgt das Laden der thermischen Energiespeieher mit Solarenergie primär flu idgebunden (z.B. mittels Thermoöl). Dieses Konzept ist im Allgemeinen auf Speicherkraftwerke übertragbar, wobei das La den des thermischen Energiespeichers auch durch elektrische Energie oder andere fluidgebundene Wärmeströme (z.B. Abwärme von Industrieprozessen) erfolgen kann. Als Abwärme wird dabei überschüssige Wärme (beispielsweise aus einem Industriepro zess) bezeichnet, die ansonsten ungenutzt in die Umgebung ge leitet wird.

Je nach Art der Energieströme beim Laden und der Ausführung des thermischen Energiespeichers variiert die maximale Be triebstemperatur des thermischen Energiespeichers. Die (Rück- )verstromung der gespeicherten Energie erfolgt mittels einer generatorgebundenen Dampfturbine in einem Wasser- Dampfkreislauf . Die Temperatur des thermischen Energiespei chers beeinflusst somit die Fluidtemperatur des Wasser- Dampfkreislaufs . Der Einsatz der Dampfturbine erfordert mini male Fluidparameter am Turbineneintritt (Minimaltemperatur in Abhängigkeit des Drucks) unterhalb derer ein Betrieb auf Grund einer zu hohen Nässe im Expansionsverlauf nicht möglich ist. Ein Betrieb oberhalb der minimalen Fluidparameter (Tem peraturerhöhung oder kombinierte Temperatur- und Druckerhö hung) ist in gewissen Grenzen (bis zum Erreichen der maxima len Fluidparameter) möglich und kann zu einem erhöhten Kreis laufWirkungsgrad führen.

Ein Problem thermischer Energiespeieher im Allgemeinen ist allerdings der Wärmeverlust an die Umgebung, der zu einem Verlust an gespeicherter Energie führt. Aus diesem Grund las sen sich thermische Energiespeieher derzeit nicht als Lang- zeitspeicher einsetzen. Für die LangzeitSpeicherung eignen sich chemische Energiespeieher besser als thermische Energie speicher, dabei kann beispielsweise überschüssige elektrische Energie zur Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse ge nutzt werden. Zur RückverStrömung kann der Wasserstoff in ei nem Wasserstoffgefeuerten GuD-Kraftwerk verbrannt werden. Chemischen Energiespeiehern haben allerdings den Nachteil hö herer Stromgestehungskosten. Folglich birgt die Aufwertung von thermischen Energiespeiehern zu Langzeitspeichern ein großes wirtschaftliches Potential.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Speicherkraft- werk mit verbesserter Speichertechnologie bereit zu stellen. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Ver fahren zum Laden und Entladen der Energiespeieher eines sol chen Speicherkraftwerks aufzuzeigen.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Speicherkraftwerks durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, hinsichtlich des Verfah rens zum Laden der Energiespeieher nach den Merkmalen des Pa tentanspruchs 5 und hinsichtlich des Verfahrens zum Entladen der Energiespeieher nach den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung, die einzeln oder in Kombina tion miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unter ansprüche.

Das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk umfassend wenigstens einen Wasser-Dampfkreislauf, wobei der Wasser-Dampfkreislauf wenigstens eine Dampfturbine mit einem in Wirkverbindung mit der Dampfturbine stehenden Generator, sowie zwei Energie speicher umfasst. Die Energiespeieher sind derart angeordnet und ausgebildet, dass Sie zur Erzeugung von Dampf mit defi nierten Dampfparametern, Energie an das im Wasser- Dampfkreislauf strömende H2O abgeben können. H20, nachfolgend auch als Arbeitsmedium des Wasser-Dampfkreislauf bezeichnet, steht dabei allgemein für Wasser in unterschiedlichen Aggre gatzuständen (flüssig, dampfförmig). Der erzeugbare Dampf ist in der Dampfturbine entspannbar, wobei eine bei der Entspan nung des Dampfes entstehende Rotationsenergie zum Antreiben des Generators nutzbar ist.

