有开放式蓄能回路的存储季节性过剩电能的能量存储设备

能量存储的必要性尤其是源自日益增长的来自可再生能量领域的发电 厂的份额。能量存储的目的在于，在输电网络中可使用具有可再生能量的发 电厂，使得也可时间延迟地利用可再生产生的能量，以因此节约化石能源且 因此降低CO₂排放。

US2010/0257862A1描述一种已知的能量存储设备的原理，其中使用了 活塞式机器。此外，根据US5,436,508已知，通过用于存储热能的能量存储 设备在利用风能发电时也可中间存储过剩容量。

此类能量存储器在存储器蓄能时将电能转化为热能且将热能存储。在释 能时，将热能又转化为电能。

由于能量存储器得跨越的时间段，即能量存入能量存储器内或从能量存 储器取出的时间，且由于应存储的功率，提出了对于热能存储器的尺寸相应 较高的要求。因此，仅由于结构尺寸即可能使得热能存储器的购置昂贵。如 果能量存储器为此而昂贵地构造或实际的热存储介质在购置或在运行中是 昂贵的，则对于热能存储器的购置和运行成本很快带来能量存储的经济性问 题。

由于廉价的存储材料的导热能力经常是低的，所以换热面积经常应设置 得很大。换热管的大数量和长度在此明显提高换热器的成本，这自身不再能 通过廉价的存储材料补偿。

目前，基于廉价材料的换热器主要构造为使例如空气的热载体和例如沙 或石的存储材料的直接交换的形式，以替代大的换热器。在技术中原理上已 知的漩涡层技术目前为止未被应用于可再生的过剩能量的季节性存储所要 求的尺寸布置上。直接换热此外导致与固体的相对复杂的交互作用，这对于 大型存储器是不经济的。

将例如空气的工作气体用作热载体介质。工作气体在此可选择地在封闭 式或开放式蓄能回路或附加回路中导引。

开放式蓄能回路总是使用环境空气作为工作气体。所述环境空气从环境 中抽取且在过程结束时又释放到环境中，使得环境将开放式回路闭合。封闭 式回路也允许使用不同于环境空气的工作气体。此工作气体在封闭式回路中 导引。因为在调节环境压力和环境温度的同时取消了到环境中的卸压，所以 在封闭式回路的情况中工作气体必须导引通过换热器，所述换热器允许工作 气体散热到环境中。因为在封闭式回路中也可使用去湿的空气或另外的工作 气体，所以可省去压缩机和水分离器的多级构造。但在此缺点是用于膨胀涡 轮机后或压缩机前的用于将工作气体加热到用于压缩机的工作温度的附加 换热器的购置和运行的附加成本费用。在运行中，因此使得能量存储设备的 效率降低。

替代地可建议使得用于热存储器内的热能存储的蓄能回路也形成为开 放式回路，且压缩机由两级构成，其中在这两级之间提供用于工作气体的水 分离器。在此，考虑到如下情况，即在环境空气中包含空气湿度。通过工作 气体在唯一一级中的卸压，可能出现的情况是空气湿度由于工作气体到例如 -100℃的强冷却而凝结且因此损坏膨胀涡轮机。尤其是，涡轮机叶片可能由 于冻结而被不利地损坏。但工作气体在两步中的卸压实现将凝结的水在第一 级后方的水分离器内例如在5℃下分离，使得所述凝结的水在工作气体在第 二涡轮机级中进一步冷却时已去湿，且可防止或至少降低冰的形成。但在此 缺点也是购置多级压缩机和水分离器的成本升高。在运行中，此类设备的效 率也降低。

本发明所要解决的技术问题是给出一种具有提高的效率的基于廉价的 存储材料的用于存储热能的廉价的能量存储器。在此，被认为尤其是避免了 现有技术中的缺点。本发明还要解决的技术问题是给出一种方法，通过所述 方法在提高的效率下可在廉价的存储材料内存储热能。

本发明的针对设备的技术问题通过权利要求1的特征解决。

据此，用于存储热能的能量存储设备包括用于工作气体的蓄能回路，所 述蓄能回路包括压缩机、热存储器和膨胀涡轮机，其中压缩机和膨胀涡轮机 布置在共同的轴上，且其中压缩机在出口侧通过用于工作气体的第一管路与 膨胀涡轮机的入口连接，且热存储器接入第一管路内，且压缩机在入口侧与 相对于大气开放的管路连接，且膨胀涡轮机在出口侧与相对于大气开放的管 路连接，使得形成相对于环境空气开放的回路。根据本发明，现在膨胀涡轮 机通过用于热气体的管路与热存储器连接，使得工作气体在膨胀涡轮机内通 过来自热存储器的热量可加热。尤其是不与第一管路相同的此管路保证将热 存储器后的热空气的部分流导引至膨胀涡轮机。

本发明的核心在于将热存储器后的热空气的部分流导引至膨胀涡轮机， 以便类似于在燃气涡轮机中的情况将其导引到涡轮机叶片内，以避免在膨胀 涡轮机的冷端上的冻结问题。

由于压缩机废热在蓄能回路中的回收和冷的膨胀空气向环境的释放，获 得了明显高于100％的热泵效率。压缩机废热的回收通过在热量存储器内仅 利用例如>320℃的高温热量来实现。更低温度水平的热量用于环境空气在压 缩机入口处的预热，以此降低了准绝热压缩的电能需求且实现了高的热泵效 率。回收时的换热或者直接在空气-空气换热器内进行，或者通过中间回路 以有效的热载体介质(例如，热油)进行。

在最简单的情况中，回路如在焦耳过程中包括压缩和卸压。但带有空气 的中间冷却的压缩机级和膨胀器级的准确数量可自由选择，且必须根据技术 经济性观点优化。空气蓄能回路用于产生实现了有效的电流反转化的高温 热，但替代地也可将其直接用于例如远程供热。在热量存储器或热存储器中， 基于更高的效率潜能，优选的是与热压力空气的直接温度交换(在蓄能时)以 及存储材料与水/蒸汽的温度交换(在释能时)。

膨胀涡轮机此外通过它布置在与压缩机共同的轴上且明显地辅助压缩 机而降低了用于压缩的能量花费。

因为工作气体在低温下的冷却要求很大的换热面积，所以通过放弃使用 更低的温度也可使热存储器更廉价，因为热存储器尺寸可以设计得更小。

总之，通过根据本发明的措施实现了能量存储器的效率的明显升高。此 外，根据本发明的能量存储设备在购置上比其中工作气体很大程度上完全在 换热器内冷却的常规能量存储设备明显更廉价。

在本发明的有利的扩展中建议一种换热器，所述换热器在初级侧接入热 存储器后的用于工作气体的第一管路内，且在次级侧接入通向压缩机的管路 内，使得来自工作气体的热量在通向压缩机的管路内传递给抽吸的环境空 气。

在本发明的另外的有利的构造中提供了第一附加加热器，所述第一附加 加热器在膨胀涡轮机前方接入用于工作气体的第一管路内，使得工作气体在 进入到膨胀涡轮机内之前被加热。附加加热可以是电加热。通过附加加热， 升高换热器前方的最高存储器温度升高，从而实现效率的进一步提高。作为 其替代或补充，在另外的扩展中提供了第二附加加热器，所述第二附加加热 器接入到热存储器前方的第一管路内，使得工作气体在进入到热存储器内之 前可被加热。通过第二附加加热，可进一步提高可调节性和可利用性。

所存储的能量的取出可例如通过蒸汽回路进行。

热能可以是具有可再生能量的发电厂的季节性出现的过剩能量。作为用 于换热过程的热存储器的存储材料，特别合适的是多孔性材料，例如沙、砾 石、岩石、混凝土、水或盐溶液。