Der erster Energiespeieher ist als thermischer Energiespei cher und der zweiter Energiespeieher als chemischer Energie speicher ausgebildet. Der chemische Energiespeieher ist mit tels elektrischer Energie aufladbar und umfasst einen Elekt rolyseur zur Zerlegung von Wasser aus dem Wasser- Dampfkreislauf, in Wasserstoff und Sauerstoff und jeweils ei nen ersten Speicher zum Speichern des Wasserstoffs und einen zweiten Speicher zum Speichern des Sauerstoffs. Des Weiteren umfasst der Wasser-Dampfkreislauf einen Dampferzeuger zur in ternen Verbrennung des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff, wobei der Dampferzeuger einen Anschluss aufweist, über den, dem im Dampferzeuger erzeugbaren Dampf, H ₂ 0 zur Dampfkonditionie- rung, zuführbar ist.

Der zur internen Verbrennung eingesetzte Dampferzeuger wird nachfolgend als Clean Steam Generator kurz CSG bezeichnet.

Der CSG erzeugt durch eine druckbeaufschlagt interne Verbren nung von Wasserstoff und Sauerstoff Wasserdampf. Dieser pri mär erzeugte Wasserdampf wird durch Zugabe von H ₂ 0 konditio niert. Dieser konditionierte Wasserdampf wird im Folgenden als CSG-Dampf bezeichnet. Bei der Konditionierung können che mische Reaktionen ablaufen.

Das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk vereint damit die Vor teile des thermischen Energiespeichers mit denen des chemi schen Energiespeichers. Thermische Energiespeieher verlieren über die Zeit nach und nach ihre gespeicherte Energie durch WärmeVerluste, jedoch können Wasserstoff und Sauerstoff mit geringen zeitabhängigen Verlusten gespeichert werden, was diese Stoffe zu einem geeigneten Speichermedium für Langzei tenergiespeieher macht (chemische Energiespeieher, power to Eh & O ₂ ). Durch das Kombinieren der Vorteile von thermischer und chemischer Energiespeicherung kann das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk eine entscheidende Rolle in Stromnetzen mit hohem Anteil volatiler Stromquellen (erneuerbare Energien) spielen . Während des Standardfalls werden die Energiespeieher (thermischer Energiespeieher, chemischer Energiespeieher) als Kurz- und MittelzeitSpeicher eingesetzt. In diesem Fall bie tet der chemische Energiespeieher einige Vorteile hinsicht lich der Betriebsflexibilität, z.B. durch CSG-

Dampfeinspeisung zwecks BetriebsdauerVerlängerung oder zwecks Regelleistung (weitere vorteilhafte Betriebsregime möglich). Jedoch liegt der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Speicher kraftwerks in dem seltenen Ereignis von längerfristiger Stro munterproduktion im Netz (z.B. Dunkelflaute, längerer Zeit raum ohne Sonnenschein und Wind). Auf Grund der geringen zeitabhängigen Verluste des chemischen Energiespeichers kann die eingespeicherte Energie auch nach langer Stillstandszeit zuverlässig entladen werden, wodurch das Speicherkraftwerk auch in diesem Fall eine planbare Mindestenergie liefert. Da her kann das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk im Gegensatz zu rein thermischen Speicherkraftwerken auch zur Langzeit speicherung eingesetzt werden. Jedoch sind die Stromgeste hungskosten in dem erfindungsgemäßen Speicherkraftwerk nied riger als bei einem Speicherkraftwerk mit rein chemischem Energiespeieher . Durch das gezielte Anpassen des jeweiligen Anteils der beiden Speicherprinzipien (thermisch und che- misch) kann ein individuell optimiertes Speicherkraftwerk er reicht werden.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Speicherkraftwerks zeichnet sich dadurch aus, dass der Wasser-Dampfkreislauf als geschlossener Kreislauf ausgebildet ist. Hierdurch eignet sich das Speicherkraftwerk insbesondere für einen Betrieb in Regionen in denen Wasser eine knappe Ressource ist. Das Was ser, welches für die Elektrolyse benötigt wird, wird dem Kon densat des Wasser-Dampf-Kreislaufs entnommen (Massenbilanz ist geschlossen auf Grund der internen Verbrennung des er zeugten Wasserstoffs und Sauerstoffs im CSG). Dieser ge schlossene Kreislauf ist ein wesentlicher Unterschied zu an deren Systemen, z.B. Speicherkraftwerken basierend auf einer Gasturbine, welche mit Wasserstoff aus der Elektrolyse gefeu ert wird. Dort geht das Wasser über den Kamin verloren, was zu einem erheblichen Wasserverbrauch führt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der thermische Energiespeieher einen Anschluss zum Zuführen von fluidgebundener Wärme aufweist. Hierdurch ist es möglich, den thermischen Energiespeieher zusätzlich oder alternativ (zum elektrischen Laden) mittels eines Fluids aufzuladen. Dies kann beispielsweise ein Thermoöl sein, welche über ein solar thermisches Kraftwerk erwärmt wird und/oder durch Abwärme aus Industrieprozessen . Eine mögliche Temperaturdifferenz des Ar beitsmediums zwischen Austritt des thermischen Energiespei chers und den Zielparametern am Eintritt in die Dampfturbine wird durch Zumischen von CSG-Dampf ausgeglichen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Anschluss am CSG mit dem Kondensator und/oder dem thermischen Energiespeieher in Wirkverbindung steht. Je nachdem von wo der Anschluss / die Anschlüsse zum CSG abzweigt kann Wasser und/oder Wasserdampf in den CSG eingesprüht werden und somit die Dampfparameter des CSG-Dampfs eingestellt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass man das vom Kondensa tor abgeführte Wasser zunächst einem Vorwärmer zuführt und das erwärmte Wasser anschließend dem CSG zuführt. Der Vorwär mer kann beispiels-weise mittels Zwischendampfentnähme aus der Dampfturbine betrieben werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laden der Energiespeieher eines Speicherkraftwerks nach einem der vorherigen Ansprüche, zeichnet sich durch die nachfolgenden Verfahrensschritte aus:

- Erwärmen des thermischen Energiespeichers mittels elektri schen Stroms und/oder fluidgebundener Wärme und/oder

- Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durch Beaufschlagung des Elektrolyseurs mit elektrischem Strom und Speichern des Wasserstoffs im ersten Speicher und des Sauer stoffs im zweiten Speicher.

Das Laden der Energiespeieher erfolgt im Allgemeinen und be vorzugt zu Zeiten, in denen ein Überangebot elektrischer Energie vorliegt. Ein Teil der elektrischen Energie wird dazu verwendet, den thermischen Energiespeieher aufzuheizen (power to heat). Alternativ (oder zusätzlich) kann die Energie über fluidgebundene Wärme, beispielsweise mittels Abwärmeeinbrin- gung, in den thermischen Energiespeieher eingebracht werden. Ein weiterer Teil der elektrischen Energie wird im chemischen Energiespeieher gespeichert. Dazu wird mittels Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt und anschließend in Speichern (z.B. Drucktanks) gelagert. Wie groß der jewei- lige Anteil der elektrischen Energie zum Laden des jeweiligen Energiespeichers ist, kann, auch während des Ladevorgangs, variieren, wobei möglichst eine kundenoptimierte Lösung mit niedrigen Stromgestehungs-kosten anzustreben ist.

Die oben genannten Anteile der elektrischen Energie, die zum Laden des jeweiligen Energiespeichers genutzt wird, können unabhängig voneinander auch Null sein.

Das Wasser, welches dem Elektrolyseur zugeführt wird, wird bevorzugt dem Wasser-Dampfkreislauf entnommen. Hierdurch ergibt sich ein geschlossener Kreislauf, wodurch das Verfah ren ohne nennenswerten Wasserverbrauch betrieben werden kann (lediglich eine geringe Wassermenge zum Ausgleich von Lecka- gen ist ggf. notwendig) und das Verfahren insbesondere für den Einsatz in trockenen Regionen befähigt.

Das Wasser, welches für die Elektrolyse benötigt wird, wird dabei aus dem Kondensat des Wasser-Dampf-Kreislaufs zurückge wonnen (Massenbilanz ist geschlossen auf Grund der internen Verbrennung des erzeugten Wasserstoffs und Sauerstoffs im CSG). Dieser geschlossene Kreislauf ist ein wesentlicher Un terschied zu bekannten Verfahren.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Entladen der Energiespei cher eines Speicherkraftwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zeichnet sich durch die nachfolgenden Verfahrensschritte aus:

- Übertragen von Wärmeenergie vom thermischen Energiespeieher an das im Wasser-Dampfkreislauf strömende Arbeitsmedium, um eine Temperaturerhöhung und/oder einen Phasenwechsel (Ver dampfen)des Arbeitsmediums herbeizuführen, und/oder

- Zuführen von Wasserstoff und Sauerstoff aus dem jeweiligen Speicher zum Dampferzeuger und Verbrennen des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff im Dampferzeuger

- nachfolgende und/oder gleichzeitige Konditionierung des im Dampferzeuger erzeugten CSG-Dampfs durch Hinzufügen von Ar beitsmedium, welches dem Wasser-Dampfkreislauf entnommen wird, wobei das Arbeitsmedium flüssiger und/oder dampfförmig vorliegen kann,

- Entspannen des im Wasser-Dampfkreislauf strömenden Dampfs in der Dampfturbine,

- Erzeugung elektrischen Stroms mittels des Generators.

Beim Entladevorgang wird Wärmeenergie vom thermischen Ener giespeicher an das Arbeitsmedium im Wasser-Dampfkreislauf übertragen, um eine Temperaturerhöhung und/oder Phasenwechsel (Verdampfen) herbeizuführen. Gleichzeitig, nachfolgend oder alternativ wird Wasserstoff und Sauerstoff aus dem jeweiligen Speicher (SauerstoffSpeicher/WasserstoffSpeicher) dem CSG zu geführt und im CSG verbrannt. Zur Konditionierung des bei der Verbrennung entstehenden Dampfes wird zusätzlich Arbeitsmedi um in den CSG eingespritzt. Das Arbeitsmedium wird primär dem Wasser-Dampfkreislauf entnommen und kann durch regenerative Vorwärmung bzw. durch den thermischen Energiespeieher vorge wärmt werden.

Eine mögliche Temperaturdifferenz des Arbeitsmedium zwischen Austritt des thermischen Energiespeichers und den Zielparame tern am Eintritt in die Dampfturbine wird durch Zumischen von CSG-Dampf ausgeglichen. Die Betriebsweise (Aufteilung von Energieflüssen und Temperaturniveaus zwischen thermischen Energiespeieher und chemischen Energiespeieher) sowie der Ort der Dampfeinspeisung hängen von der jeweiligen Anwendung ab.

Auf Grund der vorliegenden Erfindung können daher auch ther mische Energiespeieher mit Temperaturniveaus unterhalb der Zieltemperatur am Dampfturbineneintritt mittels konventionel len Wasser-Dampfkreisläufen zur RückverStrömung eingesetzt werden. Es werden dabei keine weiteren Energiequellen benö tigt, was zu einer höheren Nettostromerzeugung und Autarkie führt.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ent laden der Energiespeieher eines Speicherkraftwerks zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Teil des im Wasser- Dampfkreislauf strömenden Arbeitsmediums vor, innerhalb, oder am Austritt der Dampfturbine entnommen wird und das entnommene Arbeitsmedium als Prozessdampf und/oder Warm wasser beispielsweise für Fernwärmeversorgung zur Verfügung gestellt wird.

Durch die Warmwasser-/Zwischendampfentnähme kann das Spei cherkraftwerk noch flexibler betrieben werden. Das Warmwas ser/Dampf kann dabei auch unmittelbar aus dem thermischen Energiespeieher entnommen werden.

Weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

- Fig. 1: Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Speicherkraftwerks ; - Fig. 2: Ein erster Betriebsmodus des in Fig. 1 gezeigten Speicherkraftwerks, bei dem die Bereitstellung des Dampfes zum Betreiben der Dampfturbine durch Entladen beider Energie speicher und Konditionierung des CSG-Dampfs mittels Konden sats, sowie ein nachfolgendes Vermischen des CSG-Dampfs mit dem Arbeitsmedium, welches vom thermischen Energiespeieher erhitzt/verdampft wird, erfolgt;

- Fig. 3: Ein zweiter Betriebsmodus des in Fig. 1 gezeigten Speicherkraftwerks, bei dem die Bereitstellung des Dampfes zum Betreiben der Dampfturbine durch Entladen des chemischen Energiespeichers und Konditionierung des CSG-Dampfs mittels Kondensats, sowie ein nachfolgendes Vermischen des CSG-Dampfs mit Kondensat, erfolgt;

- Fig. 4: Ein dritter Betriebsmodus des in Fig. 1 gezeigten Speicherkraftwerks, bei dem die Bereitstellung des Dampfes zum Betreiben der Dampfturbine durch Entladen beider Energie speicher und Konditionierung des CSG-Dampfs mittels Arbeits medium vom thermischen Energiespeieher, sowie ein nachfolgen des Vermischen des CSG-Dampfs mit dem Arbeitsmedium, welches vom thermischen Energiespeieher erhitzt/verdampft wird, er folgt;

- Fig. 5: Ein vierter Betriebsmodus des in Fig. 1 gezeigten Speicherkraftwerks, bei dem die Bereitstellung des Dampfes zum Betreiben der Dampfturbine durch Entladen des chemischen Energiespeichers und Konditionierung des CSG-Dampfs mittels Arbeitsmediums vom thermischen Energiespeieher erfolgt;

- Fig. 6: Ein fünfter Betriebsmodus des in Fig. 1 gezeigten Speicherkraftwerks, bei dem die Bereitstellung des Dampfes zum Betreiben der Dampfturbine durch Entladen des chemischen Energiespeichers und Konditionierung des CSG-Dampfs mittels Kondensats erfolgt. Die Figuren zeigen jeweils nur eine schematische, vereinfach te und nicht maßstabsgerechte Darstellung des Speicherkraft- werks. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurüber- greifend mit den gleichen BezugsZeichen versehen.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Speicherkraftwerks . Das Speicherkraftwerk weist einen Wasser- Dampfkreislauf 1 auf, der mit H2O als Arbeitsmedium betrieben wird. Das Arbeitsmedium kann dabei örtlich sowie je nach Be triebsweise in flüssiger Form und/oder als Wasserdampf vor liegen. Der Wasser-Dampfkreislauf 1 umfasst einen thermischen Energiespeieher 4 sowie einen chemischen Energiespeieher 5. Die beiden Energiespeieher 4, 5 sind dabei strömungstechnisch parallelen zueinander in den Wasser-Dampfkreislauf 1 einge bunden. Der thermische Energiespeiche 4 kann mittels elektri schen Energie 13 (power to heat) oder alternativ (oder zu sätzlich) mittels fluidgebundene Wärme 11, beispielsweise durch Abwärmeeinbringung, geladen werde. Der chemische Ener giespeicher 5 ist mittels elektrischer Energie 13 aufladbar und umfasst einen Elektrolyseur 6 zur Zerlegung von Wasser aus dem Wasser-Dampfkreislauf 1, in Wasserstoff und Sauer stoff sowie einen ersten Speicher 7 zum Speichern des Wasser stoffs und einen zweiten Speicher 8 zum Speichern des Sauer stoffs. Des Weiteren umfasst der Wasser-Dampfkreislauf 1 ei nen CSG 9 zur internen Verbrennung des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff, wobei der CSG einen Anschluss 10 aufweist, über den, dem im CSG erzeugbaren Dampf, Arbeitsmedium zur Dampf- konditionierung, zuführbar ist.

Beim Entladen der Energiespeieher 4, 5 geben die Energiespei cher 4, 5 Energie an das Arbeitsmedium des Wasser- Dampfkreislaus 1 ab und erwärmen und/oder verdampfen dadurch das Arbeitsmedium. Der dabei entstehende Wasserdampf kann nachfolgend in der Dampfturbine 2 entspannt werden. Die Dampfturbine 2 treibt ihrerseits einen Generator 3 an, wel cher elektrischen Strom erzeugt und diesen in ein elektri sches Netz einspeisen oder an einen elektrischen Verbraucher weiterleiten kann. Der die Dampfturbine 2 verlassende Dampf wird in einem Kondensator 14 kondensiert und das Kondensat in einem Tank 12 gesammelt. Von dort wird das Kondensat mit Hil fe einer Pumpe 15 erneut zu den Energiespeiehern 4, 5, geför dert und von diesen erwärmt bzw. verdampft. Der Wasser- Dampfkreislauf 1 ist somit ein geschlossener Kreislauf, bei dem kein Arbeitsmedium verloren geht (außer möglichen Lecka geverlusten) . Dieser geschlossene Kreislauf ist ein wesentli cher Unterschied zu anderen Systemen, z.B. Speicherkraftwer- ken basierend auf einer Gasturbine, welche mit Wasserstoff aus der Elektrolyse gefeuert wird. Dort geht das Wasser über den Kamin verloren, was zu einem erheblichen Wasserverbrauch führt. Für eine flexible Betriebsweise des Speicherkraftwerks umfasst der Wasser-Dampfkreislauf 1 ein Leitungssystem, wel ches mit mehreren Ventilen 16 ausgestattet ist und dadurch das separate Entladen eines oder das parallele Entladen bei der Energiespeieher 4, 5 ermöglicht. Darüber hinaus ermöglich ein solchermaßen ausgebildetes Leitungssystem eine flexible Beimischung von Arbeitsmedium (Kondensat, erhitztes und/oder verdampftes Wasser von thermischen Energiespeieher) zum CSG 9 und damit eine entsprechende Konditionierung des CSG-Dampfs. Zum Vermischen des CSG-Dampfs mit dem Kondensat vom Kondensa tor oder dem durch den thermischen Speicher 4 erhitzten und/oder verdampften Arbeitsmedium weist der Wasser- Dampfkreislauf 1 einen Mischer 17 auf. Der Mischer 17 ist be vorzugt als Regelorgan ausgebildet, so dass die jeweiligen Teilmassenströme eingestellt und die Dampfparameter des der Dampfturbine 2 zugeführten Dampf exakt eingestellt werden können. Der Wasser-Dampfkreislauf 1 verfügt des Weiteren über mindestens eine Zwischendampfentnähme 18, über die Prozess dampf mit definierten Dampfparametern entnommen und einen nachfolgenden Prozess zugeführt werden kann. Außerdem ist ei ne Entnahme aus dem Wärmespeieher vorgesehen, über die Warm wasser und/oder Dampf, beispielsweise für Fernwärme bereitge stellt werden kann. Bei einer Entnahme von Wasser bzw. Dampf muss dem Wasser-Dampfkreislauf 1 der entnommene Massenstrom wieder zugeführt werden.

Das Laden der beiden Energiespeieher 4, 5 mittels elektri scher Energie (der thermische Speicher 4 kann wie oben be- schrieben zusätzlich oder alternativ mittels fluidgebundene Wärme 11 geladen werden) erfolgt im Allgemeinen und bevorzugt zu Zeiten, in denen ein Überangebot elektrischer Energie vor liegt. Ob zunächst der thermische Energiespeieher 4, der che mische Energiespeieher 5 oder beide Energiespeieher gleich zeitig mittels elektrischer Energie geladen werden ist vom jeweiligen Einzelfall abhängig und kann, auch während des La devorgangs variieren, wobei möglichst eine kundenoptimierte Lösung mit niedrigen Stromgestehungskosten anzustreben ist. Üblicherweise liegt die Priorität zunächst beim Laden des als KurzzeitSpeicher verwendete thermische Energiespeieher 4 und nur wenn genügend elektrische Energie vorhanden ist wird der als LangzeitSpeicher vorgesehene chemische Energiespeieher 5 geladen. Zum Laden des chemischen Energiespeichers wird mit tels Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt und anschließend in den Speichern 7, 8 gelagert. Das Wasser wird dabei dem Tank 19 entnommen, welcher über den Tank 12 mit Kondensat gespeist wird. Der Tank 12 und/oder 19 kann zu sätzlich einen Anschluss aufweisen über den ein möglicher Le ckagestrom ausgeglichen werden kann.

Das Entladen der Energiespeieher und die RückverStrömung der gespeicherten Energie kann auf unterschiedliche Weise erfol gen. Nachfolgend werden verschieden Betriebsmodi anhand der Fig. 2 bis 6 beschrieben. Die Ausführungsbeispiele stellen dabei keine abschließende Aufzählung aller möglichen Be triebsmodi da, weitere Betriebsmodi sind möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Zur Effizienzsteigerung der RückverStrömung können in Abwei chung zu den Abbildungen mehrere Maßnahmen getroffen werden. Beispielsweise kann die Temperatur des zur Konditionierung des CSG-Dampfs verwendeten Arbeitsmediums durch regenerative Wasservorwärmung erhöht werden.

Zur einfacheren Nachvollziebarkeit der Funktionsweise werden in den nachfolgenden Figuren jeweils nur die Leitungen darge stellt, welche für den jeweiligen Betriebsmodus notwendig sind, die Figuren beziehen sich aber grundsätzlich auf das in Fig. 1 dargestellte Speicherkraftwerk.

Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk in einem ersten Betriebsmodus. In diesem Betriebsmodus erfolgt die Be reitstellung des Dampfes zur RückverStrömung der gespeicher ten Energie durch das Entladen beider Energiespeieher 4, 5 und Konditionierung des CSG-Dampfs mittels Kondensats, sowie ein nachfolgendes Vermischen des CSG-Dampfs mit dem Teil des Arbeitsmediums, welches vom thermischen Energiespeieher 4 er hitzt/verdampft wird.

Zunächst wir ein Teil des Arbeitsmediums (Kondensat) aus dem Tank 12 mit Hilfe der Pumpe 15 zum thermischen Energiespei cher 4 gefördert. Im thermischen Energiespeieher 4 wird die gespeicherte thermische Energie an das Arbeitsmedium abgege ben, wodurch das Arbeitsmedium erhitzt wird und je nachdem wie hoch das Temperaturniveau des thermischen Energiespei chers 4 ist, verdampft und ggf. überhitzt. Gleichzeitig wird die im chemischen Energiespeieher 5 gespeicherte Energie durch die interne Verbrennung des aus dem ersten Tank 7 ent nommenen Wasserstoff mit dem aus dem zweiten Tank 8 entnommen Sauerstoff im CSG 9 in Wärmeenergie umgewandelt. Durch Zumi schen von Arbeitsmedium, welches dem Tank 12 entnommen wird und über den Anschluss 10 dem CSG 9 zugeführt wird, kann der im CSG 9 entstehende Dampf konditioniert werden.

Anschließend wird der vom thermischen Energiespeieher 4 kom mende Teil des Arbeitsmediums und der vom CSG 9 kommende Teil des Arbeitsmedium im Mischer 17 gemischt. Dabei wird der Mi scher 17 so betrieben, dass das Arbeitsmedium Dampfparameter aufweist, die eine Entspannung des Arbeitsmediums in der Dampfturbine 2 erlauben. Die RückverStrömung der gespeicher ten Energie erfolgt nachfolgend durch den von der Dampfturbi ne 2 angetrieben Generator 3.

Fig. 3 zeigt das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk in einem zweiten Betriebsmodus. In diesem Betriebsmodus erfolgt die Bereitstellung des Dampfes zur RückverStrömung der gespei cherten Energie durch das Entladen des chemischen Energie- Speichers 5 und Konditionierung des CSG-Dampfs mittels Kon densats aus dem Tank 12, welches dem CSG 9 über den Anschluss 10 zugeführt wird. Der konditionierte CSG-Dampf wird an schließend im Mischer 17 zusätzlich mit einem Teil des Ar beitsmedium, welches ebenfalls dem Tank 12 entnommen wird, gemischt, wodurch die Dampfparameter so eingestellt werden können, dass Sie für die Entspannung in der Dampfturbine 2 optimiert sind. Die Rückverstromung der gespeicherten Energie erfolgt nachfolgend durch den von der Dampfturbine 2 ange trieben Generator 3. Dies Betriebsweise eignet sich besonders für eine Dunkelflaute, in der bereits der als Kurzzeitspei cher eingesetzte thermische Energiespeieher 4 vollständig entladen ist.

Fig. 4 zeigt das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk in einem weiteren Betriebsmodus. In diesem Betriebsmodus erfolgt die Bereitstellung des Dampfes zur Rückverstromung der gespei cherten Energie durch Entladen beider Energiespeieher 4, 5. Die Konditionierung des CSG-Dampfs erfolgt durch einen ersten Teilmassenström des Arbeitsmittels, welches dem thermischen Energiespeieher 4 zugeführt und beim Durchströmen des thermi schen Energiespeichers 4 erhitzt bzw. verdampft. Die Zufüh rung zum CSG 9 erfolgt über den am CSG 9 angeordneten An schluss 10. Der zweite den thermischen Energiespeieher 4 durchströmende Teilmassenström wird dem Mischer 17 zugeführt und vermischt sich dort mit dem CSG-Dampf. Über die Einstel lung des Mischers 17, bzw. das Mischungsverhältnis können die Dampfparameter des der Dampfturbine 3 zugeführten Dampf ein gestellt werden Die Rückverstromung der gespeicherten Energie erfolgt nachfolgend durch den von der Dampfturbine 2 ange trieben Generator 3. Die Betriebsweise eignet sich insbeson dere dann, wenn die Wärmeenergie des thermischen Speichers 4 nicht ausreicht, um das Arbeitsmedium zu verdampfen oder die benötigten Dampfparameter erreicht.

Fig. 5 zeigt das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk in einem weiteren Betriebsmodus. In diesem Betriebsmodus erfolgt die Bereitstellung des Dampfes zur RückverStrömung der gespei cherten Energie durch Entladen der beiden Energiespeieher 4, 5. Der gesamte Teilmassenström des Arbeitsmediums, welcher dem thermischen Energiespeieher 4 zugeführt und dort erhitzt bzw. verdampf wird, wird anschließend über den Anschluss 10 zur Konditionierung des CSG-Dampfs in CSG 9 eingeleitet. So mit liegt im CSG 9 der Gesamtmassenstrom des Arbeitsmediums an und der den CSG 9 verlassen Dampf kann unmittelbar ohne einen Mischer der Dampfturbine 3 zugeführt und über den Gene rator 3 rück erströmt werden. Eine solche Betriebsweise eig net sich beispielsweise dann, wenn der thermische Energie speicher nur (noch) eine geringe Wärmekapazität aufweist und dadurch nur geringe Massenströme des Arbeitsmediums er wärmt/verdampft werden können.

Fig. 6 zeigt das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk in einem weiteren Betriebsmodus. In diesem Betriebsmodus erfolgt die Bereitstellung des Dampfes zur RückverStrömung der gespei cherten Energie durch Entladen des chemischen Energiespei chers 5. Die Konditionierung des CSG-Dampfs erfolgt, in dem, dem CSG 9 über den Anschluss 10 Kondensat zugeführt wird, welches dem Tank 12 oder dem nachgeschalteten, zum chemischen Energiespeieher 5 gehörenden Tank 20, entnommen wird. Eine solche Betriebsweise wird bevorzugt in Zeit von Dunkelflauten genutzt, wenn der thermische Energiespeieher, welcher vorwie gend als KurzzeitSpeicher Anwendung findet, bereits vollstän dig entladen ist. Der chemische Energiespeieher 5 kann dann für eine Verlängerung der Betriebszeit des Speicherkraftwerks sorgen.

Zusammenfassend lässt sich somit festhalten, dass das erfin dungsgemäße Speicherkraftwerk durch Kombination eines thermi schen Energiespeichers und eines chemischen Energiespeichers niedrige Stromgestehungskosten bzw. Rückverstromungskosten bewirkt.

Der chemische Energiespeieher eignet sich auch für die lang fristige Speicherung von Energie, was beispielsweise in Stromnetzen mit hohem Anteil volatiler Stromquellen (erneuer- bare Energien) für die Stromproduktion während Dunkelflauten förderlich ist.

Durch die Kombination von chemischen und thermischen Energie speichern erweitert sich das Portfolio einsetzbarer thermi scher Energiespeieher, was ein Vorteil für den Kunden sein kann (effiziente und kostenoptimierte Lösung). So können bei spielsweise auch thermische Energiespeieher mit Temperaturni veaus unterhalb der geforderten Dampfturbineneintrittstempe- ratur eingesetzt werden. In diesem Fall wird die Temperatur differenz durch das Zumischen von CSG-Dampf ausgeglichen.

Bei einem Speicherkraftwerk ohne Dampfentnähme kann der Was ser-Dampfkreislauf als geschlossenes System ausgebildet wer den. Abgesehen vom Ausgleich systembedingter Wasserverluste (z.B. Leckagen) ist keine externe Wasserzufuhr notwendig. So mit ist das Speicherkraft auch für Regionen mit Wassermangel geeignet .

Die Betriebsweise, d.h. die Aufteilung der Energieflüsse und der Temperaturniveaus zwischen dem thermischen Speicher und dem chemischen Speicher sowie der Ort der CSG- Dampfeinspeisung können je nach Anwendungsfall und Betriebs weise des Speicherkraftwerks variieren. Hierdurch lassen sich die Stromgestehungskosten niedrig halten und der Autarkiegrad erhöhen . Falls eine Temperaturdifferenz des Arbeitsmedium zwischen Austritt des thermischen Speichers und den Zielpara metern am Eintritt in die Dampfturbine auftritt, wird diese durch Zumischen von CSG-Dampf ausgeglichen.

An der Dampfturbine kann eine oder mehrere Zwischendampfent nahmen vorgesehen werden. Die Zwischendampfentnahmen ermögli chen eine Entnahme von Dampf entlang der Expansionstrecke mit definierten Dampfparametern. Zusätzlich oder alternativ kann Wasser und/oder Dampf aus dem thermischen Speicher entnommen werden. Das entnommene Arbeitsmedium kann beispielsweise als Prozessdampf oder für die Fernwärme genutzt werden. Erfolgt eine Zwischendampfentnähme und/ oder Entnahme aus dem thermi schen Speicher, muss der entnommene Massenstrom dem Wasser- Dampfkreislauf entsprechend wieder zugeführt werden.